CC BY
47
МАШИНОСТРОЕНИЕ И МАШИНОВЕДЕНИЕ ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК № 2 (120) 2013
УДК 620.179.112 : 665.765.035.539.375.6 Д. М. СЕЛИЩЕВ
И. В. ПЕТУНИН Г. Д. ГОЛОЩАПОВ К. В. КОСТИН И. Д. КУДРЯВЦЕВ К. Д. ГРЫМЗИН
Омский филиал Военной академии материально-технического обеспечения
Сибирская государственная автомобильно-дорожная академия,
г. Омск
Омский государственный технический университет
ОБОСНОВАНИЕ ВЫБОРА МЕТОДА ОЦЕНКИ ПРОТИВОИЗНОСНЫХ СВОЙСТВ СМАЗОЧНЫХ МАТЕРИАЛОВ В УСЛОВИЯХ АБРАЗИВНОГО ИЗНАШИВАНИЯ_________________________________________________
В статье разработана новая конструкция трибометра, было исследовано влияние дисперсности и концентрации абразива на противоизносные свойства смазок, создана методика проверки смазочных материалов и способы введения.
Ключевые слова: трибометр, методика, износ, смазочные материалы.
Несмотря на существование большого количества приборов для оценки противоизносных свойств смазочных материалов, только четырехшариковая машина (ЧШМ) по ГОСТ 9490-75 является относительно доступной для широкого применения как в исследовательской практике, так и при проведении производственного контроля смазок.
На рис. 1 представлено устройство четырехшарикового трибометра. Приводом служит электродвигатель 1 с постоянным числом оборотов. Крутящий момент от вала электродвигателя через муфту 2 передается на приводной вал 3 с цанговым зажимом, в котором закрепляется верхний приводной шар, опирающийся на три нижних шара 5. Шары помещения в чашку 6, которая вставлена в корпус 4. Корпус 4 является подвижным по отношению к опоре 9 с опорным подшипником 8. Тензозвено 7 обеспечивает измерение момента трения, возникающего при скольжении верхнего шара по поверхностям нижних шаров. Нагрузка на шары передается с помощью рычажного устройства грузом 10. Испытуемая смазка закладывается в стакан 6 по весу, который определяется в соответствии с методикой проведения испытаний. Износ определяется по потере веса трех нижних шаров на аналитических весах. Каждый опыт проводится с новой чашкой и новыми шарами.
Конструкция узла трения данного трибометра определяет работу смазки в объеме, что соответствует в большей степени гидродинамическому режиму трения для нижних шаров, чем граничному. Верхний шар работает уже в других условиях. Поэтому
1
2
3
4
5
6
7
8 9
10 с
=Ф
Рис. 1. Устройство четырехшарикового трибометра
оценивать достоверность результата испытаний на данном трибометре весьма затруднительно [1].
Данный трибометр имеет ряд недостатков, которые делают невозможным его применение для исследования противоизносных свойств смазок в присутствии абразива.
Основными недостатками являются:
— узел трения ЧШМ по конструкции далек от большинства реальных, узлов трения и ограничивает возможности испытания лишь условиями точечного контакта;
— отсутствует возможность проведения испытания в условиях чисто граничного режима трения и его результаты искажаются элементами гидродинамического режима, особенно в случае высоковязких смазочных материалов;
— нестационарный режим трения, обусловленный быстрым увеличением площади фактического контакта поверхностей трения по мере износа и снижением фактической удельной нагрузки [2];
— при абразивном изнашивании малая чувствительность к противоизносному действию смазочных материалов с противозадирными (Б, С1, Р- содержащими) и антифрикционными (МоБ2, графит и др.) добавками [3, 4];
— высокая погрешность результатов при испытании смазочных материалов.
Учитывая отмеченные недостатки ЧШМ и то, что многие реальные механизмы и узлы трения машин работают в условиях контакта по площади в режиме граничной смазки, становится очевидной необходимость разработки удобного и надежного прибора на стандартных и доступных деталях экспрессмето-дом, имитирующим эти условия, который позволял бы исследовать различные аспекты абразивного изнашивания при граничном трении.
Для оценки противоизносных свойств пластичных смазок при скольжении за основу выбрана схема трехшарикового трибометра, рабочими элементами которого (рис. 2) являются: плоское стальное кольцо 1, три шара 8, шлифовальные прокладки 5. Шары фиксируются сепаратором 3 подвижной опорой 4. Рабочее кольцо изготовлено из стали марки ШХ-15 твердостью 59 — 60 НЯС — с шероховатостью поверхности Я а = 0,5 — 0,6 мкм опора и сепаратор — из стали марки Х12М твердостью 50 НЯС3. Используются шары диаметром 12,7 мм по ГОСТ 3722-81. Перед испытанием шары устанавливают в оправке на стальные шлифованные прокладки 5 и фиксируют крышкой. Равномерное выступание шаров относительно опорной поверхности оправки измеряется микрометром. Крышка 3 центрируется на оправки 4 штифтом 6, а крепление её с шарами к оправке обеспечивает болтовое соединение 7.
Каждый шар на оправке имеет свой порядковый номер. Прокладки служат для предохранения опорной плоскость от повреждений при многократных
опытах. Необходимое количество прокладок шлифуется одновременно. Кольцо 1 фиксируется на поворотном столе 8 стопорным винтом 9. Шар 10 позволяет производить самоустановку оправки с шарами относительно плоской поверенности кольца. Муфта 11 с пальцами при помощи винтов жестко крепится к приводному валу 12 и служит для передачи крутящего момента вала электродвигателя оправке с шарами. Опыты начинаются с приработки элементов узла трения при постепенном ступенчатом увеличении нагрузки от 40 до 100 Н в течение 20 минут. Заканчивается она по достижении диаметра пятна износа примерно равно 0,5 мм для получения исходной площадки плоского контакта. Приработка шаров осуществляется на сменных кольцах. В качестве смазочного материала используется масло И-50А по ГОСТ 20799-88, которое наносится тонким слоем на рабочую поверхность кольца. Измерение диаметра пятна износа после приработки производится без разборки оправки на горизонтальном компараторе ИЗА-2 с погрешностью 1 мкм.
Испытания смазочных материалов проводят в течение 15 минут на новом кольце при нагрузке 120 Н и частоте вращения оправки 500 мин-1. Момент трения, возникающий при изнашивании поверхности трения измеряется и записывается с помощью комплекса арматуры (осциллограф Н 117/1, усилитель ТА-5). После отключения привода узел трения разбирают, на шарах без снятия сепаратора измеряют диаметр пятна износа. В процессе испытания происходит увеличение исходного диаметра пятна износа и уменьшение расстояния от центра шаров до поверхности кольца. За конечный результат испытания принимают среднюю величину вертикального перемещения подвижной (мкм) опоры узла трения относительно кольца:
Л = 7д2 - Г2 -Vк2 - г2,
где К — радиус шара; г1 — радиус исходного пятна износа; г2 — радиус рабочего пятна износа.
В расчетах приняты допущения о том, что все измерения произведены с одинаковой тщательностью, то есть являются равноточными, а случайные ошибки распределены по закону Гаусса. В табл. 1 приведены результаты 10-кратного измерения про-тивоизносных свойств масел и смазок, выполненных с целью определения точности методики измерений. Из табл. 1 видно, что расчётная ошибка измерений с вероятностью 0,95 [5] не превышает 6 %. Причем при испытании пластичных смазок погрешность результатов несколько ниже, чем при испытании масла.
Для определения чувствительности предлагаемой методики к смазочным материалам разной природы была проведена серия испытаний масел и смазок разного состава и назначения. Полученные противоиз-носные характеристики испытанных смазочных материалов сопоставлялись с их реологическими свойствами (табл. 2). Видно, что разработанная методика весьма чувствительна к изменению состава и реологических свойств смазочных материалов. Наблюдается экстремальная зависимость противоизнос-ных свойств смесей жидкостей разной вязкости от содержания маловязкого и высоковязкого компонентов. С уменьшением содержания дизтоплива в смеси и повышением вязкости (до некоторого уровня) её смазочные свойства приближаются к свойствам более высоковязского масла С-220, а затем ухудшаются. Эти данные и наблюдаемые различия в смазочных свойствах равновязких масел (веретенное АУ
ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК № 2 (120) 2013 МАШИНОСТРОЕНИЕ И МАШИНОВЕДЕНИЕ
МАШИНОСТРОЕНИЕ И МАШИНОВЕДЕНИЕ ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК № 2 (120) 2013
Таблица 1
Результаты испытания противоизносных свойств смазочных материалов
Смазочный материал Износ, мкм Расчетная ошибка измерения, %
Масло И-50 А 2,244 5,5
Литол-24 3,373 3,5
Литол-24 + 3% МоБ2 2,676 4,6
Таблица 2
Смазочные характеристики масел и смазок
Смазочный материал Характеристики образцов Износ, мкм Коэффициент трения
Вязкость при 20°С, сСт
Масло веретенное АУ 49 2,84 0,125
То же + 3% ТКФ - 1,15 0,133
С-220 820 1,45 0,095
ТАД-17»И» 850 4,07 0,154
ТАП-15В 1300 1 0,133
Дизельное топливо арктическое 3 2,43 0,166
Смеси дизельного топлива с маслом С-220 10 1,91 0,145
50 1,82 0,154
100 0,83 0,133
316 1,1 0,15
Пластичная смазка Предел прочности при 20°С, Па
Масло веретенное АУ+ стеарат лития (% мас.):
5 120 3,37 0,154
10 400 3,81 0,166
То же + 3 % ТКФ 370 2,07 0,145
15 2100 4,65 0,158
25 <2500 5,02 0,154
50 - 4,38 0,137
Масло веретенное АУ+ 10 % мас. силикагеля БС 520 6,86 0,154
Таблица 3
Влияние дисперсности и концентрации абразива на противоизносные свойства пластичных смазок
Концентрация абразива, износ, мкм
% мас. литол-24 зимол автомобильная
Кварцевая пыль по ГОСТ 8002-73:
2,5 12,01 11,14 13,72
5,0 15,27 14,92 21,04
Фракция кварцевой пыли, 5:
10-15 мкм 15,94 - -
20-25 мкм 27,93 - -
40-50 мкм 20,9 - -
и смесь С-220 с дизтопливом 31:69) указывает на зависимость противоизносных свойств масел не столько от вязкости, сколько от углеводородного состава и химической природы жидкостей. Иллюстрацией этого положения является скачкообразное изменение показателей смазочных свойств товарных
масел по мере перехода к маслам более высокой вязкости и резкое улучшение их в случае масла веретенного АУ в результате введения в него трикрезил-фосфата (ТКФ).
Введение в масло литиевого мыла и увеличение его концентрации приводит к экстремальным
40
30
20
10
3 —/ на
2 ,
/ 1
2,5
5 7,5
концентрация абразива, % мас.
10
Рис. 3. Влияние концентрации абразива на противоизносные свойства при скольжении (кварц 20—25 мкм):
1 — зимол; 2 — литол-24; 3 — автомобильная
изменениям смазочных свойств композиций. Износ достигает максимума при 25 %-ном, а коэффициент трения — при 10 %-ном содержании мыла, что связано с соответствующими структурными превращениями и изменениями объемных и граничных свойств смазок. При испытании силикагелевой смазки, как и следовало ожидать, износ оказался значительно выше, чем при испытании литиевых смазок [6].
Было исследовано влияние дисперсности и концентрации абразива на противоизносные свойства смазок. С целью определения абразивного действия и выбора оптимальной дисперсности кварца на трёхшариковой машине в условиях скольжения испытывали смазки литол-24, зимол, автомобильная, содержащие кварц по ГОСТ 8002-74 и его фракции с частицами разного размера. Результаты испытаний представлены в табл. 3 и на рис. 3.
Видно, что присутствие кварца дисперсностью 20— 25 мпл в смазке вызывает наибольший износ и его использование предпочтительно с точки зрения сокращения продолжительности испытания. С ростом концентрации кварца до 5 % величина износа возрастает, увеличение его содержания свыше 5 % приводит лишь к несущественному росту износа. Поэтому концентрацию 5 % можно считать наиболее приемлемой для лабораторных исследований.
Таким образом, разработанный метод оценки противоизносных свойств смазочных материалов позволяет значительно сократить время испытаний и повысить точность метода до 5 — 6 % в то время как для ЧШМ составляет 10 % и выше.
Библиографический список
1. Заславский, Ю. С. Трибология смазочных материалов / Ю. С. Заславский. — М. : Химия, 1991. — 300 с.
2. О противоизностных и противозадирных свойствах литиевых смазок / В. В. Вайншток [и др.] // Химия и технология топлив и масел. — 1975. — № 3. — С. 36 — 38.
3. Умаров, И. К. Влияние состава и свойств пластичных смазок на износ поверхностей трения в условиях повышенной
запыленности : дис. ... канд. техн. наук / И. К. Умаров. — М., 1985. - 199 с.
4. Черножуков, Н. К. Улучшение смазочной способности литиевых смазок введением добавок : дис. ... канд. техн. наук / Н. К. Черножуков. — М., 1977. — 162 с.
5. Калоша, В. К. Математическая обработка результатов эксперимента / В. К. Калоша, С. И. Лобко, Г. С. Чикова. — Минск : Высшая школа, 1982. — 103 с.
6. Вайншток, В. В. Улучшение смазочной способности пластичных смазок / В. В. Вайншток, А. А. Гуреев, И. Г. Фукс // Химия и технология топлив и масел. — 1980. — № 7. — С. 39 — 43.
СЕЛИЩЕВ Алексей Михайлович, преподаватель кафедры «Ремонт бронетанковой и автомобильной техники» Омского филиала Военной академии материально-технического обеспечения (ОФ ВАМТО). ПЕТУНИН Павел Владимирович, преподаватель кафедры «Эксплуатация бронетанковой и автомобильной техники» ОФ ВАМТО.
ГОЛОЩАПОВ Георгий Алексеевич, соискатель по кафедре «Конструкционные материалы и спецтех-нологии» Сибирской государственной автомобильнодорожной академии.
КОСТИН Константин Владимирович, кандидат технических наук, профессор Академии военных наук, старший преподаватель Учебного военного центра при Омском государственном техническом университете (ОмГТУ).
КУДРЯВЦЕВ Игорь Александрович, заместитель начальника — начальник учебной части Учебного военного центра при ОмГТУ.
ГРЫМЗИН Константин Анатольевич, начальник УВЦ при ОмГТУ.
Адрес для переписки: kvkostin@mail.ru
Статья поступила в редакцию 22.01.2013 г.
© А. М. Селищев, И. В. Петунин, Г. А. Голощапов,
К. В. Костин, И. А. Кудрявцев, К. А. Грымзин
ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК № 2 (120) 2013 МАШИНОСТРОЕНИЕ И МАШИНОВЕДЕНИЕ
