CC BY
10
УДК 621.891
В. I. Кубiч, Л. Й. вщенко
ДО ПИТАНЬ Ф1ЗИЧНОГО МОДЕЛЮВАННЯ РОБОТИ
ТРИБОЗ' еДНАННЯ «ШИЙКА-ПОКРИТТЯ-ВКЛАДИШ»
Розглянуто можлuвостi обладнання для випробування на тертя та зношування, запро-поновано тдходи для фiзичного моделювання роботи трибоз 'еднання «шийка-покриття-вкладиш» для визначення закономiрностей змти властивостей поверхневого шару матер— алiв пар тертя при дп факторiв впливу за умов складного навантаження та руху, що найбыьш повно буде вiдповiдати реальним умовам експлуатаци.
Актуальтсть
В даний час е ряд проблем у вивчент ф1зико-х1м1чних процес1в в покриттях, в перехщних шарах 1 основному матер1ал1 елеменпв трибоз'еднань, визначених умовами роботи трибосистем об'екпв дослвдження, що важко реашзувати в пропоно-ваних методиках 1 можливостями гснуючого обладнання. Це зв'язано, перш за все, з ф1зичним моделюванням процесгв на стади експерименту: використовуванi зразки матер1ал1в, умови !х взаемоди не повною м1рою ввдповвдають швидк1с-ним, навантажувальним, температурним режимам роботи трибоз'еднань в реальних умовах [1-6].
Ф1зичне моделювання контактно! взаемоди елеменпв трибоз'еднання «шийка-покриття-вкладиш» двигуна внутр1шнього згоряння е клю-човою ланкою в отриманн б1льш троплнппих результапв випробувань, що проводяться в лабо-раторних умовах, а також основою для подаль-шого прогнозування характеру змши його три-ботехнчних характеристик, структурних пара-метр1в в реальних умовах експлуатаци.
Анал1з геометричних характеристик даного трибоз'еднання показав, що для об'ективно! оцн-ки зносостшкосп поверхонь вщповщно до пара-метр1в вим1рювань, як отримуються в результат! лабораторних випробувань, недоц1льно знех-тувати осьовим зсувом, вертикальними 1 гори-зонтальними перемгщеннями шийки, а також тангенщальними 1 рад1альними силами в зон деформаций [4].
Для дослвдження трибохехн1чних характеристик з'еднань такого роду пропонуеться викори-стовувати так схеми тертя як «ролик-колодка», «вал-втулка», а також р1зт методики випробувань де вар1юються швидкiснi 1 навантажувальт режими взаемоди поверхонь зразыв [2]. Проте однозначних рекомендац1й як до схем тертя, так 1 створюваних при цьому к1нематики 1 динам1ки навантаження елеменпв трибоз'еднання «ший-ка-покриття-вкладиш» немае.
В1дпов1дно до приведеного викликають особ-ливий 1нтерес наступн1 питания. По-перше — на© В. I. Ку^ч, Л. Й. 1вщенко, 2009
ск1льки 1снуюче устаткування, зокрема, пристро! для випробування на тертя 1 зношування, дае мож-ливють визначати законом1рност1 змши властивостей матер1ал1в пар тертя приведеного типу при ди фактор1в впливу при складному навантажент та руху [4], що у бшьшому наближент буде вщпо-в1дати реальним експлуатацшним умовам роботи. По-друге — яку конструкщю та можливосп повинен мати пристрш для випробування на тертя трибоз'еднання «шийка-покриття-вкладиш», тобто, яким чином можливо виразити ф1зичну модель контактно! взаемоди елеменпв дослвджу-ваного трибоз'еднання.
Огляд публшацш I аналЬ можливостей кную-чого обладнання
Для визначення можливостей пристро!в для випробування на тертя 1 зношування пар тертя типу «вал-втулка», що в1дпов1дае з'еднанню «ший-ка-покриття-вкладиш» виконувався анашз патентно! 1 техтчно! шформаци [1, 2, 5-12] за наступ-ними визначальними ознаками:
а) наявтсть 1 фуикцiоиальнiсть:
— мехатзму приводу;
— вузла навантаження;
— вузла кршлення;
— витрювально! системи;
б) схема тертя: «вал-втулка»; «ролик (вал)-колодка; «колодка (вал)-колодка (вал)»;
в) тип змащення вузла: «рвдинне краплинне в1дкрите»; «рiдиние закрите»;
г) тип руху елеменпв схеми: обертальне; зво-ротно-обертальне ролика, колодка нерухома; обер-тальне ролика, коливання колодки у перпенди-кулярнш площит з амплтудою; обертальне колодки, окружне колодки на незначний кут; обертальне ролика, нерухоме втулки з покриттям; обертальне ролика, колодка нерухома;
д) тип навантаження: одном1рне; двом1рне; тримрне;
е) параметри вим1рювання: момент тертя; зношування; мжрозйомка поверхонь; ввдносне перемщення зразыв.
З1ставлення значень техиiчиих показниыв показало, що:
— для визначення триботехичних параметр1в матер1ашв, як випробуються на тертя та зношу-вання, застосовують стандартну схему тертя з од-номiрним поступовим навантаженням, або наван-таженням (фжсоване), яке пропонуеться вщпо-вщною методикою випробувань у кожному ок-ремому випадку, але не в повиш м1р1 враховуе навантаження, що вщбуваеться в реальних умо-вах, наприклад, його безперервна змша у деяких штервалах з подальшою стабМзащею вщносно визначено! величини;
— взаемне перемщення контактуючих повер-хонь, яке у тому чи шшому випадку моделюе процеси тертя реальних вузшв, мае обмежетстъ у напрямках руху, що не може сприяти отриман-ню реальних умов взаемоди деталей трибоз'ед-нань, особливо, якщо мова йде про визначення змш структурних параметр1в дослщжуваних зно-состшких покрить, якi можуть застосовуватись в них;
— середовище умов тертя, вщносно якого про-водяться випробування матер1ал1в, нi в якому рай не може вщповщати специф1чн1м умовам роботи дослiджуваиого трибоз'едиання та сприяти по-дальшому отримаиню б1льш iмовiрних резуль-татiв, якi не можуть бути обгрунтован контактною взаемодiею поверхонь у використовуваних пристроях.
Таким чином пристрш для випробування на тертя, що ф1зично моделюе роботу трибоз'едиан-ня «шийка-покриття-вкладиш» повинен мати:
а) схему тертя — типу «вал-втулка»;
б) тип руху — тшьки обертальний валу з вщносшм змщенням втулки у подовжньому на-прямку та коливальному перемщент 11 у пло-щин1, перпеидикулярнiй валу;
в) тип навантаження — двомiрие (трмшрне);
г) тип змащення вузла — рщинне закрите зi змiною тиску мастила в зонi тертя;
д) мехашзм приводу — з безступеневою змiною частоти обертання валу;
е) вузол навантаження — зi змшою напрям-ку ди сили;
ж) вузол кршлення зразкiв — з можливгстю вiдиосиого зсуву корпусу втулки вщносно валу;
1) параметри вимрювания: момеит тертя; зиос; мiкрозйомка поверхонь; вщносне перемiщення зразкiв.
Репрезентация фгзично! модел1 1 11 можливостей
Вщповщно до позиачених вимог до пристрою для випробування иа тертя пропонуються наступи техиiчиi рiшения, покладет в основу Ф1зич-но! модел роботи трибоз'едиания «шийка-по-криття-вкладиш».
В цшому модель взаемоди елеменйв трибоз'едиания будуеться иа базi стандартного облад-иання для випробування иа тертя i зиошування,
зокрема, пропонуеться використовувати машину тертя СМЦ-2, особливгстю конструкци яко! е наявтсть додаткових електричиих прилад]в, що дають можливгсть змшювати i рееструвати частоту обертання валу безперервио в межах 5001825 хв-1. До складу машини СМЦ-2 входить реестрацiя величиии моменту тертя, що виражаеть-ся в умовних одииицях. Стаидартний мехатзм иаваитаження, камера для випробування зразыв в рщинному середовищi, що входять в комплект машини, для Ф1зичного моделювания ие застосо-вуються, зважаючи иа иедоскоиалiсть 11 конструкци та иевiдповiдиостi позиаченим вимогам.
Безпосередиьо иа вал бабки нижиього зраз-ка машини тертя встановлюеться додатковий пристрш. Конструкщя, способи управлiиня еле-ментами конструкци такого пристрою i е в щлому фiзична модель роботи трибоз'еднання, рис. 1, а; б.
Пристрш складаеться з:
— шийки (валу), посаджено! на вихщний вал машини тертя;
— роз'емного i герметизованого корпусу з вкладишами, який посажено на шийку з ура-хуванням необхщного зазору;
— механiзмiв для задавания необхщних кше-матичних i динамiчних режимiв взаемоди шийки з вкладишами;
— мастильно! системи (мастильний бак, насос, клапани, крани, манометри), що забезпе-чуе як подачу масла пщ тиском в зону тертя шийки з вкладишами, так i управлшня режимами роботи елеменпв з'еднання (як варiаит). Для останнього може застосовуватись як електроме-ханiчний, так i пневматичний привщ
Принцип ди такого пристрою полягае в на-ступному.
Вал бабки нижиього зразка, що обертаеться, обертае зразок — шийку, встановлену в корпус з вкладишами, причому, шийка мае можливгсть змiщуватися вщносно вкладиш]в. Вкладишi не-рухомо закршлет в корпус^ до якого здшснюеть-ся пiдведення i вiдведення змащувального мате-рiалу. Корпус вкладштпв рухомо пов'язаний з корпусом машини. При цьому е можливгсть пе-ремщати його в подовжньому i поперечному напрямках. На корпус встановлюються механз-ми, що забезпечують режими кшематики i дина-мши роботи вузла «шийка-вкладишЬ. Принцип ди !х засновано на створент необхiдного навантаження на корпус мастильно! системи: точно вертикально, ]мпуючи при цьому радiальну силу Рг, з деяким зсувом вщ центру — тангенцiальну Рт, при цьому iснуе можливгсть забезпечити змщення самого корпусу щодо шийки.
Такий пщхщ до моделювания роботи дослщ-жуваного вузла тертя дае можливгсть проводити вимiрювання моменту тертя М?:
1727-0219 Вестник двигателестроения № 1/2009
— 33 —
— не при фжсованих навантаженнях Р(Ру, P2, Р3, ..., Pj+i, Н) = const, а при квазгстатичному навантаженн P(P^P2, Р3-Р4, Pi - Pj+i ) * const, не виключаючи перших. Причому напрямок на-вантаження може вщповвдати як рад1альн1й сил1 в зон контакту Pr, так i тангенщальнш Pr;
— не при фжсованих частотах обертання приводу зразка-шийки n (n^ n2, П3, ..., ... n+i, мш-1) = const, а при квазгстатичному швидкiсному русi n (ni-n2, n3-n^, n-n+i) * const, не виключаючи перших;
— не при фжсованому тиску масла в зон тертя поверхонь p(pi, p2, Р3 .■■ Pi+i, кгс/см2) = const, а при квазгстатичному режимi змащування p(pi-p2, Р3-Р4, pj-pj+i) * const, не виключаючи перших;
— не у статичнй взаемоди втулки з валом при швидкюному i динамiчному режимах роботи S = 0, мм, а при !х рухомш взаемоди щодо осей ОХ, ОУ, OZ: Sx(Sxi, SX2 ... SXn+i); Sy(Syi, Sy2, ..., ...Syn+i); Sz(Szi, Sz2, ....... Szn+i), не виключаючи
першого стану.
Перераховат режими можуть розглядатися як варiант ФТзично! моделi взаемоди елементв дос-л1джуваного трибоз'еднання в реальних умовах роботи тако! трибосистеми, як двигун внутрш-нього згоряння.
На пiдставi чисельних значень моменту тертя, що рееструються в умовних одиницях, от-
риманих залежно вщ д1апазон1в кшематичних 1 динашчних параметр1в роботи вузла, вважаетъ-ся можливим побудувати граф1чш залежносп змши коефщента тертя, як за тимчасовим по-казником, так 1 за величиною пройденого шляху. Причому характер змши граф1чних залежно-стей буде з високою в1рогщтстю ввдображати суть процейв в локальних зонах контакту поверхонь елеменпв, вщповщно до реальних умов роботи.
За рахунок введення в елементи пристрою додаткових компоненпв: термопар, тензодат-чикв, представляеться можливим також спос-териати 1 фжсувати шш1 характеристики, на-приклад, температуру 1 напруги в зон локального контакту 1 поза и межами.
Не виршеним е питання про вим1рювання зносу поверхонь в процес1 лабораторних випро-бувань без демонтажу зразыв з пристрою, хоча 1 це можливо застосуванням тих же тензодатчиив.
Значення кшематичних параметр1в: вщност лшшт зсуви втулки; частота обертання валу; динатчт параметри: величина навантаження 1 и напрям; тиск мастила — повинт прийматися, виходячи з особливостей техтчних, геометрич-них характеристик з'еднання, динам1чного роз-рахунку, зовтшньо! швидктсно! характеристики для кожного конкретного двигуна.
Рис. 1. Схема пристрою для випробування трибоз'еднань типу «шийка-покриття-вкладиш»
а — вигляд спереду; б — вигляд збоку; i — мехатзм кiнематики i динамiки режимш роботи; 2 — опори рухомого крiплення механiзму до корпусу машини тертя; 3 — опора рухомого кршлення корпусу вкладишiв до корпусу машини тертя; 4 — корпус машини тертя; 5 — роз'емний корпус вкладишш; 6 — вкладиш; 7 — шийка; 8 — вал бабки нижнього зразка; 9, i6 — клапани масляних мапстралей механiзму; i0 — крани управлшня величиною тиску в магiстралях; ii — магiстралi подачi змащувального матерiалу; i2 — манометри; i3 — секцшний масляний насос; i4 — магiстралi зливу змащувального матерiалу; i5 — емнiсть; i7 — направлення дц радаально! Pr i тангенщально! Pt
сил навантаження
Висновки
Запропоноваш пщходи до Ф1зичного моделювания можуть дозволити отримати достов1ршшу картину процесш, що вiдбуваються в локальних зоиах контакту поверхонь при випробуванн з'едиань типу «шийка-покриття-вкладиш». Це стае можливим, оскшьки, застосувавши запропо-иованi техшчш ршення, зиачио розширюються дшпазони динамчиого, швидкюиого режимiв роботи вузла, що иайбшьш повио буде вщповщати реальним умовам експлуатаци тако! трибосисте-ми, як двигун внутршнього згоряиия.
Перелж посилань
1. Гаркуиов Д. Н. Триботехника / Д. Н. Гарку-иов. — М. : Машиностроение, 1985. — 424 с.
2. Методы испытаний иа трение и изиос : справ. изд. / [Л. И. Куксенова, В. Г. Лаптева, А. Г. Кол-маков, Л. М. Рыбакова]. — М. : Интермет Ин-жениринг, 2001. — 158 с.
3. Кубич В. И. К методике исследования избирательного переноса в трибосопряжении / В. И. Кубич, Л. И. Ивщенко // Нов1 матер]али i технолог^ в металурт та машинобудувант. — 2007. — № 2 . — С. 134-138.
4. Кубич В. И. Кинематика, динамика работы трибосопряжения «шейка-покрытие-вкладыш» и реализация в ием избирательного переноса / В. И. Кубич, Л. Й. Ивщенко // Вгсник дви-гунобудування. — 2008. — № 2 .— С. 27-32.
5. Рыбакова Л. М. Структура и износостойкость металла / Л. М. Рыбакова, Л. И. Куксеиова. — М. : Машиностроение, 1982. — 346 с.
6. Дроздов Ю. Н. Исследование триботехничес-ких свойств пар трения «стальной вал-многослойный подшипник» с различными покрытиями / Ю. Н. Дроздов // Вестник машиностроения. — 2005. — № 12. — С. 25-27.
7. Пат. 2289119 Российская Федерация, МКИ8 С0Ш 19/02, С0Ш 3/56 Устройство для испытания материалов иа трение / Г. М. Исма-илов, В. М. Мусалимов, Б. В. Соханев, М. А Сапожников, М. А. Лобачева, А. А. Никифоров ;
заявитель и патентообладатель ГОУВПО «ТШУ». - № 2005122107/28 ; заявл. 12.07.05 ; опубл. 10.12.06, Бюл. № 34.
8. Пат. 6333 Украхна, МКИ8 G01N 3/56 Пристрш для випробування матер1ал1в на тертя та зно-шування / Г. М. Баннов, Ю. В. Цмикал, О. В. Матвеев ; заявитель и патентообладатель ХДУ. - № 20040604228 ; заявл. 02.06.04 ; опубл. 16.05.05, Бюл. № 16.
9. Пат. 15243 УкраХна, МКИ8 G01N 3/56 Машина тертя для випробування матер1ал1в в умовах зворотно-обертального руху/ А. К. Скуратовский ; заявитель и патентообладатель НТУУ «Ктвський поттехтчний шститут». - № u200512820; заявл. 29.12.05; опубл.15.06.06, Бюл. № 21.
10. Пат. 12339 Украхна, МКИ8 G01N 3/56, G02B 21/00, H04N 7/22 Пристрш для постшного спостереження та документального вщео-фшьмування процесу тертя i зношування матер1ал1в на баз1 металограф1чного мгкро-скопа / В. В. Широков, Е. М. Рудковский, А. В. Широков, А. Л. Лутицкий ; заявитель и патентообладатель НАН Украши Ф1зико-мехашчний шститут 1м. Г. В. Карпенка. — № а200501422 ; заявл. 16.0205 ; опубл.15.02.06, Бюл. № 2.
11. Пат. KR20030024184 Корея, МКИ7 G01N 3/ 56 Multi—fUnctional friction and abrasion tester of rotary machine component / Kim Wan Du ; заявитель и патентообладатель Korea machinery & metal inst. — № ER20010057213 ; заявл. 17.09.01 ; опубл. 26.03.03.
12. Пат. CZ20060112 Германия, МКИ8 G01N 3/ 56 Method and device for testing adhesion property of sliding layers of sliding bearing bushes / Schofer Andre, Wittmann Robert, Bor Norbert , Wilhelm Mark ; заявитель и патентообладатель Federal Mogul Wiesbadtn GMBH. — № 200510009512 ; заявл. 24.02.05 ; опубл. 27.06.07.
Поступила в редакцию 05.11.2008
Рассмотрены возможности оборудования для испытания на трение и изнашивание, предложены подходы для физического моделирования работы трибосопряжения «шейка-покрытие-вкладыш» для определения закономерностей изменения свойств поверхностного слоя материалов пар трения под действием факторов влияния сложного нагружения и движения, что наиболее полно будет соответствовать реальным условиям эксплуатации.
The equipment capability to test friction and wear-out are discussed. Approaches are offered to physical simulation of the neck-coating-insert type tribological interface operation to determine the patterns of changing properties of superficial layers of friction pair materials influenced by intricate loading and motion, which perfectly corresponds to actual running conditions.
ISSN1727-0219 Вестник двигателестроения № 1/2009
— 35 —
