CC BY
101
УДК 621.432; 620.178.162.43; 620.179.118.2
ИССЛЕДОВАНИЕ ИЗНОСА МАТЕРИАЛОВ ЭЛЕМЕНТОВ ТРИБОСОПРЯЖЕНИЯ «ПОРШЕНЬ - ЦИЛИНДР» ТЯЖЕЛОНАГРУЖЕННОГО ДИЗЕЛЯ
А.А. Дойкин
INVESTIGATION OF MATERIALS WEAR OF “PISTON - CYLINDER” TRIBOSYSTEM OF HEAVY LOADED DIESEL ENGINE
A.A. Doykin
Представлены методика и результаты экспериментальных исследований износа материалов трибосопряжения «поршень - цилиндр» дизельного двигателя. Предложена гипотеза, объясняющая причины изменения профилей поверхностей трения при гидродинамическом режиме.
Ключевые слова: трибосопряжение «поршень - цилиндр», износ поверхностей трения, параметры шероховатости поверхности.
The technique and results of experimental research of materials wear of “piston - cylinder” tribosystem of diesel engine are presented. The hypothesis which explain the reasons of profiles change of friction surfaces at hydrodynamic mode is presented in this paper.
Keywords: “piston - cylinder” tribosystem, friction surfaces wear, surface roughness parameters.
Введение. В настоящее время в целях повышения маслоемкости сопряжения «поршень -цилиндр» применяется хонингование гильзы цилиндра. При хонинговании на гильзе цилиндра образуется сетка рисок, в результате чего, как принято считать, происходит надежное удержание смазки на трущихся поверхностях деталей, быстрее происходит их приработка, уменьшается износ деталей и увеличивается срок службы двигателя.
Несмотря на тот факт, что в процессе эксплуатации двигателя в сопряжении «поршень - цилиндр» устанавливается гидродинамический режим трения, на поверхности гильзы и поршня образуются натиры в виде четких параллельных полос в направлении трения. При рассмотрении их в микроскоп видно, что они представляют собой канавки. Поверхность этих канавок имеет ровную мелкозернистую структуру, отсутствуют следы резания, задиров, растрескивания, пластических деформаций. Цель данной работы - выяснить причину их появления, а также определить линейную интегральную интенсивность изнашивания материалов пары трения «поршень - цилиндр» при смазывании различными маслами.
Методика проведения экспериментов. Эксперименты проводились на машине трения СМЦ-2. Узел трения (рис. 1) для проведения экспериментальных исследований содержит диск 1, изготовленный из материала гильзы (легированный чугун) диаметром 90 мм и шириной 20 мм, установленный на нижний вал машины трения. На этот же вал установлена бронзовая втулка токосъемника 8 с полукруглой канавкой для струны 6. Колодка 2 изготовлена из материала поршня (алюминиевый сплав АК-4), имеет размер рабочей поверхности в плане 5 х 10 мм и закреплена в державке 3, которая электрически изолирована от корпуса машины трения. Нагрузка на колодке задается с помощью рычага (на схеме не показан) и устройства нагружения машины трения. Масло подается в зону трения с помощью капельницы, которая настраивается на расход 1 капля за 4-5 секунд. Королек термопары 5 зажат между тыльной стороной колодки и державки, что обеспечивает надлежащий тепловой контакт спая и колодки.
Расчет и конструирование
Снижение напряжения постоянного тока на контакте «диск - колодка» измерялось с целью определения факта металлического контакта поверхности диска и колодки. Нагрузочное сопротивление, равное 11,6 Ом, исключает перегрузку источника постоянного тока при возникновении металлического контакта. Колодка подключена к положительному контакту источника питания, чтобы минимизировать перенос металла и влияние постоянного тока на реальные характеристики слоя масла. Кроме того, цепь замыкается на короткий промежуток времени в момент замера напряжения.
Рис. 1. Схема экспериментального узла трения:
1 - стальной диск; 2 - колодка; 3 - державка; 4 - капельница масла; 5 - термопара;
6 - струна токосъемника; 7 - вольтметр; 8 - токосъемник; 9 - выключатель
Момент трения измерялся датчиком момента машины трения и регистрировался на ленту самописца ПСР. Система измерений настроена на повышенную чувствительность.
Путь трения рассчитывался по известному числу оборотов, фиксируемому счетчиком оборотов вала машины трения. Исходя из предшествующего опыта авторов [1], путь трения, необходимый для достижения износа колодки, достаточного для измерения на имеющемся оборудовании, составляет 200 000 оборотов диска (56 000 м) и одинаков для всех экспериментов. Угловая скорость вращения диска поддерживалась постоянной и равной 104,6 с-1, что соответствует максимальной линейной скорости поршня, равной 4,71 м/с. Нагрузка сдавливания колодки и диска подбиралась таким образом, чтобы обеспечить постоянное номинальное давление Ра, соответствующее максимальным давлениям в сопряжении и равное 4,6 МПа. Температура колодки поддерживалась в ходе испытаний на уровне рабочей температуры сопряжения, равной 140 ± 10 °С, с помощью вентилятора и инфракрасного нагревателя. Радиальное биение рабочей поверхности диска не превышало 0,01 мм и обеспечивалось проточкой диска, установленного на валу машины трения, с последующей шлифовкой.
Профилограммы поверхностей образцов снимались с помощью профилографа-профило-метра АБРИС ПМ-7 в девяти точках по окружности диска и в одной точке колодки ввиду малости ее размеров. Параметры шероховатости гильзы и диска рассчитывались по известным методикам [2]. Начальная шероховатость диска (рис. 2) задавалась исходя из профилограммы (рис. 3), снятой с реальной гильзы цилиндра двигателя типа ЧН 13/15. Шероховатость наносилась по аналогии с гильзой, т. е. в перекрестных направлениях под углом 30-60°. Значения параметров шероховатости гильзы и диска до эксперимента (средние арифметические по трем экспериментам) приведены в табл. 1, из которой видно их качественное совпадение. После установки колодки и диска колодка притиралась к диску через шлифовальную шкурку М40 толщиной 0,15-0,16 мм, что обеспечивало радиальный установочный зазор, необходимый для подачи моторного масла в область трения.
Через каждые две тысячи оборотов диска фиксировалась температура колодки, момент трения и падение напряжения на масляном слое между колодкой и диском, для чего на короткое время подавалось напряжение постоянного тока. Результаты замеров вносились в протокол
испытаний. После испытаний полученные данные были обработаны и определен коэффициент трения и его среднеинтегральное значение /.
Масса колодки измерялась с точностью 5 • 10-5 граммов до и после проведения эксперимента. Линейная интегральная интенсивность изнашивания рассчитывалась по формуле:
Ч =-А-, (I)
р-А ■Ь
где Ат = т1 — т2 - изменение массы колодки в результате износа; р - плотность алюминиевого сплава АК-4; Аа - номинальная площадь контакта; Ь - путь трения.
Рис. 2. Профилограмма поверхности диска до эксперимента
Рис. 3. Профилограмма поверхности гильзы после хонингования: вертикальное увеличение = 2000; горизонтальное увеличение = 50; цена деления: по горизонтали - 0,001 мм, по вертикали - 0,04 мм
Таблица 1
Параметры шероховатости
Параметр Образец
Гильза Диск
Среднее арифметическое отклонение профиля Ка, мкм 1,З7 l,l6
Высота неровностей по десяти точкам Я2, мкм 9,75 7,l2
Наибольшая высота профиля Ктах, мкм l0,50 9,79
Среднее арифметическое значение шага микронеровностей Бт, мкм l0l,52 86,8З
Результаты экспериментов. Для испытаний выбраны три марки моторных масел из основных групп для дизельных двигателей тракторов и дорожно-строительной техники. Первая марка -М-10ДМ - из группы масел, изготавливаемых из сернистой нефти. Вторая - Shell Rimula ЮХ -из группы масел, содержащих присадки, устойчивые к термомеханическим воздействиям, главным образом алкилсалицилатные. Третья - Mobil Delvac XHP - из группы масел с пакетами диалкил-дитиофосфатных присадок [З].
Для изучения влияния начальной обработки поверхности диска на параметры шероховатости проведены эксперименты под номерами l и 2 (табл. 2) на моторном масле М-ЮДМ. Для изучения влияния свойств смазочного материала на параметры шероховатости были проведены эксперименты под номерами З и 4 на моторных маслах Shell Rimula Ю и Mobil Delvac XHP. В экспериментах № l, З и 4 шероховатость поверхности диска наносилась описанным выше образом, в экспе-
Расчет и конструирование
рименте № 2 поверхность диска полировалась. Результаты экспериментов приведены в табл. 2. Снятые после экспериментов профилограммы диска и колодки приведены к одному масштабу и совмещены на рис. 4-7.
Таблица 2
Результаты экспериментов
№ эксп. Марка масла Ih f Ra, мкм Rz, мкм Rmax, мкм S мкм
1 М-10ДМ 2,248 • 1010 0,071 1,29* 6,67 9,68 125,77
* * 8 ,5 2, 17,04 21,28 78,52
2 М-10ДМ 0,409 • 1010 0,136 0,22 2,16 4,10 39,44
2,91 19,36 25,46 83,92
3 Shell Rimula R3X 1,363 • 1010 0,108 0,93 6,69 9,09 65,46
3,67 17,84 24,75 168,47
4 Mobil Delvac XHP 3,788 • 1010 0,116 1,27 8,00 10,60 69,25
2,61 17,55 25,25 86,48
Примечания: * - значение параметра до эксперимента; ** - значение параметра после эксперимента.
Рис. 4. Профилограммы диска и колодки Рис. 5. Профилограммы диска и колодки
после эксперимента № 1 после эксперимента № 2
Рис. 6. Профилограммы диска и колодки Рис. 7. Профилограммы диска и колодки
после эксперимента № 3 после эксперимента № 4
Как видно из рис. 4-7, независимо от начальной шероховатости приработанные поверхности диска и колодки коплементарны. Под комплементарностью поверхностей мы понимаем тот факт, что напротив выступа на поверхности диска находится впадина на поверхности колодки, а напротив впадины - соответствующий выступ. Для объяснения этого явления предложена следующая гипотеза. При движении выступа вблизи противоположной поверхности жидкость растекается в стороны, в результате вблизи этого выступа резко ускоряются массообменные процессы между пленкой масла и другой поверхностью. Так как масло имеет вязкость, данное возмущение распространяется на небольшое расстояние и быстро затухает. Наибольшая скорость перемещения жидкости развивается вблизи выступа, что обеспечивает повышение скорости окислительного процесса. Это приводит к появлению впадин на противоположной поверхности.
Выводы. В результате экспериментов обнаружено, что параметры равновесной шероховатости (Да, Я2, Дтах, не зависят от их начальных значений, но зависят от применяемого моторного масла. Поскольку во всех опытах отсутствовал металлический контакт между колодкой и диском, наиболее вероятной причиной появления поперечной шероховатости диска и колодки являются
окислительные и кавитационные явления в масляной пленке. Таким образом, различие в параметрах шероховатости объясняется разными окислительными и реологическими свойствами испытанных масел, обусловленными, в частности, вводимыми в них присадками.
Представленная работа выполнена при поддержке Федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России на 2009-2013 годы» и Российского фонда фундаментальных исследований (проект 10-08-00424).
Литература
1. Лазарев, В.Е. Интенсивность изнашивания антифрикционного слоя подшипников ДВС в условиях граничного трения /В.Е. Лазарев, Н.А Усольцев // Тяжелое машиностроение. - 2010. -№ 9. - С. 18-22.
2. Справочник по триботехнике. В 3 т. Т. 1: Теоретические основы / под общ. ред. М. Хеб-ды, А.В. Чичинадзе. - М. : Машиностроение, 1989. - 400 с.
3. Влияние вязкостно-температурных свойств моторных масел на гидромеханические характеристики трибосопряжения поршень - цилиндр / Ю.В. Рождественский, К.В. Гаврилов, А.А. Дойкин, И.В. Мухортов //Двигателестроение. - 2010. - № 2. - С. 23-26.
Поступила в редакцию 3 февраля 2012 г.
Дойкин Алексей Алексеевич. Аспирант, инженер кафедры «Автомобильный транспорт и сервис автомобилей», Южно-Уральский государственный университет. Область научных интересов -гидродинамическая теория смазки, оптимизация трибосопряжения «поршень - цилиндр». Тел.: (351) 267-92-13; е-mail: [email protected]
Aleksey A. Doykin. The post-graduate student, the engineer of “Motor transport and service of cars” department, South Ural state university. The area of scientific interests - the hydrodynamical theory of greasing, optimization of “piston - cylinder” tribosystem. Tel.: (351) 267-92-13; е-mail: [email protected]
