Исследование модернизированных конструкционных смазочных материалов, содержащих мелкодисперсные частицы модификаторов трения Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

УДК 621.892

А.Д. Бреки, С.Г. Чулкин, Е.С. Васильева, О.В. Толочко, М.Ю. Максимов

ИССЛЕДОВАНИЕ МОДЕРНИЗИРОВАННЫХ СМАЗОЧНЫХ МАТЕРИАЛОВ С МЕЛКОДИСПЕРСНЫМИ ЧАСТИЦАМИ МОДИФИКАТОРОВ ТРЕНИЯ

Наряду с новыми нелегированными смазочными материалами широкое распространение на рынке получают смазочные композиции, содержащие присадки конкретного функционального назначения: кондиционеры металлов, реметал-лизанты (восстановители), металлы и бинарные сплавы, различные химические соединения [1, 4] и др.

Особое место среди присадок занимают так называемые "модификаторы трения" [2], состоящие из мелкодисперсных частиц различных веществ, возникших естественным образом либо полученных искусственным путем. Легирование любого смазочного материала »У (базовый смазочный материал) мелкодисперсными частицами модификатора трения р приводит к образованию смазочной композиции (5; />), определенным образом отличающейся по составу и основным три-бологическим характеристикам от исходного материала. В связи с этим возникает необходимость определения и аналитического сравнения трибо-логических характеристик базовых смазочныхма-териалов и полученных на их основе композиций.

Методика исследования

Определение основных трибологических характеристик базового смазочного материала »У и смазочных композиций, полученных посредством его легирования мелкодисперсными частицами модификаторов трения, осуществляется на четырехшариковой машине трения ЧШМ— 3,2 (рис. 1) в соответствии с ГОСТ 9490-75 в условиях трения скольжения.

Осевая нагрузка, прилагаемая к шарикам вдоль оси шпинделя, удовлетворяет нестрогим неравенствам 130 Н</><10000Н. Нагрузка реализуется дискретно, число ступеней — кси = 39. Частота вращения шпинделя в процессе испытания составляет ушп = 430 мин-1. Объем испытуемого смазочного материала, наполняющего емкость для нижних шариков, равен Усм = 6 см"\ Элементами исследуемой пары трения являются шарики подшипников (ГОСТ 3722), выполненные из материала Сталь ШХ15, диаметром с!ш = (12,70+0,01) мм.

Для исследования берется набор смазочных

композиций {СКЙ}, где а = 0, 1,2,..., ак, СК^ —

Цанга (фиксация верхнего шарикаК

Шарики (Сталь ШХ-15)

Емкость для нижних шариков

Направление прикладываемой нагрузки

W

Шпиндель

(подвижный элемент)

Направление вращения шпинделя

Сепаратор (фиксация нижних шариков)

Смазочный материал

Рис. 1. Схема основных элементов узла трения машины ЧШМ-3,2

базовое масло. Модификаторы трения в смазочных композициях могут отличаться по химическому составу, размеручасгиц(с1чЬ {¿> = 1,2,Ьк) — ряд размеров частиц) и (или) концентрации в базовом смазочном материале (счс {с = 1,2,..., ск) — ряд концентраций частиц).

Исследования осуществляются согласно алгоритму включающему определению следующего:

1) противозадирных свойств (по индексу задира И3) и предельной нагрузочной способности (по нагрузке сваривания Рс):

2) несущей способности (по критической нагрузке РК)\

3) противоизносных свойств (по показателю износа /)и).

Испытания на индекс задира исследуемых смазочных материалов проводятся в соответствии с ГОСТ 9490-75 [3].

Из ряда нагрузок I [Ра} (а = 1,2, ..., 23) выбирают набор смежных нагрузок - (1 <р < 23),

элементы которого перенумеровывают, располагая в порядке монотонного возрастания и получая набор (/ = 1,2,..., п). Длительность испытания при фиксированной нагрузке из набора составляет Дги =(10,0 + 0,2)с. С использованием микроскопа "Прима-эксперт" измеряют длину (СКЙ) и ширину А (СКЙ) У-го пятна износа (у = 1,2,..., 6) при 1-й нагрузке, образованного

в процессе испытания смазочного материала СКЙ (рис. 2).

Диаметр У-го пятна износа для композиции СКЙ при /-й нагрузке определяется как среднее арифметическое:

Исходная поверхность

du(CKa) = ^— а а

(1)

2

Средний диаметр пятен износа при этом равен

di(CKa)=Wdu(CKa).

J=

(2)

Согласно ГОСТ 9490-75 ряду нагрузок /поставлен во взаимно однозначное соответствие ряд

значений предельного износа: йара=с1га +0,15 мм. Таким образом, для выбранного набора нагрузок

Рис. 2. Внешний вид пятна износа шарика после испытания на ЧШМ—3,2

й?пр/ =ёГ1 +0,15 мм, (3)

где йг{, мм — диаметр зоны упругой деформации шариков по Герцу при нагрузке Р1, Н (кГс).

Условная нагрузка, соответствующая осевой нагрузке Р1 при испытании смазочного материала СКЙ, находится из соотношения

0(СК а) = Р—^—. (4)

^ а Ч(скй)

Индекс задира вычисляется по формуле

!а(скй)

И3(СКЙ) = -

5-1

(5)

где 5 — порядковый номер нагрузки, при которой происходит процесс сваривания шариков; (s -1) — номер предшествующей нагрузки.

Для систематизации исходных и экспериментальных данных (при определении противозадирных свойств и предельной нагрузочной способности) используется табл. 1.

Критическая нагрузка />к(СКй) определяется посредством выбора, основанного на комплексе условий:

/>, = Рк<СКа)«

[¿;.(СКй)<4,+0,15мм, ^{¿/+1(СКй)-^.(СКй)>0,1мм.

Данные для выбора и значение />к(СКй) заносятся в табл. 2.

Испытания для определения показателя износа Вп, мм осуществляются при осевой нагрузке Р= 20 кГс = const для пластичных смазочных материалов и при нагрузке Р — 40 кГс = const

Таблица 1

Определение индекса задира и нагрузки сваривания для композиции СКЯ (а = 0, 1, 2, ..., ак)

Номер опыта P., H (кГс) d,j (СК,), мм (/'= 1.....6) i/f(CK,), мм dupi, мм P.d-, H-mm i y' O.CCK ), H

1 2 Л Р2 d] v ..., d] b d2],..., d2b dx d2 d , npl dlipi Pd Pd 1 2 r2 <2,

s — 1 Ps ,(ск„) d d "S 1,1 ' "S 1,6 d "S ] d "lipS ] P d 1 S ] rS ] Qsl

s /УСК) Процесс сваривания

Индекс задира И3(СК)

Таблица 2

Значение Рк(СК„) и исходные данные для ее определения

Номер опыта Р„ кГс d,j (СК,), мм С/= 1.....6) di (СК,), мм ^СК„), кГс

/ / + 1 Р. } 1 4,. 4 ,,,>•••> < 4., Р.

в случае жидких смазочных материалов. Длительность испытаний на износ составляет 9 п = (60,0+0,5) минут при указанных нагрузках. Количество проводимых испытаний в границах

данной методики кпсп = 2,у = 1, 2.....6. Диаметр

У-го пятна износа для композиции СКЙ определяется по формуле (1). Показатель износа /)И(СКП) вычисляется аналогично выражению (2):

А(ска)Л^(ска).

Для систематизации исходных и экспериментальных данных (при определении противо-износных свойств) используют определенного вида таблицу (табл. 3).

Таблица 3

Значение /)И(СКЯ) и исходные данные для его определения

Номер опыта d. (СК,), мм (/ = 1,"..., 6) А,(СК ), ММ

1 d,, î/„î/,

А,

2 4.4

На основании данных таблиц 1, 2 и 3 в ограниченной конечной области первого квадранта прямоугольной декартовой системы координат строят экспериментальные графики и точки.

Проведение исследования

Для исследования был принят набор из шести смазочных композиций (ак = 6) — 1) базовый смазочный материал CKq: МС-20; 2) СК,: МС—20; С(1 %; 0,6 мкм);1 3) СК2,: МС-20; С(1 %; 1-3 мкм); 4) СК3: МС-20, С(1 %; 10 мкм); 5) композиция с дисульфидом вольфрама СК4: МС-20, WS2(1 %; 40 нм); 6) композиция с диселенидом вольфрама СК5: МС-20; WSe2(l %; 60x5 нм).

Из ряда нагрузок / выбрали следующий набор, расположив его элементы в монотонно возрастающей последовательности:

'С — сокращение названия природной горной породы "серпентинит", используемой в качестве порошкообразной присадки к смазочным материалам. В скобках указана концентрация присадки в смазочном материале и средний размер ее мелкодисперсных частиц.

= {20; 25; 32; 40; 50; 63; 79; 100;...; />_,;/> = РС}.

Определение основных трибологических свойств осуществили согласно алгоритму зафиксированному в методике.

Графики зависимости среднего диаметра пятна износа й от осевой нагрузки Рдля различных СК и другие результаты экспериментов приведены на рис. 3.

На основании полученных результатов три-ботехнических испытаний, систематизированных описанным выше образом, составлены уравнения зависимости среднего диаметра пятна износа от осевой нагрузки для испытуемых смазочных материалов:

1) для базового масла СК^

[0,0048,Р+ 0,11 при Ре[20;79 [0,107Р-7,98 при Ре(79;100;

2) для смазочной композиции СК|

d0(P) =

(8)

d{{P) =

0,0042т5+ 0,115 при Ре[20;79] 0,099т5-7,37 при Ре (79; 100], 0,075Р-4,87 при Ре(100;112]

(9)

d,{P) =

3) для смазочной композиции СК2

0,0042/40,115 при Ре[20;79], 0,1066Р-8,016 при Ре(79;100] 0,0625Р-3,6 при Ре(100;112];

4) для смазочной композиции С К,

0,0042Р + 0,115 при Ре[20;79]. 0,0845Р-6,26 при Ре(79; 112]:

5) для смазочной композиции СК4

d¿ñ =

d¿P) =

0,0042Р + 0,115 при Ре[20;79] 0,0448Р-3,14 при Ре(79; 100] 0,055Р-4,16 при Ре(100;126]:

6) для смазочной композиции СК«;

d5(P) =

0,0042Р + 0,115 при Ре[20;79], 0,0105Р-0,408 при Ре(79; 100], 355 043

4,192- ^ при Ре(100;141]. 0,0113Р + 0,07 при Ре(141;200].

(Ю)

(Н)

(12)

(13)

£/, МКМ

Рс= 112кГс(МС-20)

Р = 226 кГс (Sc-W-Sc)

О 20

И, (С(10 МКМ)) = 33,32 кгс И. (С(0.6 МКМ)) = 33,77 кгс И. (С( 1-3 мкм)) = 33,8 кгс И.(Sc-W-Sc) = 36,77 кгс И. (МС-20) = 36,84 кгс И (Sc-W-Sc) = 44,237 кгс

ДкГс

— />k(S c-W-Sc) = />к(МС-20) =/>к(Ссрп-т) =/>k(S-W-S) =79 кгс

Рис. 3. Систематизация результатов триботехнических испытаний СК:

1 - Se-W-Se (Du = 0,89 мм); 2 - МС-20 (Du = 0,86 мм); 3 - С (1-3 мкм) (Du = 0,83 мм). 4 - С (10 мкм) (Du = 0,77 мм); J - С (0,6 мкм) (Du = 0,70 мм); 6 - S-W-S (Du = 0,61 мм)

Из приведенных графиков и уравнений видно, что на отрезке Р е [20; 79] при испытании всех смазочных материалов получены равные и близкие по размерам пятна износа. На интервале Р е (79; 100] выполнено сравнение пятен износа после испытания СК и базового масла с использованием формулы

Бп{Р) = ^Р)~а^Р)Ж% (л = 1,2,...,5). (14) МР)

На основании этого сравнения выявлено, что исследованные смазочные композиции уменьшают пятно износа при нагрузках Ре(79; 100] в разной степени, а именно:

Смазочная композиция

СК,

СК,

СК.

ск4

СК,

Диапазон уменьшения пятна износа, % = 8-14 (в среднем 11) 5, = 3-14 (в среднем 8) 5, = 12—21 (в среднем 16) 54= 16-50 5,= 12-76

За границами полуинтервала Ре(79; 100] функция (8) не определена, поэтому сравнение по (14) не реализуется.

Располагая полученные значения "индекса задира" в порядке возрастания (в виде последовательности), получаем

{И3(С(10 мкм); И3(С(0,6мкм);

И3(С(1-Змкм); И3(\¥82);

И3(МС-20);И3(\¥8е2)} = = {35,32; 35,77; 35,8;36,77; 36,845; 44,237}, кГс

Элементы правой части равенства равны соответствующим (по номерам) элементам левой его части. Лучшие противозадирные свойства смазочных композиций с дихалькогенидами подтверждаются также визуальными исследованиями (рис. 4).

Фотографии изношенных участков поверхностей верхних шариков сделаны после испытаний при нагрузках, предшествующих процессу сваривания пирамиды из четырех шариков.

При сравнений нагрузок сваривания для СК с нагрузкой сваривания для МС-20 выявлено, что смазочные композиции увеличивают нагрузку сваривания относительно базового масла следующим образом.

Значения критической нагрузки для всех исследуемых смазочных материалов оказались одинаковыми:

Рк (МС-20) = Рк (серпентинит) =

= РК(Ш2) = Рк(Ше2) = 79 кГс.

Располагая значения показателя износа в порядке убывания, имеем

{¿)н(\¥8е2); Яи(МС-20);Яи(С(1-Змкм));

Аи( С(10 мкм)); АИ(С(0,6 мкм)); Аи(\¥82)} =

= {0,89; 0,86; 0,83; 0,77; 0,70; 0,61} мм. элементы правой части равенства равны соответствующим (по номерам) элементам левой его части.

Проведенные исследования показали следующее.

Смазочные композиции с серпентинитом уменьшают пятно износа при кратковременных испытаниях на 8—16 %; СК с дисульфидом вольфрама — в среднем на 33 %; СК с диселенидом вольфрама — в среднем на 44 %.

Рис. 4. Результаты визуальных исследований: а - МС-20 + Серпентинит, Р= 112 кГс; 6— МС-20 + \УБ2, Р= 126 кГс;

в - МС-20 + \¥5е2, Р = 200 кГс

Смазочные композиции СКИ СК2, СК,, СК4 имеют меньшие индексы задира, чем базовое масло. Индексы задира смазочных композиций с серпентинитом отличаются друг от друга незначительно. Индекс задира композиции СК5 на 16 % больше, чем у базового масла.

Полученные смазочные композиции имеют более высокую предельную нагрузочную способность, чем базовый смазочный материал.

Мелкодисперсные частицы исследуемых модификаторов трения не оказали существенного влияния на несущую способность масла.

Смазочные композиции с серпентинитом и композиция с дисульфидом вольфрама способствовали уменьшению пятна износа при часовых испытаниях относительно базового масла, а смазочная композиция с диселенидом вольфрама способствовала увеличению пятна износа на 3 %, т. е. несущественно.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Погодаев, Л.И. Повышение надежности три-босопряжений [Текст] / Л.И. Погодаев, В.Н. Кузьмин, П.П. Дудко; Академия транспорта Российской Федерации. — СПб., 2001. — 304 е.: ил.

2. Шимченко, П. Каменные ключи прогресса |Текст| / П. Шимченко, А. Фельдман; НТО КИ // Инициатива. - 1994. № 1. С. 16-18.

3. ГОСТ 9490—75. Материалы смазочные жидкие и пластичные. Метод определения триболо-

гических характеристик на четырехшариковои машине |Текст|. — М.: Изд-во стандартов, 1975. — 14 с.

4. Васильева, Е.С. Газофазный синтез дисперсных частиц дисульфида вольфрама и их применение [Текст] / Е.С. Васильева, М.Б. Игнатьев, Е.П. Ковалев, Д.В. Ли; Новгород, гос. университет // Вестник НГУ. Сер.: Физика и механика материалов. - 2009. № 50. - С. 7-10.

УДК621.452.3

Н.А.Шарова, А.А.Живушкин, Е.А.Тихомирова

ОЦЕНКА СОСТОЯНИЯ РАЗВИТИЯ И ПРИМЕНЯЕМОСТИ СОВРЕМЕННЫХ МАТЕРИАЛОВ ДЛЯ ДЕТАЛЕЙ ТУРБИНЫ ПЕРСПЕКТИВНОГО АВИАЦИОННОГО ДВИГАТЕЛЯ

Базовая конструкция авиационных двигателей (АД) в ближайшей перспективе, как предполагается, изменяться не будет; это касается и турбинной части. Тем не менее характеристики АД будут улучшаться благодаря совершенствованию методов проектирования, материалов и непрекращающемуся прогрессу в производственно-технологической области.

Жесткая конкуренция между авиадвигателе-строителями заставляет делать упор на снижение стоимости и времени производственного цикла, а параллельно — и на повышение качества.

Основные разработчики авиационных газотурбинных двигателей (АГТД) стремятся найти новые пути к снижению стоимости собственных разработок и параллельно улучшить характеристики двигателей. Эти цели достигаются совер-

шенствованием конструкции, материалов и оптимизацией производственного процесса. Сегодня новые двигатели разрабатываются с акцентом на минимизацию стоимости производства, например за счет уменьшения количества деталей. Это ставит новые задачи для материаловед-ческих и производственных технологий.

Создание качественно новых ГТД невозможно без повышения температуры газа перед турбиной. В малоразмерных двигателях это особенно затруднительно в связи с малыми размерами проточной части и, следовательно, лопаточного аппарата. Технологические сложности с охлаждением сопловых и рабочих лопаток заставляют конструкторов совместно с материаловедами и технологами искать новые пути изготовления этих деталей. Помимо традиционных жаропроч-