CC BY
14
Инженерно-технические науки Engineering-technical sciences
УДК 621.89
ПОСТРОЕНИЕ БЕЗРАЗМЕРНОГО КРИТЕРИЯ ДЛЯ ОЦЕНКИ АНТИЗАДИРНЫХ СВОЙСТВ ПОВЕРХНОСТНО-АКТИВНЫХ СМАЗОЧНЫХ МАТЕРИАЛОВ
К.Г. Березин, В.А. Годлевский, Б.Р. Киселев, А.О. Магницкий
Ивановский государственный химико-технологический университет
Принят критерий задиростойкости пары трения, который позволяет оценивать работоспособность различных масел и присадок. Это дает возможность научно обосновывать состав и применение смазывающих материалов, что является важным фактором в современных наукоемких трибологических технологиях.
Ключевые слова: контакт, нагрузка трение, задир, смазка, присадки, поверхностное натяжение, критерий задиростойкости.
1. Введение
Задир является весьма опасным явлением, существенно ограничивающим долговечность трибосопряжения. Особенно подвержены задиру сопряжения с точечным или линейным контактом (например, фрикционные, зубчатые или червячные передачи). Физическая сущность задира состоит в разрыве поверхностной смазочной пленки. Задир (вернее, совокупность условий, сопутствующих зади-
РУ) ----- формируется в зоне трения плохо
контролируемым образом. Чтобы предсказать наступление задира, нужно обладать информацией о таких параметрах как: контактные давление и температура, скорость скольжения, физико-механиче-ские свойства поверхностей трения, физико-химические свойства смазочного материала. Возможно использование и других характеристик трибосопряжения. Сложность исследования задира состоит в том, что экспериментально задиростойкость определяется путем нахождения предельной нагрузки задира. Этот параметр обычно плохо воспроизводим и сильно зависит от состояния поверхностей, что
требует искать новых подходов к анализу задиростойкости.
2. Методы подобия в моделировании технических объектов
Построение адекватного модельного описания столь сложного процесса, как задир, не просто. При этом возникают следующие вопросы: как спроектировать и построить модель, какие величины необходимо измерять при проведении опытов и как перенести результаты опытов, полученные на модели на натурный объект. На эти вопросы отвечает теория подобия, являющаяся основой современного физического эксперимента [1]. Одно из наиболее удачных определений понятия «физического подобия» принадлежит академику Л.И.Седову: «Подобными называются такие явления (процессы), когда по характеристикам одного из них можно получить характеристики другого простым пересчетом, аналогичным переходу от одной системы единиц к другой» [2]. В общем случае различают три вида подобия: геометрическое, кинематическое и динамическое.
Применительно к физическим явлениям элементарные представления геометрического подобия расширяются и распространяются на все величины, характеризующие данный процесс. Если учесть, что они могут изменяться как во времени, так и в пространстве, образуя поля, то возникает понятие о временном подобии и подобии полей, называемое кинематическим подобием. В механике жидкости оно сводится к подобию полей скоростей в потоках, движущихся в геометрически подобных каналах. И, наконец, имея в виду, что механическое движение происходит под действием сил, вводится понятие динамического подобия, которое требует, чтобы в соответствующих точках натуры и модели силы находились в постоянном соотношении. Отсюда можно ответить на вопрос о том, какие величины следует измерять в опытах и как переносить результаты на натурный объект.
Примером применения принципов подобия к анализу механических процессов может служить система моделей, созданная по этому принципу С.С. Силиным для описания процессов обработки металлов резанием [3]. Здесь, при построении критериальных моделей использовались параметры, связанные с механическими и теплофизическими свойствами обрабатываемого и инструментального материалов.
Так как при проведении опытов необходимо обеспечить равенство чисел подобия натуры и модели, ясно, что измерению подлежат лишь те величины, которые входят в эти числа. По результатам измерений можно вычислить значения критерия подобия модели и, исходя из равенства их числам подобия натуры, произвести пересчет. Остается открытым вопрос, который, по существу, является центральным: как найти числа подобия, характеризующие изучаемый процесс либо явление.
3. Построение критерия задиро-стойкости пары трения со смазочным материалом
Известны попытки применения критериев при расчете механических передач.
Так, например, для оценки задиростойко-сти червячных передач приметают критерий Г. Блока[4]:
К = рут, (1)
где р - контактное давление, Па; V - скорость относительного скольжения пары.
Основной недостаток критерия
(1) состоит в том, что он не является безразмерным, а значит, он не может быть использован при реализации физического моделирования по методу подобия.
Если речь идет о моделировании условий задира, то ясно, что критерий должен, во-первых, обязательно учитывать контактное давление пары трения и, во-вторых, — какой-либо параметр, характеризующий свойства смазочного материала. Исходя из этих предпосылок была предложена следующая структура критерия антизадирности
_м
где р — контактное давление; у — поверхностное натяжение смазочной среды; / — путь трения задира.
Проверка размерности выражения
(2) показывает, что оно является безразмерным. Предлагаемый критерий является, по сути, оценкой задиростойкости: чем больше величина критерия, тем большую задиростойкость имеет сопряжение. Оценочный анализ влияния факторов, входящих в уравнение (2), на вероятность возникновения задира показывает следующее:
1) Увеличение контактного давления р увеличивает значение критерия К„, а значит, и уменьшает вероятность задира.
2) Снижение поверхностного натяжения у, вызванного введением поверхностноактивной присадки, связано с увеличением адсорбции этой присадки, что ведет к увеличению критерия К„.
3) Чем длиннее путь трения задира /, тем менее вероятен задир, и тем больше величина Къъ
Таким образом, мы убеждаемся, что комбинация физических величин в предлагаемом безразмерном критерии не противоречит представлениям о физике процесса возникновения задира, и все входящие в него величины доступны непосредственному измерению в эксперименте.
На следующем этапе работы было необходимо убедиться в том, что предложенный критерий действительно работает в условиях реального трения в среде смазочных материалов, содержащих поверхностно-активные присадки, типа металлических мыл.
4. Эксперимент
Для нахождения величины предлагаемого нами критерия задиростойкости испытывали на машине трения пару трения по следующей методике. Приводили тела трения в соприкосновение и нагружали плавно, увеличивая нагрузку, до по-
Коэффициент поверхностного
явления в контакте ощутимых признаков задира. Скорость нагружения определяли в предварительных экспериментах и поддерживали постоянной в течение всех опытов.
В качестве смазочных сред были испытаны ряд минеральных (индустриальных) масел и трансмиссионных смазок. В качестве поверхностно-активных присадок использовались специально синтезированные металлические мыла, содержащие медь, олово, кобальт, никель, железо — и смеси этих мыл. (Природа металлической составляющей мыл в приведенных ниже таблицах представлена в виде обозначений соответствующих химических элементов).
Поверхностное натяжения масел и растворов присадок в масле находили сталагмометр ическим методом [5]. Данные эксперимента приведены в табл. 1.
Таблица 1
№ Вид смазки Плотность смазки, Л, г/см3 Средняя масса капли, тпср^ г Поверхностное натяжение, у, мН/м
1 И-40 0,88 0,0426 29,2
2 ИГП-114 0,89 0,044 30,6
3 гіс 0-5 0,9 0,445 30,9
4 ТАД-17 0,88 0,016 29,02
5 МС-20 0,89 0,0447 31,15
6 МС-20 +Си81 0,88 0,043 27,2
7 МС-20 + 8п81 0,887 0,0455 28,8
8 МС-20 + 14^ 0,882 0,0447 28,3
9 МС-20 +Со81 0,885 0,0444 28,1
10 МС-20 +Їе8і 0,882 0,047 29,7
11 МС-20 +Си81 +8п81 0,883 0,0452 28,6
12 МС-20 +Си81 +8п81 + 14^ +Со81 0,089 0,0454 28,7
Давление задира в стальной паре трения «подвижный диск - неподвижный диск» определялось на машине трения
СМТ-1 путем плавного нагружения три-боконтакта при скорости нагружения
і; = - =8,5Н/м р Ь
(3)
Ь — путь
где Р - величина нагружения трения нагружения.
Скорость скольжения составляла 1 м/с. Критические нагрузки и «путь тре-
ния до задира» фиксировались на трибо-грамме, рис.1, а площадь контакта при задире измеряли на микроскопе МБС-10. Результаты экспеперимента и расчетов сведены в табл. 2.
Рис.1. Пример трибограммы нагружения и задира стальной пары трения
Таблица 2
Па раметры задира пары сталь - сталь в с реде различных смазочных материалов
№ Смазочный материал Критич. нагрузка, І?,Н Площадь задира, Б, мм2 Путь задира, /, м Давление контакта задира, Р,МПа Коэф. задира, К,;
1 И-40 800 3,8 1,5 210 10,8
2 ИГП-114 1200 3,75 2 320 21
3 гюО-5 1350 4,0 2,15 337 23,4
4 ТАД-17 1300 4,4 1,47 295 14,9
5 МС-20 1250 5,75 1,8 217 12,5
6 МС-20 +Си81 1200 3,7 2,4 324 28,5
7 МС-20 + 8п81 1100 3,5 2,25 228 17,8
8 МС-20 + МБ1 1250 4,5 2,85 277 27,9
9 МС-20 +Со81 1050 4,85 3 216 23,1
10 МС-20 +Ре81 850 4 2,8 212 19,9
11 МС-20 +Си81 +8п81 1125 3,35 2,5 335 29,3
12 МС-20 +Си81 +8п81 + МБ1 +Со81 1300 3,5 2,6 371 33,6
По отношению к «базовому маслу» МС-20 наибольший эффект задиростой-кости наблюдается при использовании в смазочном материале стеаратов меди (СиБ^, никеля (МБ!). Необходимо заметить, что сочетание исследуемых присадок со стеаратами металлов повышает задиростойкость. Например, задиростойкость повышается в сравнении с маслом МС-20 в 2,3 раза, в сравнении с самым хорошим маслом ZicG5 в 1,25 раза, при сочетании стеаратов Си81+8п81+№81+Со81 повышается задиростойкость в 2,7 раза в первом сравнении, во втором - в 1,4 раза. Таким образом, проведенный эксперимент подтвердил, что критерий антизадирности позволяет сравнивать различные смазочные материалы по способности противостоять задиру при различных режимах трения (чем больше значение данного критерия конкретного смазочного материала, тем ниже вероятность задира пары трения, работающей с данной смазкой). Отметим, что все значения в контакте стальной пары меньше максимальной величины контактного напряжения этой пары определяемой по Герцу [о] = 450 МПа при нагрузке 1350 Н.
5. Заключение
Таким образом, введенный нами безразмерный коэффициент задиростой-кости позволяет оценивать по параметру опасности возникновения задира различные масла и присадки, что дает возможность научно обоснованного выбора присадок для заданных контактных условий. Для очерчивания границ условий применения предложенной методики необходимо выполнить дополнительные эксперименты.
ЛИТЕРАТУРА
1. Волков А.В., Годлевский В.А. Математические модели смазочных процессов в технических трибосистемах // Иваново, Изд-во «Ивановский государственный университет, 2010 г. - 140 с.
2. Седов Л.И. Методы подобия и размерностей в механике. — М.: Наука, 1972. — 440 с.
3. Силин С.С. Метод подобия при резании материалов. — М.: Машиностроение. 1979. — 86с.
4. Колчин Н.И. Зубчатые и червячные передачи. Некоторые вопросы кинематики, динамики, расчета и производства. Л.: Машиностроение. 1974. -с.430.
5. Адамсон А. Физическая химия поверхностей / Пер. с англ. И.Г. Абидора. Под ред. З.М. Зорина и В.М. Муллера. - М.: Мир, 1979. - 568 с.
Рукопись поступила в редакцию 24.11.2010.
CONSTRUCTION OF DIMENSIONLESS CRITERION FOR THE SURFACE-ACTIVE LUBRICANTS
ANTI-SCORE PROPERTIES EVALUATION
K. Berezin, V. Godlevsky, B. Kiselev, A. Magnitsky
The criterion of friction pair scoring resistance is accepted. The criterion allows to evaluate the functionality of various oil grades and additives. It enables to substantiate scientifically the composition and application of lubricants, that is an important factor in modem science intensive frictional technologies.
Keywords: contact, friction load, score, lubricant, additives, surface tension, scoring resistance criterion.
