CC BY
17
Инженерно-технические науки Engineering-technical sciences
УДК 621.89
ПОВЫШЕНИЕ НАДЕЖНОСТИ РАБОТЫ СТАЛЬНЫХ УЗЛОВ ТРЕНИЯ
К.Г. Березин, В.П. Зарубин, Б.Р. Киселев, А.Е. Осипов
Ивановский государственный химико-технологический университет
В работе рассматривается задача повышения надежности работы стальных пар трения путем оптимизации сочетания твердостей исследуемых материалов. Техническое предложение решает определенные экономические вопросы современных технологий изготовления зубчатых передач.
Ключевые слова: сталь, твердость, контакт, трение, смазка, присадки, износостойкость, надежность.
Введение
Работоспособность и надежность деталей машин характеризуются высокими механическими характеристиками при условии совместимости применяемых материалов пары трения в определенной смазке. Поэтому с одной стороны совместимость материалов узлов трения рассматривается по выбору марок сталей (по составу) и термической обработке с заданной твердостью, прочностью, текучестью, вязкостью и др. механическими характеристиками. С другой стороны стальные материалы в процессе трения рассматриваются в совместимости с третьим телом - смазкой. В процессе трения в зависимости от нагрузки деформируется материал пары: происходит наклеп, и структура поверхности модифицируется. Более активно этот процесс происходит в присутствии смазочных материалов (СМ) с поверхностно-активными веществами (ПАВ), которые могут быть приняты по критерию задиросгойкости. Данная методика дала возможность научно обоснованного создания металлоплакирующего смазочного материала (МСМ) для стальной па-
ры: сталь 45 - сталь 40Х, которая имеет присадку в виде маслорастворимых солей металлов жирных предельных и не предельных кислот [1]. Известно, что задир трущихся поверхностей резко уменьшается при использовании хрома в стали. Уже при легировании стали 5% хрома, нагрузка за-диросгойкосги повышается в 2-3 раза по сравнению с нелегированной сталью (в зависимости от сорта смазки) [2]. Сочетание конструкционных материалов: сталь 45 -сталь 40Х широко применяется для изготовления зубчатых передач [3].
Постановка задачи Для зубчатых передач, отвечающих современным требованиям эксплуатации: тяжелые условия по нагрузке, высокие контактные температуры и скорости скольжения, необходимо определить наилучшую совместимость твердостей сопрягаемых стальных деталей с целью повышения надежности их работы.
Методика исследования Для исследования совместимости стальных материалов по твердости принята физическая модель, представляющая собой
«прямую» пару трения: диск (сталь 45) -вкладыш (сталь 40Х) и «обратную»: диск (сталь 40Х) - вкладыш (сталь 45). Трибологические эксперименты проводили на машине трения СМТ-1 с переменной нагрузкой. Критерием оптимизации исследуемой трибосистемы по совместимости в МСМ является коэффициент трения скольжения и износ материалов. Износ материалов определяли путем взвешивания деталей на аналитических весах, а затем определяли расчетным путем интенсивность изнашивания. Для оценки результатов исследований применяли методы математической статистики.
Результаты исследований и анализ
Исследованиями определены показатели коэффициентов трения скольжения при разных сочетаниях твердостей стальной «прямой» пары трения в зависимости от изменения нагрузки в контакте (рис. 1).
Наилучшие антифрикционные закономерности имеет пара трения: диск -сталь 45 с НЯС 56 и вкладыш - сталь 40Х с НЕ1С 43. При проектировании зубчатой
передачи рекомендуется принимать минимальную разницу твердостей между шестерней и колесом равную НВ1 - НВ2 = НВ (25-30) и может достигать эта разница до НВ 100 [4].
Отметим, что твердость исследуемой пары высокая и разница составляет НЯС 13 (НВ 150-155), что в 1,5 раза больше рекомендаций. В случае «обратной» пары (рис.2) лучшие антифрикционные закономерности у пары трения: диск - сталь 40Х (НЯС 17) и вкладыш -сталь 45 (НЯС 43), а также в паре с одинаковой твердостью НЯС 43. Для подтверждения правильности выбора разноименных стальных материалов получены экспериментальные данные пары трения одноименных материалов (рис.З).
Результаты исследования одноименной пары трения показывают значительно худшие результаты коэффициентов трения в зависимости от повышения нагрузки.
-НТО20,5 -НРС 17 ■ НТО20,5 - НР3343
-А— НИЗ48-НТ017 -Ж— НР3343 - НР3343 НР3356-НР3317 -Щ— нтобб - НР3343
Нагрузка, Р
Рис. 1. Закономерности изменения коэффициента трения от нагрузки в контакте пары трения: диск - сталь 45 и вкладыш - сталь 40Х при разных сочетаниях твердостей деталей физической модели
-НВ317- НВ317 -НВ317- НВ343 -НВ343- НВ317 - НВ343- НВ343 -НВ358- НВ317 -НВ358- НВ343
Нагрузка, Р
Рис. 2. Закономерности изменения коэффициента трения от нагрузки в контакте обратной пары трения: диск - сталь 40Х и вкладыш - сталь 45 при разных сочетаниях
твердостей деталей физической модели
0,1 0,09 0,08 | 0,07 & 0,06 | 0,05
■Ц °,04 £
0,03 0,02 0,01 0
0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1
Нагрузка, Р
Рис. 3. Закономерности коэффициентов трения в зависимости от нагрузки в одноименных парах трения (сталь 45) при разных сочетаниях твердости
Показания коэффициентов трения не всегда коррелируются с результатами износостойкости, поэтому лучшие антифрикционные пары исследовались на
интенсивность изнашивания ^ь). Результаты эксперимента интенсивности изнашивания пары: сталь 45(НЯС 56) - сталь 40Х(НЕ1С 43) в МСМ на пути трения
Ь = 50 км показывают в среднем для диска ^ = 0,00012 г/км, для вкладыша ^ = 0,0001 г/км, что является низкими величинами трибоконтакта. «Обратная» пара имеет интенсивность изнашивания в МСМ выше для диска в 12 раз и в 6 раз для вкладыша.
Вывод
Наилучшей совместимостью является трибосистема, работающая в металлоплакирующей смазке, где ведущим элементом пары трения является сталь 45(НЛС 56), а ведомым - сталь 40Х(НЯС 43). Принятое сочетание стальных материалов с установленными твердостями рекомендуется использовать для изготовления зубчатых передач работающих в тяжелых эксплуатационных условиях. Данное техническое предложение позволит повысить надежность и долговечность работы стальных узлов трения, что решает определенные экономические задачи современных технологий изготовления зубчатых передач.
*Работа выполнена при финансовой поддержке целевой программы “Развитие научного потенциала высшей школы (2011 год)” №2.1.2/4987, регистрационный номер 2.1.2/12772.
ЛИТЕРАТУРА
1) Березин К.Г., Годлевский В.А., Киселев Б.Р., Магницкий А.О. Построение безразмерного критерия для оценки антизадирных свойств по-верхностно-активных смазочных материалов // Современные наукоемкие технологии. Региональное приложение. №4 (24), 2010. С. 67-71.
2) Матвеевский P.M., Буяновский И.А., Лазовская О.В. Противозадирная стойкость смазочных сред при трении в режиме граничной смазки. М.: Наука, 1978, 192 с.
3) Хебда М., Чичинадзе А.В. Справочник по триботехнике: в Зт. Т.2: Смазочные материалы, техника смазки, опоры скольжения и качения. М.: Машиностроение. 1989. С. 338-363.
4) Чернавский С.А. и др. Проектирование механических передач. - 5 издание. - М.: Машиностроение, 1984. - 560 с.
Рукопись поступила в редакцию 30.06.2011.
STEEL FRICTIONAL UNITS WORK RELIABILITY INCREASING
K. Berezin, V. Zarubin, B. Kiselev, A. Osipov
In the article the problem of steel friction pairs work reliability increasing by force of observable materials hardness combination optimization is considered. The technical suggestion solves certain economic questions of gears production technologies.
Keywords: steel, hardness, contact, friction, lubrication, additive, endurance, reliability.
