CC BY-NC
8
Б01: 10.24937/2542-2324-2021-1-8-1-322-324 УДК 620.178-34
А.В. Тикалов1, Л.В. Ефремов2, С.Г. Чулкин3
1 АО «Компрессор», Санкт-Петербург
2 ФГБУН ИПМАШ РАН, Санкт-Петербург
3 СПбГМТУ, ФГБУН ИПМАШ РАН, Санкт-Петербург
СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ МЕТОДИКИ ТЕСТИРОВАНИЯ ИЗНОСОСТОЙКОСТИ ПАР ТРЕНИЯ С ПЕРЕМЕННЫМ УДЕЛЬНЫМ ДАВЛЕНИЕМ
Статья посвящена совершенствованию метода тестирования износостойкости пар трения «Ь1оск-оп-п^». Доказываются упрощённые формулы оценки линейной и объемной износостойкости на основе разложения в ряд Тейлора геометрических функций. Особое внимание уделяется обоснованию линейного износа исходя из равноценности результатов при расчете объемного износа. Доказана зависимость объемной износостойкости от линейной через удельное давление. В качестве апробации предложенной методики были проведены натурные испытания ряда материалов различной твердости с определением относительной износостойкости как линейной, так и объемной, в результате чего была обоснована эффективность и преимущества предложенного метода.
Ключевые слова: «Ь1оск-оп-п^», износостойкость, износ, хорда, пара трения, образец, удельное давление. Авторы заявляют об отсутствии возможных конфликтов интересов.
DOI: 10.24937/2542-2324-2020-1-S-I-322-324 UDC 620.178-34
A.V. Tikalov1, L.V. Efremov2, S.G. Chulkin3
1 JSC "Compressor", St. Petersburg
2 Institute of Problems of Mechanical Engineering, Russian Academy of Sciences, St. Petersburg
3 St. Petersburg State Marine Technical University, St. Petersburg
IMPROVEMENT OF THE METHOD FOR TESTING THE WEAR RESISTANCE OF FRICTION PAIRS WITH VARIABLE SPECIFIC PRESSURE
The article is devoted to improving the method of testing the wear resistance of "block-on-ring" friction pairs. Simplified formulas for estimating linear and volumetric wear resistance based on decomposition into a Taylor series of geometric functions are proved. Particular attention is paid to the justification of linear wear based on the equivalence of the results in the calculation of volume wear. The dependence of volumetric wear resistance on linear resistance through specific pressure is proved. As a test of the proposed procedure, field tests of a number of materials of different hardness were carried out to determine the relative wear resistance of both linear and volumetric, as a result of which the effectiveness and advantages of the proposed method were justified.
Key words: "block-on-ring", wear resistance, wear, chord, friction pair, sample, specific pressure. Authors declare lack of the possible conflicts of interests.
Статья посвящена совершенствованию методики тестирования износостойкости пар трения в широком диапазоне твердости путем врезания ролика в плоскую поверхность исследуемого материала (образца), в результате чего на поверх-
ности трения образца образуется сегмент, основным расчетным параметром которого является длина хорды L.
В основу методики положен метод «Ь1оск-оп-п^» по международному стандарту А8ТМ в77,
Для цитирования: Тикалов А.В., Ефремов Л.В., Чулкин С.Г. Совершенствование методики тестирования износостойкости пар трения с переменным удельным давлением. Труды Крыловского государственного научного центра. 2021; Специальный выпуск 1: 322-324.
For citations: Tikalov A.V., Efremov L.V., Chulkin S.G. Improvement of the method for testing the wear resistance of friction pairs with variable specific pressure. Transactions of the Krylov State Research Centre. 2021; Special Edition 1: 322-324 (in Russian).
A.V. Tikalov, L.V. Efremov, S.G. Chulkin Improvement of the method for testing the wear resistance of friction pairs with variable specific pressure
который является частным случаем метода искусственных баз.
В результате фрикционного взаимодействия пары трения «вал-брусок» в образце образуется сегмент с хордой на поверхности Ь (рис. 1).
В результате расчета и применения теории рядов в редакторе МаШСАБ были получены упрощенные формулы расчета объема продуктов износа У(Ь) (1) и линейного износа к(Ь) (2) в зависимости от длины хорды Ь.
V (L) —
r arcsm
Hr
' L3 L5 -+-3
12r 160r
- +...
Hr » Hr
12r
h( L) =
HL
V(L) ____
LHr 12r(LHr) 12r '
где г — радиус вала; Нг — ширина бруска.
Линейная износостойкость 8Ь рассчитывалась как отношение пути трения $ к линейному износу к(Ь)\
£ т —-
2nrnt
h(L) h(L) где n - частота вращения вала.
Рис. 1. Схема образования хорды на поверхности трения (а) и на реальных образцах различной твердости (б)
Объемная износостойкость гм; рассчитывалась как отношение работы трения А^- к объему продуктов износа У(Ь)\
A
£W — '
f
V ( Ь )
Отсюда следует основная новизна совершенствования метода «Ыоск-оп-п^», которая заключается в упрощении оценки объемной износостойкости с помощью более простой функции линейной износостойкости 8Ь с учетом удельного давления Р(Ь):
£W =-^-= ——-= P (L )£l,
W V (L) HrL /12r HrLh( L) WL
где F - нагрузка (задается на машине трения).
FS
FS
Таблица 1. Результаты тестирования износостойкости материалов в широком диапазоне твердости
№ a b L P £l £w £l0 £W0
образца - - мм Н/мм2 км/мм Н-м/мм - -
1 4,54 0,23 7,481 2,59 0,793 2056,381 0,119 0,041
2 5,70 0,19 8,791 2,27 0,605 1369,767 0,091 0,027
3 5,58 0,35 12,74 1,60 0,302 483,4689 0,045 0,010
4 6,85 0,36 15,63 1,27 0,191 243,893 0,029 0,005
5 6,30 0,28 12,10 1,67 0,327 544,8155 0,049 0,011
6 4,62 0,43 12,57 1,61 0,305 490,1683 0,046 0,010
7 3,9 0,19 6,03 3,31 1,292 4276,39 0,193 0,085
8 2,56 0,20 4,104 4,93 2,863 14110,79 0,429 0,281
9 2,39 0,26 4,326 4,60 2,491 11457,17 0,373 0,228
10 2,38 0,24 4,113 4,84 2,755 13321,11 0,413 0,265
11 1,46 0,26 2,532 7,53 6,676 50258,85 1,000 1,000
12 1,05 0,15 1,501 13,48 21,42 288870,5 3,209 5,748
13 0,67 0,22 1,114 17,88 37,6 673428,4 5,641 13,39
14 0,37 0,22 0,763 32,05 121,02 3878891 18,127 77,17
ФГУП «Крыловский государственный научный центр»
323
Рис. 2. Зависимость линейной износостойкости е^ исследуемых материалов от времени испытаний t:
а) изнашивание по абразивной шкурке Р600,
б) граничное трение со смазочным материалом МС-20 (цифры соответствуют нумерации образцов в табл. 1)
Отсюда следует новизна представленной методики, которая заключается в упрощении методики оценки объемной износостойкости через линейную еь посредством удельного давления Р(Ь). Функция линейной износостойкости еь отличается более простым и точным подходом в связи с высокой точностью измерения длины хорды L.
Для апробации предложенной методики были проведены испытания реальных материалов в широком диапазоне твердости. Сравнение износостойкости всех исследуемых материалов выполнялось при одинаковой наработке ^ = 10 мин. В результате испытаний для каждого из исследуемых материалов по результатам замеров времени t и длины хорды L удалось определить методом наименьших квадратов (в редакторе МаШСАБ) параметры а и Ь степенной функции:
L(t) = а^.
В заключение рассчитывается относительная износостойкость как линейная ем, так и объемная е^о в зависимости от износостойкости эталонного материала (е^ и еэр). Эталонный материал задается исходя из целей исследования.
Ч = еШ / еэШ }
Эффективность рассмотренных алгоритмов покажем на примере сравнительного тестирования ряда образцов (пар трения) на машине трения СМЦ-2 (таблица 1). Трение образцов № 1-4 осуществлялось по абразивной шкурке Р600 (абразив-
ное трение), образцов № 5-10 - по валу из стали 40 со смазочным материалом МС-20.
В таблице 1 представлены следующие материалы: 1 - сталь 20; 2, 6 - чугун СЧ30; 3, 10 - бронза БрАЖНМц 9-4-4-1; 4, 8, 9 - алюминий АМг5М; 5 -олово О1; 7 - композит; 11 - сталь 40Х; 12 - сталь конструкционная 08Х18Н10Т; 13 - ВК6; 14 - керамика Si3N4. Испытания проводилось как при абразивном изнашивании о мелкозернистую шлифовальную шкурку по ГОСТ 5009-82 типа Р600 ГОСТ Р 52381-2005, так и при трении образца со смазочным материалом МС-20.
В предложенном варианте метода «block-on-ring» особое внимание уделено функциям не только объемного, но и линейного износа. Доказана зависимость между объемной и линейной износостойкостью через удельное давление исследуемой пары трения. Эффективность разработанного метода подтверждается относительным тестированием износостойкости ряда реальных материалов в широком диапазоне их твердости. Разработанное программное и приборное обеспечение может найти широкое практическое применение. При этом постоянные параметры испытаний (эталонное время t0, нагрузка F, частота вращения n и др.) рекомендуется устанавливать с учётом цели исследований и условий эксплуатации.
Список использованной литературы
1. Standard Test Method for Ranking resistence of Materials to Sliding Wear Using Block-on-ring Wear Test, norm G77 - 05 (Reapproved 2010), ASTM International, United States.
2. Kim N.H. et al. Finite element analysis and experiments of metal/metal wear in oscillatory contacts // Wear. 2005. Т. 258. № 11-12. P. 1787-1793.
3. Методы испытания на изнашивание: труды совещания, состоявшегося 7-10 декабря 1960 / Под ред. М.М. Хрущова. М.: Академия наук СССР, 1962.
4. Гинзбург Б.М., Точильников Д.Г. Влияние фуллерен-содержащих добавок к фторопластам на их несущую способность при трении // Журнал технической физики. 2001. Т. 71. №. 2. С. 120-124.
5. ХрущовМ.М. и Беркович Е.С. Определение износа деталей машин методом искусственных баз. М.: Академия наук, 1959. 217 с.
6. Хрущов М.М. Трение, износ и микротвердость материалов: Избранные работы (к 120-летию со дня рождения) / Отв. ред. И.Г. Горячева; 512 с.
Поступила / Received: 15.11.21 Принята в печать / Accepted: 08.12.21 © Тикалов А.В., Ефремов Л.В., Чулкин С.Г., 2021
