CC BY
40
УДК 621.879.45.004 Ю. Е. Ежов
канд. техн. наук, доцент, СПГУВК;
Л. И. Погодаев,
д-р техн. наук, профессор, СПГУВК;
А. А. Кузьмин,
канд. техн. наук, профессор, СПГУВК
ВЛИЯНИЕ СОСТАВА СМАЗОЧНЫХ КОМПОЗИЦИЙ НА ТОПОГРАФИЮ ПОВЕРХНОСТЕЙ ТРЕНИЯ СОПРЯЖЕННЫХ ДЕТАЛЕЙ EFFECT OF THE LUBRICATING COMPOSITION FOR FRICTION SURFACE TOPOGRAPHY OF THE MATING PARTS
Приведены результаты анализа по выявлению влияния присадок различного функционального назначения к базовому моторному маслу Shell X100 на комплекс противоизносных свойств и триботехнических характеристик трибосопряжения СЧ-Сг гальванический, работающего в условиях граничной смазки по схеме ролик-ролик. Приводится подробный анализ влияния шероховатости поверхности трения на износ сопряженных деталей, температуру, коэффициент трения и другие характеристики трибосопряжения.
The following analysis results are given: impact detection of the various functional purpose additives to the base motor oil Shell X100 to the antiwear properties complex and tribo adjunction СЧ-Сг galvanic tribotechnical charactiristics working in the nonviscous lubrication conditions by the scheme insulator-insulator. The detailed analysis of influence of wear surface roughness to the wear of the conjugated details, temperature, wear coefficient and other characteristics of the triboconjugation is given.
Ключевые слова: структура, коэффициент трения, трибосопряжение, смазочные композиции, износостойкость.
Key words: structure, surface properties, wear coefficient, bearing area, wear resistance.
СМАЗОЧНЫЕ композиции (СК) состояли из базового минерального масла Shell X100 и 14 различных присадок. Содержание добавок в СК соответствовало рекомендациям фирм-изготовителей. Для сравнения испытали трибосопряжение при смазке синтетическим маслом Shell Herlix Ultra (табл. 1).
Пару трения составили из низколегированного (втулочного) серого чугуна (СЧ) НВ = = (215...225) Ч 10-1 МПа и плотного гальванического хромового покрытия с микротвердостью H50 = = 11 000 МПа. Испытания проводили на машине трения ИИ-5018 по схеме ролик-ролик. Подвижный ролик диаметром 50 мм и шириной 12 мм изготавливали из СЧ (Ra = 0,36 мкм), а неподвижный, аналогичных размеров, — из чугуна с гальваническим хромовым покрытием толщиной 400 мкм и исходной шероховатостью Ra = 0,54 мкм.
Шероховатость измеряли профилографом фирмы “Hommel”. Выбор пар трения был обусловлен тем, что в настоящее время трибосопряжение СЧ-Сг гальванический является достаточно распространенным в судовых, тепловозных и автотракторных двигателях при изготовлении втулок цилиндров и хромированных поршневых колец.
Температуру в зоне трения, на расстоянии 1,7.2,0 мм от поверхности трения, измеряли с помощью термопары и потенциометра КСП-4. Момент трения определялся штатным моментомером и трибометром. Нагрузку на трибосопряжение в основных опытах изменяли в пределах от 10 до 50 МПа. В период приработки образцов удельная нагрузка достигала 70 МПа.
Выпуск 2
^мВыпуск 2
I
Таблица 1
Название СК № CK на рис. Кг ксч T, °С К7 / j Тр Для ролика (СЧ) d чшмт (ГОСТ), мм/отн. ед FCI износ. d Л F = / d Сг изн Z71 отн Сг h , мм Л7 V Л к УЛ S 0, мм2
R , а/ мкм R , Z МКМ мм2 [227] ММ мм2 мм3 С ОТН
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 її 12 13 14 15 16 17
SHELL Х100 1 1 1 200 0,091 0,16 1,16 0,36/1,0 6,67 1,45 6,2 1,0 0,021 0,065 1 230/(0,65)
Shell HelixUltra 2 1,45 0,76 198 0,096 0,18 1,46 0,25 5,85 1,13 5,1 1,21 0,013 0,032 2,03 209/0,56
Унимет 3 0,92 0,98 202 0,084 0,13 1,15 — 6,89 1,45 7,25 0,86 0,022 0,077 0,84 221/0,60
СУРМ 4 1,26 0,57 210 0,094 0,16 1,25 0,26/1,38 5,54 1,45 5,85 1,06 0,022 0,062 1,05 202/0,55
ХАДО 5 0,87 1,53 195 0,088 0,14 1,21 0,73/0,49 6,89 1,53 6,91 0,90 0,024 0,80 0,81 236/0,64
AUTOPLUS 6 2,92 2,44 119 0,042 0,17 1,53 0,36/1,0 4,68 1,05 4,65 1,33 0,01 0,022 2,95 235/0,91
УНИПЛАК 7 1,84 1,67 215 0,80 0,22 1,70 0,39/0,92 5,29 1,21 5,46 1,13 0,015 0,040 1,63 289/0,78
Е3000 8 0,84 0,56 219 0,106 0,20 1,37 0,29/1,24 7,53 1,58 7,25 0,86 0,026 0,091 0,71 197/0,53
Lubrifilm Diamond 9 0,88 2,32 220 0,097 0,12 1,03 0,36/1,0 6,55 1,69 7,51 0,83 0,029 0,106 0,61 201/0,54
xer2 10 2,63 2,77 117 0,057 0,19 1,059 0,36/1,0 4,62 1,21 5,0 1,24 0,015 0,038 1,71 299/0,81
Xe ramie PM 11 0,54 1,95 233 0,105 0,11 0,90 0,42/0,86 8,34 1,69 7,78 0,80 0,029 0,109 0,60 165/0,45
ABRO 12 0,96 0,14 190 0,095 0,19 1,34 0,31/1,24 6,71 1,45 6,32 0,98 0,022 0,067 0,97 155/0,42
Mannol 13 0,92 0,14 218 0,096 0,17 1,53 0.28/0.38 1,29/0,95 6,93 1,60 7,54 0,82 0,026 0,095 0,68 210/0,57
PBX2 14 1,31 0,57 180 0,067 0,18 1,55 0,29/1,24 5,84 1,37 5,54 1,12 0,019 0,051 1,27 256/0,69
ER 15 0,49 0,86 164 0,058 0,17 1,46 0,30/1,2 6,55 1,60 7,02 0,88 0,026 0,088 0,74 226/0,61
ФЕНОМ 16 0,35 0,93 217 0,083 0,12 1,08 0,33/1,09 9,47 1,85 8,67 0,72 0,034 0,142 0,46 197/0,53
Для СК (№ 13) 0,28/0,38 — для СК с присадкой Маппо! в количестве 10 %/5 %; / — фактическая длина пятна износа, мм.
б
а
Рис. 1. а — зависимость ё= 3,63 V' 0 33 (I) после пятичасовых испытаний пары трения СЧ-Сг гальванический при смазке СК с добавками (табл. 1):
1 — ролик (СЧ), 2 — кольцо (Сг), 3 — износ (пл. К); б — соотношения между и кСг(1 — = 0,97/к^3) и между площадью пятна износа КСг
и относительной износостойкостью хромированных образцов (II — РСх = 6,1 / )
Сравнительные испытания проводились в течение 5 и 10 ч. По истечении каждого часа определяли весовой износ чугунного ролика и площадь пятна износа на хромированном образце. Смазку трибосопряжения осуществляли капельным способом (4-6 капель в минуту).
Рассмотрим достоинства и недостатки работоспособности трибосопряжений СЧ-Сг гальванический по результатам их испытаний по схеме ролик-ролик в присутствии 18 вариантов СК [1-5]. К достоинствам можно отнести сравнительную легкость реализации на трибоконтакте достаточно жестких силовых и температурных условий внешнего нагружения, а также сравнительно простой визуальный и инструментальный (измерительный) доступ к поверхностям трения, в том числе к изнашиваемой поверхности хромированного образца в виде сегмента, вырезанного из натурного поршневого кольца двигателя внутреннего сгорания (ДВС).
К недостаткам следует отнести следующие обстоятельства: неопределенность контактных давлений, уменьшающихся по мере увеличения пятна износа на хромированном образце; непрерывность трибоконтакта и его ограниченность по площади, что не соответствует условиям работы деталей ЦПГ ДВС (пары трения поршневое кольцо-цилиндровая втулка); возможные погрешности в оценке износостойкости трибосопряжений, связанные с измерением пятна износа лупой Бринелля, а также с возможными перекосами при периодической переустановке образцов (пятно износа может иметь форму прямоугольника и эллипса); нельзя произвести учет раздельного вклада упругой и пластической деформации в формообразование пятна износа. Упругое восстановление пятна контакта после снятия нагрузки, различное при разных СК, может существенно исказить истинную картину контактного взаимодействия образцов и привести к дополнительным погрешностям при оценке их износостойкости. Эти замечания в той или иной степени свойственны любым трибологическим испытаниям материалов и СК, проводимым по схеме ролик-ролик.
Повышение достоверности результатов возможно путем привлечения дополнительных методов исследований: микрорентгеноспектрального анализа, метода измерения микротвердости по глубине изнашиваемого слоя с учетом упругого восстановления отпечатка микротвердомера и т. п.
Схема испытаний трибосопряжения показана на рис. 1, а, из которой следуют упрощенные геометрические построения последовательного измерения увеличивающейся площади износа на боковой поверхности хромированного образца.
График зависимости диаметра лунки износа ёл от объемного износа V убедительно указывает на существование кубической зависимости между объемом V и основным линейным парамет-
Выпуск 2
Выпуск 2
ром d характеризующим износостойкость трибосопряжений при ширине образца b = const = 12 мм. Это — геометрическая зависимость, она имеет вид
(d, )г = соплах 0.6 4F, (1)
где: F — заштрихованная площадь износа на боковой поверхности хромированных образцов (рис.
1, а).
При ширине ролика b = 12 мм выражение (1) перепишем в виде
(¿„)г=2,6#ЛГ, (2)
Аналогичные зависимости, полученные при испытаниях образцов на машинах трения, имеют вид
feL, и (Fc,X„„ <3>
Из (2) и первой зависимости (3) вытекает соотношение
Won., =1.37(4, )г, (4)
а вторая зависимость (3) легко преобразуется в
(Ооп„ =0.97/#^, (5)
где: (d )опыт и к — относительные значения пятна износа и износостойкости, равной УДЭ/ Ул (табл. 1, рис. 1).
Превышение в (4) опытных значений (d )о на 37 % над (d )г, измеренными по геометрической схеме контакта, может быть связано с вибрационной активностью трибосопряжений и соответствующим «размазыванием» пятна контакта (износа) по поверхности хромированного образца. В то же время при значительном увеличении (d )опыт от вибраций будет соответственно возрастать глубина лунки h определяемая расчетным путем по значениям (d )опыт, и может превысить
не восстановленное (то есть с участием упругих деформаций) значение h Это в итоге приведет к
погрешностям при определении не восстановленного объема ^1^л^л)опыт и оценке относительной износостойкости трибосопряжений.
кул — iß л ) отн
В связи с этим целесообразно перейти к относительным значениям износных характеристик формуле (5), согласно которой относительная износостойкость трибосопряжений пропорциональна относительному пятну износа в кубе.
Рассмотрим влияние параметров шероховатости поверхностей трения на триботехнические характеристики и износостойкость трибосопряжений.
Для оценки параметров шероховатости Ra и Rz будем руководствоваться ГОСТ 2789-73. Для измерения R Rz и построения опорных кривых использовался профилограф Ношше1 W Tester Т-500 фирмы “Ношше1 Werke” (Германия). На первом этапе исследований были сопоставлены значения Ra и Rz (рис. 2). На рис. 2 отчетливо проявилась основная линия I с линейной зависимостью между Rz и Ra (т. 11, 9, 16, 3, 5) и два нелинейных ответвления: линия II (т. 1, 4, 12, 8) и III (т. 15, 13, 6, 2, 14, 10,7). Линии II и III соответствуют квадратичным зависимостям. В общем случае имеем Rz = constj п ш J^a, где n = 1,0 для линии I и n = 0,5 для линий II и III.
Важно отметить, что только при трех СК (т. 11, 9 и 16) исходная шероховатость поверхности ролика из СЧ Ra = 0,13 мкм уменьшилась до 0,11.0,12 мкм. В остальных случаях — увеличилась от 0,13 до 0,22 мкм.
Анализ зависимостей I-III (рис. 2) указывает на существование оптимальной эксплуатационной шероховатости и масштабных уровней изнашивания, зависящих в большей степени от R
чем от Я а также от формы выступов шероховатости, определяющей фактическую площадь контакта А , коэффициента заполнения профиля к и несущую способность поверхности трения.
Рис. 2. Соотношение между параметрами шероховатости на поверхности ролика из СЧ при трении в паре с гальваническим Сг в присутствии СК с присадками
Для проверки этого предположения были проанализированы кривые опорной поверхности для всех вариантов СК с присадками (рис. 3).
Кривая опорной поверхности характеризует распределение материала в шероховатом слое. Она строится по профилограммам поверхности: по оси абсцисс откладывается отношение суммы сечений микронеровностей в виде отрезков на прямой линии, проведенной на некотором расстоянии от основания, а по оси ординат — расстояние от основания профиля до выбранного сечения.
1 о*---------------------1---------------------'
* 0,5 п 1.0
Рис. 3. Кривые опорной поверхности чугунного ролика при граничном трении в течение 5 ч и смазке минеральным маслом Shell Х100 с добавками: R = const R n, R max = 3,2 мкм, R max = 0,8 мкм
г z а 7 z 7 7 а 7
Для каждого варианта была графически определена интегральная площадь под опорной кривой в пределах п = 1 и є = 1 по горизонтальной и вертикальной осям соответственно; п и параметры опорной кривой п (є) при є = 0.1,0. При этом максимально возможная площадь под опорной
во
ST
|5Г
кривой, равная произведению (пг)тах, обозначенная 5 принятая за единицу, и реальные значения S, взятые в долях от 50 (от 0,91 для кривой 6 до 0,42 для кривой 12; столбец 17 в табл. 1).
Аппроксимация начальных участков кривых опорной поверхности (рис. 3) степенными зависимостями в виде п = Ьги позволила определить значения Ь и и для трех групп СК: Ь = 11,3 и и = 1,85 — для СК под № 6, 7, 10 (I группа); Ь = 3,06 и и = 2,12 — для СК под № 1-5, 8, 9, 13 и 15 (II группа); Ь = 1,17 и и = 2,56 — для СК под № 11, 12 и 16 (III группа).
По значениям Ь, и и шероховатости Яа микрогеометрия изнашиваемых поверхностей соответствует 5-6 квалитетам точности (ГОСТ 24643-81), реализуемым при финишных операциях механической обработки деталей — полировании (Ьср =2,67, иср = 1,6) и доводке (Ьср = 3,0, иср = = 1,2). Значениям Ь и и при механической обработке поверхностей лучше других соответствуют Ь и и опорных кривых профиля поверхностей износа для II группы СК (50 = 0,58). Для I группы СК характерно наиболее благоприятное наполнение материалом тончайшего изнашиваемого слоя (Ь = 11,3 и 5^ = 0,8). Высокие значения Ь и 5^ указывают на относительное равенство высот микронеровностей и небольшой шаг между выступами шероховатости. Низкие значения Ь = 1,17 и 5^ = 0,43 для III группы СК характеризуют большую неупорядоченность микрорельефа поверхностей: разновысотность выступов шероховатости и неравномерность шага между ними. Повышенное значение и = 2,56 указывает на большую разрыхленность изнашиваемого слоя, который способен уплотняться лишь после значительной упругопластической деформации.
Очевидно, что параметры Ь и 50 определяют несущую способность шероховатого слоя и, как следствие, комплекс триботехнических и противоизносных характеристик. Между 50 и Ь установлена степенная зависимость, близкая к кубической (50 = 0,4Ь0,3). Дальнейшие сопоставления показали, что 50 линейно связана с износостойкостью материалов, поэтому параметры 50 и Ь можно использовать как диагностические при оценке влияния СК на работоспособность трибосопря-жений.
Сопоставление коэффициентов трения / с Яа, Я^ и 5^ на рис. 4 подтвердило существование масштабных уровней трения и изнашивания. На рис. 4, а, б два уровня трения разделены пунктирной линией при переходном значении = 0,08. Выше этого значения трибосопряжения
работают в условиях граничного трения, ниже — в более благоприятных условиях смешанного (полужидкостного) трения, соответствующего на кривой ^(г) Герси-Штрибека. В последнем случае контактирующие поверхности разделяют более толстые смазочные пленки, а глубина лунки износа Нл (столбец 14 в табл. 1) не превышает 10.15 мкм при скорости изнашивания не более 2.3 мкм/ч. Это означает, что процессы упругопластического деформирования поверхности трения не выходят за пределы шероховатости Ятах и Я^ и соответствуют преимущественно переходному мезоскопическому уровню деформирования (т. 6, 10, 15 и 14 на рис. 4. а, б).
м '4*1 _Д______I___I-----------1----I—
0,04 0,06 0,08 0,12
и____I___Ш_____I______I _______и____1,__1^—1------1-
0,10 0,14 /?в, мкм 0,25 0,8 1,0 1,4 Я., мкм
Рис. 4. Зависимость/ от Яа (а) и Яг (б) и от / (в) при граничном трении пары СЧ-Сг
гальванический в присутствии СК с различными присадками
При f = 0,08 .0,105 (остальные точки на рис. 4, а, б) смазочные пленки более тонкие, поэтому условия нагружения более жесткие. При этом процессы упругопластического деформирования выходят за пределы шероховатости Rmax и Rz и развиваются в глубинных слоях металла. Зона упругопластического деформирования в несколько раз увеличивается по глубине, а скорости изнашивания возрастают в 2.3 раза. Можно считать, что такие условия соответствуют преимущественно макромасштабному уровню деформирования и изнашивания.
Макро- и мезомасштабным уровням трения на рис. 4, а, б соответствуют вполне определенные оптимальные значения параметров шероховатости:
Известно, что оптимальная шероховатость характеризует переход от адгезионного взаимодействия контактирующих поверхностей к механическому взаимодействию выступов шероховатости на сопряженных деталях. Ниспадающие ветви верхних кривых (рис. 4, а, б) указывают на преобладание адгезионного взаимодействия поверхностей трения. Характер верхних кривых f?, (Ra, R) (рис. 4, а, б) находится в соответствии с известными моделями граничного трения [1; 3; 4 и др.]. На более благоприятном масштабном уровне (нижняя часть рис. 4, а, б) на ниспадающей (пунктирной) ветви опытные точки отсутствуют. Это означает, что на мезоуровне адгезионное взаимодействие поверхностей трения не проявляется. Восходящая ветвь кривой указывает на увеличение роли механического фактора в зоне контакта при параметрах шероховатости, превышающих оптимальные значения.
Судя по рис. 4, а, б, параметры шероховатости оказывают существенное влияние наf Это влияние можно представить общей формулой/Гр = const4 5 6 R", где const456 — опытные постоянные; n = -2 и +0,3 — для макроуровня и n = 1,5 — для мезоуровня;f^ = const7 8 9 Rm, где const7 8 9 — опытные постоянные; m = -2 и +0,6 — для микроуровня и m = 3 — для мезоуровня.
Большинство опытных точек на графике зависимости (f^) (рис. 4, в) группируется около линии I, которая соответствует степенной функции:
Sr=constlo/f:p=0,U/f%. (6)
Опытные точки 15, 16, 11 и 12, соответствующие СК с химически активными присадками, снижающими Sqтн и несущую способность трибосопряжений, группируются (рис. 4, в) около линии II, которая отличается от степенной зависимости (6) лишь постоянной (const11 = 0,085). Переход с мезо- на макромасштабный уровень показан на рис. 4, в двумя пунктирными линиями, пересекающимися в точке с координатами = 0,08 и (Sq”111) = 0,64. Удовлетворительная корреляция между и указывает на повышенную информативность критерия и перспективность его использования для оценки работоспособности трибосопряжений по комплексу важнейших характеристик.
Список литературы
1. Погодаев Л. И. Повышение надежности трибосопряжений / Л. И. Погодаев, В. Н. Кузьмин, П. П. Дудко. — СПб.: Академия транспорта, 2001. — 304 с.
2. Погодаев Л. И. Структурно-энергетический подход к оценке влияния смазочных композиций на износостойкость трибосопряжений / Л. И. Погодаев, В. Н. Кузьмин [и др.] // Трение и износ. — 2001. — Ч. 2. — Т. 22, № 3. — С. 299-304.
3. Погодаев Л. И. Структурно-энергетический подход к оценке влияния смазочных композиций на износостойкость трибосопряжений / Л. И. Погодаев, В. Н. Кузьмин, С. Н. Чулкин. // Трение и износ. — 2001. — Ч. 1: Структурно-энергетическая модель изнашивания. — Т. 22, № 2. — С. 168-172.
Выпуск 2
Выпуск 2
4. Погодаев Л. И. Моделирование процессов изнашивания материалов и деталей машин на основе структурно-энергетического подхода / Л. И. Погодаев // Проблемы машиностроения и надежности машин. — 1998. — № 5. — С. 94-103.
5. Ломухин В. Б. Испытания модификатора трения «Форум» / В. Б. Ломухин, Л. В. Ломухина, И. Г. Мироненко [и др.] // Трение, износ, смазка. — 2002. — Вып. 13. — С. 19-24.
УДК 621.313 А. В. Саушев,
канд. техн. наук, доцент, СПГУВК
ОТОБРАЖЕНИЕ СТАТИЧЕСКИХ И ДИНАМИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ СИСТЕМ ПОЛИНОМИНАЛЬНЫМИ ФУНКЦИЯМИ
DISPLAY OF STATIC AND DYNAMIC PROPERTIES OF ELECTROTECHNICAL SYSTEMS BY POLYNOMINAL FUNCTIONS
Рассматриваются принципы, необходимые условия и особенности построения факторных моделей для исследования статических и динамических свойств электротехнических систем. Определены требования, предъявляемые к параметрам системы, и область применения моделей.
The principles, necessary conditions and features of construction offactorial models for research of static and dynamic properties of electrotechnical systems are considered. The requirements for parameters of a system and a field of models application are defined.
Ключевые слова: факторная модель, электротехническая система, отображение свойств.
Key words: factorial model, electrotechnical system, display of properties.
ПРИНЦИПЫ построения факторных моделей. Для решения задач параметрического синтеза и диагностирования электротехнических систем (ЭТС) достаточно часто требуется знать характер изменения оценки свойств системы в зависимости от значений ее внутренних параметров. Для получения такой модели удобно воспользоваться иной, отличной от классической, формой представления информации о свойствах ЭТС.
Следуя работе [1], определим ЭТС как отношение £ с W х D над абстрактными множествами W и D. Входящие в определение системы множества W и D являются соответственно множеством входов и множеством выходов {у}. При заданном начальном состоянии ЭТС а можно
представить как отображение £а : W ^ D абстрактного множества W в абстрактное множество D. Отображение £а ставит в соответствие каждому элементу w е W единственный элемент у е D. Такое отображение называется функциональным.
Для иллюстрации введенной формы представления ЭТС рассмотрим достаточно часто имеющий место на практике случай, когда ЭТС является непрерывной детерминированной системой с сосредоточенными параметрами, и ее свойства могут быть описаны следующей системой линейных дифференциальных уравнений «-го порядка с постоянными коэффициентами:
И,=ви,+м,-
где В — матрица коэффициентов системы; \/'\1 — координатный столбец векто-
ра регулируемых величин Z1(t), Z2(t), ..., %(), . ., %(), являющихся фазовыми переменны-
