Высокотемпературные твердые смазочные покрытия в опорах скольжения Текст научной статьи по специальности «Физика»

ТРЕНИЕ И ИЗНОС В МАШИНАХ

УДК 621.892

Н. К. КРИОНИ

ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНЫЕ ТВЕРДЫЕ СМАЗОЧНЫЕ ПОКРЫТИЯ

В ОПОРАХ СКОЛЬЖЕНИЯ

Рассматриваются вопросы прогнозирования триботехнических свойств (сил трения, долговечности) реальных подвижных сопряжений, работающих в условиях высоких температур и давлений, на стадии проектирования. В связи с широким использованием твердых смазочных покрытий (ТСП) в распространенных подвижных сопряжениях типа «вал-втулка» актуальной задачей является прогнозирование триботехнических свойств (сил трения, долговечности) в таких сопряжениях, которые работают в условиях высоких температур и удельных нагрузок. Подшипники скольжения; трение; твердые смазочные покрытия; прогнозирование триботехнических свойств

КОЭФФИЦИЕНТ ТРЕНИЯ В ПОДШИПНИКАХ СКОЛЬЖЕНИЯ ПРИ ВЫСОКИХ ТЕМПЕРАТУРАХ. ОСНОВНЫЕ ДОПУЩЕНИЯ И РАСЧЕТНАЯ ЗАВИСИМОСТЬ

При определении сил трения, возникающих в подшипниках скольжения с ТСП, принимали, что:

• подшипниковый узел состоит из вала с ТСП и втулки (рис. 1);

Рис.1. Расчетная схема подшипника скольжения с антифрикционным элементом, закрепленным на валу

• площадь контакта, образованная между валом с ТСП и втулкой, под нагрузкой N равна контурной площади касания, т. е. макроотклонения контактирующих поверхностей пренебрежимо малы;

• в пределах контурной площади контакта

взаимодействие вала с ТСП и втулки происходит в дискретных зонах фактического касания;

• возникающие в зонах фактического касания силы трения имеют молекулярно-механическую природу;

• твердость ТСП намного меньше твердости материалов вала и втулки;

• микронеровности поверхности втулки представляют собой шаровые сегменты одинакового радиуса Я, расположенные с постоянной плотностью на поверхности, а распределение вершин микронеровностей такое, что начальная часть кривой описывается функцией = Ьеу ;

• поверхностная и объемная температуры не отличаются;

• возникающие в зонах фактического касания напряжения не будут приводить к нарушению условий внешнего трения.

Величина силы трения, как показывает анализ [1, 2, 3, 4, 5], будет зависеть от вида деформаций в зонах фактического касания.

В работе [5] показано, что для исследуемых материалов при заданной удельной нагрузке в зонах фактического касания контакта будут реализовываться пластические деформации, обусловленные внедрением более жестких контактирующих элементов в менее жесткие. Внедрение происходит вследствие того, что микронеровности твердого тела намного тверже ТСП и относительные сближения велики.

Так как твердость материала, на который нанесено ТСП, намного больше твердости ТСП, то в тех случаях, когда процессы деформации будут сосредоточены в слое ТСП, в зонах фактического касания взаимодействующих тел будут реализо-

Контактная информация: (347)272-43-81

вываться и пластические деформации.

Коэффициент внешнего трения в подшипнике скольжения при пластическом ненасыщенном контакте, согласно [6], в зависимости от действующей нагрузки и конструктивно-технологических, материаловедческих и эксплуатационных характеристик равен:

/ - /м + /д - /м +

0,43Д°:

(рє з Е0,25)'

Я! 025Х0,5

(1)

где /м - молекулярная составляющая коэффициента трения; /д - деформационная составляющая коэффициента трения; Д - комплексная характеристика шероховатости; нв - твердость материала по Бринеллю; Р - нормальная нагрузка; ез -радиальный зазор в сопряжении вал-втулка; Я -номинальный радиус сопряжения; ! - длина

втулки; X-1 -Ці2 +(і-т2)-Е-, М-1, М2, Еъ Е2 - ко-

Е2

эффициенты Пуассона и модули упругости соответственно материалов вала и втулки.

Известно, что молекулярная составляющая /м коэффициента трения существенно зависит от параметров т0 и Ь, характеризующих физикохимическое состояние поверхностей трения, а также от фактического давления. Деформационная составляющая /д коэффициента трения в значительной степени зависит от шероховатости поверхности втулки, давления и физикомеханических свойств материалов втулки и вала.

ТРИБОТЕХНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ТСП В ПОДШИПНИКАХ СКОЛЬЖЕНИЯ

В УСЛОВИЯХ ВЫСОКИХ ТЕМПЕРАТУР

Согласно современным представлениям о трении реальных поверхностей [5], молекулярная составляющая коэффициента трения для шероховатой поверхности равна молекулярной составляющей коэффициента трения, определенной для единичного индентора. Деформационная составляющая коэффициента трения шероховатой поверхности определяется по известным микрогео-метрическим характеристикам и физикомеханическим свойствам. Как было установлено ранее [7], с изменением температуры молекулярная составляющая коэффициента трения, определяемая зависимостью средних касательных и нормальных напряжений от температуры, изменяется по сложной закономерности. Деформационная составляющая коэффициента трения для сопряжения вал-втулка с изменением температуры определяется согласно выражению (1). Таким образом, молекулярно-механическая теория

внешнего трения определяет коэффициент тре-

ния как сумму двух составляющих, поэтому он с изменением температуры должен изменяться по сложной закономерности, определяемой законами изменения молекулярной и деформационной составляющих коэффициента трения от температуры.

Перед настоящими исследованиями стояли следующие задачи: во-первых, экспериментально исследовать зависимость общего коэффициента трения для подвижного сопряжения «вал с ТСП -втулка» в температурном диапазоне внешнего трения; во-вторых, исходя из результатов установленных ранее закономерностей изменения молекулярной и деформационной составляющих коэффициента трения от температуры, установить справедливость основного уравнения молекулярно-механической теории внешнего трения для пары вал с ТСП - втулка, т. е. оценить соответствие экспериментально определенных значений коэффициента трения и значений, полученных суммированием молекулярной и деформационной составляющих коэффициента трения. Результаты исследований приведены на рис. 2, 3.

Из рисунков видно, что с повышением температуры от нормальной и выше коэффициент трения уменьшается, проходит через минимум, а затем с той или иной интенсивностью начинает увеличиваться. Повышение коэффициента трения обусловлено резким изменением физикомеханических свойств связующего вещества и окислением антифрикционного наполнителя.

Рис. 2. Зависимость коэффициента трения от температуры (1 - вал 1Х18Н10Т, втулка 1Х18Н10Т, покрытие ВНИИНП-229; 2 - вал 1Х18Н10Т, втулка 1Х18Н10Т, покрытие СТС-4; 3 - вал 1Х18Н10Т, втулка 1Х18Н10Т, покрытие ЦВСП-3с; 4 - вал ХН60ВТ, втулка ХН60ВТ, покрытие ВНИИНП-229; 5 - вал ХН60ВТ, втулка ХН60ВТ, покрытие СТС-4)

Характерным для зависимости коэффициента трения от температуры является разброс его экспериментальных значений. Так, при нормальной температуре кривые построены по значениям, определенным с точностью ±(5-11)%. При повышении температуры и понижении коэффици-

0,25

ента трения разброс несколько снижается, вплоть до минимума, достигая ±(3-5)%, однако с повышением коэффициента трения разброс увеличивается. Температурный диапазон исследований ограничивался работоспособностью подвижного сопряжения. Изменение коэффициента трения регистрировалось, начиная с момента страгива-ния и кончая возникновением задира. Установившееся рабочее значение коэффициента трения сохраняется в течение значительной доли времени работы ТСП - (90-95)%, и непосредственно перед задиром коэффициент трения необратимо растет. Этот процесс по времени составляет (1018) с.

/м /д /

; ^

К. ) "

Ї -

і

Т'4 1

20 100 200 300 400 500 Т, С

Рис. 3. Зависимость коэффициента трения и его составляющих от температуры (вал - 1Х18Н10Т, втулка - ХН55ВМКЮ, покрытие - ВНИИНП-229) составляющие коэффициента трения: 1 - молекулярная;

2 - деформационная; 3 - общий коэффициент трения

/

001 0 015 002 0 025 0 03 єі-мх

Рис. 4. Зависимость коэффициента трения от радиального зазора ез (Ы = 3400Н; Д = 5,5-10-2; покрытие -СТС-4(а); вал - 1Х18Н10Т; втулка - 9Х18;): 1 - 20°С;

2 - 100°С; 3 - 200°С; 4 - 400°С; 5 - 500°С; 6 - 550°С

Для более полного представления характера зависимости коэффициента трения в сопряжении вал-втулка от температуры эксперименты проводились в широком диапазоне нормальных нагрузок Ы, радиальных зазоров е и комплексных характеристик шероховатости Д, обеспечивающих условие пластического контакта [5, 6]. По результатам исследований строились зависимости в координатах/ - Ы,/ - Д и/ - е. На рис. 4-6 приведены эти зависимости для ряда температур.

Рис. 5. Зависимость коэффициента трения от комплексной характеристики шероховатости Д (Ы =

= 3400Н; ез = 0,02 мм; покрытие ВНИИНП-229; вал 1Х18Н10Т; втулка 9Х18): 1 - 20°С, 2 - 100°С,

3 - 200°С, 4 - 400°С

Рис. 6. Зависимость коэффициента трения от нормальной нагрузки N (ез = 0,015 мм; А = 5,540-2; покрытие ВНИИНП-229, вал 1Х18Н10Т; втулка 9Х18): 1 - 20°С; 2 - 100°С; 3 - 200°С;

4 - 300°С; 5 - 400°С

Таким образом, предложенная формула (1) с достаточным приближением позволяет прогнозировать коэффициент трения в сопряжении «вал с ТСП - втулка» в широком интервале температур.

ОЦЕНКА ДОЛГОВЕЧНОСТИ СОПРЯЖЕНИЯ ВАЛ С ТСП-ВТУЛКА С УЧЕТОМ ТЕМПЕРАТУРЫ

Анализ долговечности работы сопряжения «вал с ТСП - втулка» (рис. 7) показал, что при удельных давлениях 55 МПа, скорости скольжения 0,1 м/с и комплексной характеристике шероховатости А = '7,2-10-2 наибольшая долговечность работы подвижных сопряжений с исследуемыми ТСП наблюдалась при температуре, соответствующей минимуму коэффициента трения. Для ТСП ВНИИНП-229 это соответствовало температуре 180°С, а ТСП СТС-4 и ЦВСП-Зс - (250-280)°С. Указанные обстоятельства позволяют судить о наличии у каждого покрытия диапазона оптимальных по долговечности температур, смещающихся в сторону высоких температур при повышении термостойкости антифрикционного наполнителя и способности связующего вещества сохранять свои физико-механические свойст-

ва, так как деструкция связующего неминуемо ведет к разрушению всего покрытия.

-г

■: -I------------------------

20 300 600 т, С

Рис. 7. Зависимость работоспособности ТСП от температуры: (вал ХН77ТЮ, втулка ХН55ВМКЮ;

Р = 55МПа) для покрытия: 1 - ВНИИНП-229;

2 - ЦВСП-3с; 3 - СТС-4

Значения этих температур можно прогнозировать по результатам триботехнических исследований коэффициента трения. На всех испытанных образцах ТСП разрушается идентично. Вначале покрытие уплотняется, при этом происходит незначительное осыпание материала покрытия, преимущественно наполнителя, в виде мелкодисперсного порошка. Затем ТСП становится глянцевым, а с повышением температуры испытания «блеск» рабочей поверхности ТСП увеличивается. Поверхность ТСП ВНИИНП-229 с повышением температуры меняет свой цвет от темного (исходного) до светло-серого.

В условиях высоких температур, несмотря на размягчение связующего вещества, ТСП еще остается работоспособным до тех пор, пока не создается непосредственный металлический контакт. Непосредственно перед возникновением металлического контакта ТСП отшелушивается в виде чешуек, после чего часть материала ТСП налипает на контртело, другая часть, перемещаясь по «дорожке трения», забивает зазор и оказывает разрушающее действие на покрытие. В результате металлическая поверхность обнажается, происходит схватывание, вырыв частиц металла, которые «пропахивают» канавку в рабочей зоне вала и втулки, что приводит к задиру на поверхностях трения.

ВЫВОДЫ

1. Установлено, что подвижные сопряжения «вал с ТСП - втулка» (подшипники скольжения) обеспечивают наиболее высокую долговечность при работе в критическом диапазоне температур (для ВНИИНП-229 - 180-220оС, для ЦВСП-3с и СТС-4 - 280-320оС). Это позволяет оптимизировать по триботехническим параметрам работу

высокотемпературных подвижных сопряжений с ТСП на стадии их проектирования.

2. На основании результатов исследования триботехнических свойств ТСП в подшипнике скольжения предложена и экспериментально проверена формула определения коэффициента трения в сопряжении «вал с ТСП - втулка» при высоких температурах.

3. Предложенная формула с достаточным приближением позволяет прогнозировать коэффициент трения в сопряжении вал с ТСП-втулка.

4. Показано, что диапазон оптимальных, по долговечности, температур смещается в сторону высоких температур при повышении термостойкости антифрикционного наполнителя и способности связующего вещества сохранять свои физико-механические свойства. Значения этих температур можно прогнозировать по результатам триботехнических исследований коэффициента трения.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Ворович, И. И. Неклассические смешанные задачи теории упругости / И. И. Ворович, В. М. Александров, В. А. Бабешко. М.: Наука, 1974. 455 с.

2. Воронков, Б. Д. Подшипники сухого трения / Б. Д. Воронков. Л.: Машиностроение, 1979. 223 с.

3. Горячева, И. Г. Механика фрикционного взаимодействия / И. Г. Горячева. М.: Наука, 2001. 478 с.

4. Горячева, И. Г. Влияние покрытия на контактные характеристики радиальных подшипников скольжения / И. Г. Горячева, М. Н. Добычин // Трение и износ. 1984. Т. V, № 3. С. 124-131.

5. Крагельский, И. В. Трение и износ / И. В. Крагельский М.: Машиностроение, 1968. 480 с.

6. Крагельский, И. В. Узлы трения машин / И. В. Крагельский, Н. М. Михин. М.: Машиностроение, 1984. 280 с.

7. Криони, Н. К. Оптимизация по триботехническим параметрам работы высокотемпературных подшипников скольжения с твердыми смазочными покрытиями / Н. К. Криони. М.: Машиностроение, 2004. 157 с.

ОБ АВТОРЕ

Криони Николай Константинович, проф., прорект. УГАТУ. Дипл. инж-мех. по техн. маши-ностр. (УАИ, 1971). Д-р техн. наук по трению и износу в машинах (РГУПиГ им. И. М. Губкина, 1985). Иссл. в обл. трибологии контактн. взаимодейств., методики и орг-ции учеб. процесса в высш. школе.