Оценка противоизносных, противозадирных и антифрикционных свойств смазочных материалов является неотъемлемой частью работ по созданию новых масел и смазочных материалов. Первоначальные испытания проводятся на лабораторных приборах и установках с испытательными образцами простой геометрической формы. В этом случае лабораторные испытания не требуют больших затрат времени, они в большей степени позволяют изменять условия на поверхности трения и выделять основной параметр, оказывающий влияние на трибологические характеристики смазочных материалов [1]. Условия испытания на приборах отличаются от действительных условий работы смазочных материалов в реальных машинах, однако преимущества лабораторных испытаний способствуют их широкому применению, особенно для разработки новых присадок и смазочных композиций [2 — 5].
Одними из самых распространенных лабораторных способов определения триботехнических свойств смазочных материалов являются исследования проводимые на машине для испытания материалов на трение и износ. В настоящей работе использовалась машина трения модели СМТ-1. Упрощенная схема машины представлена на рисунке 1. Схема пары трения, вращающийся диск — неподвижный частичный вкладыш, представлена на рисунке 2.
Основные триботехнические характеристики смазочных материалов в этом случае определяется следующим образом:
- момент трения на валу вращающегося диска измерялся с помощью бесконтактного индуктивного датчика и по формуле (1) пересчитывается в коэффициент трения;
, (1)
где f — коэффициент трения; Мtr — момент трения, Н·м; dp — диаметр ролика, м; p — нагрузка, Н.
- линейный износ поверхностей трения определялся методом «искусственных баз», установлением линейного износа по заранее нанесенным отпечаткам на частичном вкладыше с помощью твердомера ТКС — 1 М коническим твердосплавным индентором с углом при вершине а = 120 ° (рис. 3).
Величина линейного износа с учетом вогнутости поверхности в этом случае определяется по формуле:
, (2)
, (3)
где Δh — линейный износ, мкм; d1 — диаметр отпечатка до изнашивания, мкм.; d2- диаметр отпечатка после изнашивания, мкм.; R — радиус вогнутости поверхности, мкм.
- интенсивность изнашивания определяется по формуле:
, (4)
где I — интенсивность изнашивания, мкм/км; S — путь трения, км.
Определение триботехнических характеристик смазочных материалов с помощью машин трения по схеме «диск — частичный вкладыш» используют достаточно часто. Этот метод обладает высокой точностью и надежностью результатов. Однако есть и недостатки. К ним можно отнести затраты значительного количество времени на подготовку образцов к проведению исследований и достаточно длительный процесс приработки поверхности трения.
Большей экспрессностью и достаточной надежностью результатов обладают схемы трения с переменной площадью контакта [6 — 9]. Среди экспериментальных установок, предназначенных для оценки смазочных свойств масел, смазок и композиций наиболее распространена четырехшариковая машина трения [7]. Однако дефицитность ее заставляет исследователей разрабатывать методики оценки триботехнических свойств смазочных материалов, не уступающие по надежности и экспрессности методики четырехшариковой машины и легко реализуемые на серийных износоиспытательных установках типа СМЦ — 2, СМТ — 1 и аналогичных [6, 7].
В частности, в [7] применительно к указанным выше машинам предлагается использовать схему трения «вращающийся диск — неподвижный шарик». При этом резко уменьшаются затраты времени и повышается надежность результатов.
Для оценки воспроизводимости экспериментов по разработанной в [7] методике была проведена серия экспериментов из десяти опытов при аналогичных условиях: нагрузка 350 Н, время испытания — 100 с в инактивной смазочной среде (медицинском вазелине). Значения величин износа по данным десяти опытов следующие: d, мм: 0,600; 0,600; 0,645; 0,600; 0,615; 0,600; 0,585; 0,600; 0,585; 0,600 — схема А.
Кроме того, на четырехшариковой машине трения ЧШМ — 3 была проведена также серия опытов при стандартных условиях испытаний: нагрузка 200 Н, время каждого испытания — 4 ч.
Получены значения диаметра пятна износа: d, мм: 0,690; 0,705; 0,690; 0,735; 0,705; 0,690; 0,735; 0,705; 0,720; 0,735 — схема Б.
Результаты статистической обработки полученных экспериментов по вышеуказанным схемам представлены в таблице 1.
Схема трения | Статистические характеристики | ||||
Х | S | V | P | n5% | |
А | 0,603 | 0,0169 | 2,89 | 0,892 | 1 |
Б | 0,708 | 0,0204 | 2,88 | 0,911 | 1 |
где: Х — среднее арифметическое, мкм; S — среднее квадратичное отклонение; V — коэффициент вариации, %; Р — показатель точности, %; n5% — число опытов для достижения показателя точности 5%.
Данные таблицы 1 показывают, что по разработанной автором методике результаты испытаний характеризуются высокой степенью воспроизводимости (малым коэффициентом вариации), большой надежностью (низким значением показателя точности) и высокой экспрессностью (результаты на машине СМЦ — 2 получены за 100 с. вместо четырех часов на установке ЧШМ — 3).
Таким образом для уменьшения времени проведения эксперимента, на машину трения СМТ — 1 устанавливаем пару трения вращающийся диск — неподвижный шарик.
Упрощенная схема узла трения машины представлена на рисунке 4.
Схема испытаний, вращающийся диск — неподвижный шарик, представлена на рисунке 5.
Материал диска сталь 45 с твердостью НRC 45 — 50. Материал шарика сталь ШХ 15. Вращающийся диск (ролик) имеет диаметр 40 мм и ширину 10 мм. В качестве шарика использовалось тело качения шарикоподшипника № 111 с диаметром d = 10,32 мм.
При использовании такой схемы трения в процессе исследований смазочных материалов фиксируется изменение коэффициента трения и изменение интенсивности изнашивания пары трения. Коэффициент трения определялся по стандартной методике (формула 1). За характеристику противоизносных свойств, принимается средний приведенный диаметр из условия равенства удельных нагрузок или площадей эллипса и приведенного круга:
, (5)
где d1 — диаметр пятна износа в горизонтальном направлении, мм; d2 — диаметр пятна износа в вертикальном положении, мм.
Таким образом, использование пары трения «вращающийся диск — неподвижный шарик» позволит провести большой ряд экспериментов в достаточно короткое время. Пропадает необходимость длительного проведения подготовки пары трения и проведения приработки. При этом сохраняется достаточно высокая точность и воспроизводимость результатов.