К вопросу выбора методики проведения триботехнических исследований смазочных материалов

№109-1,

технические науки

Материал статьи посвящен вопросам определения анитифрикционных, противозадирных и противоизносных свойств смазочных материалов на лабораторных приборах и установках.

Похожие материалы

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.

Упрощенная схема узла трения машины СМТ — 1: 1 — нижний (вращающийся) вал; 2 — верхний (неподвижный) вал; 3 — нагружающее устройство; 4 — образец; 5 — контртело.
Рисунок 1. Упрощенная схема узла трения машины СМТ — 1: 1 — нижний (вращающийся) вал; 2 — верхний (неподвижный) вал; 3 — нагружающее устройство; 4 — образец; 5 — контртело.
Схема испытания образцов («диск — частичный вкладыш»).
Рисунок 2. Схема испытания образцов («диск — частичный вкладыш»).

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;

f=\frac{2M_{tr}}{d_p \cdot p}, (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).
Схема определения линейного износа по методу «искусственных баз».
Рисунок 3. Схема определения линейного износа по методу «искусственных баз».

Величина линейного износа с учетом вогнутости поверхности в этом случае определяется по формуле:

\Delta h=\frac{{d_1-d_2}}{m}-\frac{{d_1-d_2}}{8\cdot R}, (2)

m=\frac{2}{tg(90-\frac{a}{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:

I=\frac{\Delta h}{S}, (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.

Таблица 1. Статистическая обработка результатов испытаний.

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.

Упрощенная схема узла трения машины СМТ — 1: 1 — нижний (вращающийся) вал; 2 — верхний (неподвижный) вал; 3 — нагружающее устройство; 4 — шарик; 5 — контртело.
Рисунок 4. Упрощенная схема узла трения машины СМТ — 1: 1 — нижний (вращающийся) вал; 2 — верхний (неподвижный) вал; 3 — нагружающее устройство; 4 — шарик; 5 — контртело.

Схема испытаний, вращающийся диск — неподвижный шарик, представлена на рисунке 5.

Схема испытания образцов (диск — шарик)
Рисунок 5. Схема испытания образцов (диск — шарик)

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:

d=\frac{d_1^2+d_2^2}{2}^{\frac{1}{2}}, (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.

Список литературы

  1. Матвеевский Р.М., Лашхи В.Л., Буяновксий И.А. Смазочные материалы. — М.: Машиностроение, 1989. — 217 с.
  2. Чичинадзе А.В. Смазочные материалы, техника смазки, опоры скольжения и качения. Под ред. М. Хебды, А.В. Чичинадзе — М.: Машиностроение, 1990. — 412 с.
  3. Елин Л.В. Взаимное внедрение поверхностных слоев металлов как одна из причин изнашивания при несовершенной смазке. В кн.: Трение и износ в машинах. — М.: АН СССР, 1959. — С. 48 — 60.
  4. Костецкий Б.И., Колениченко Н.В. Качество поверхности и трение в машинах. — Киев: Техника, 1969. — 215 с.
  5. Крагельский И.В., Ямпольский Г.Я. О механизме абразивного износа // — Известия АН СССР. Физика, 1968. — №11, — С. 81 — 87.
  6. Пружанский Л.Ю. Исследование методов испытаний на изнашивание. — М.: Наука, 1978. — 116 с.
  7. Словарь-справочник по трению, износу и смазке. — Киев: Наука Думка, 1979. — 188 с.
  8. Калинин А.А. и др. Ускоренная методика оценки противоизносных и антифрикционных свойств пластичных смазок // — Заводская лаборатория. — 1984. — №2. — С. 78 — 80
  9. Калинин А.А., Замятина Н.И. Экспрессная методика оценки смазочных свойств жидкостей и пластичных смазок по схеме трения «диск — шарик» // — Заводская лаборатория. — 1986. — №4. — С. 64 — 67.