автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.04, диссертация на тему:Трибологические характеристики контакта твердых тел с пластичной смазкой

"РГВ ' од *

; л !;:оп шз

РОССИЙС1САЯ АКАДЕМИЯ НАУК Институт машиноведения им.А.А.Благонравова

На правах рукописи

Мугнецян Сенекорим Фоербахович УДК 621.822

ТРИБОЛОГИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ КОНТАКТА ТВЕРДЫХ ТЕЛ С ПЛАСТИЧНОЙ СМАЗКОЙ (СЛУЧАЙ КАЧЕНИЯ СО СКОЛЬЖЕНИЕМ)

Специальность 05.02.04 - Трение и износ в машинах

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва - 1993 г.

Работа выполнена в Лаборатории узлов трения для экстремальных условий Института машиноведения им.А.А.Благонравова РАН.

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Дроздов Ю.Н.

Официальные оппоненты:.

доктор технических наук

Буяновский И.А.

кандидат технических наук

Нажесткин Б.П.

Ведущее предприятие: НПО им.С.А.Лавочкина

Защита диссертации состоится на заседании специализированного

/ 1 >

ученого совета Д 003.42. о£ '*_£." бКТ^рА. 199 Зг. в С С

часов в Институте машиноведения им.А.А.Благонравова РАН по адресу: 101830, г.Москва, ул.Грибоедова, 4, тел.:925-60-28

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института по адресу: Москва, ул.Бардина, тел.:135-55-16

Автореферат разослан " " и _1993г.

Ученый секретарь

специализированного совета д.т.н., проф.

М.К.Усков

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЕ

Актуальность темы. Долговечность и надежность узлов трения деталей машин, работающих в условиях качения со скольжением (зубчатые и фрикционные передачи, кулачковые механизмы, подшипники каче- I ния и др.) и подвергающихся воздействию циклических высоких контактных давлений, существенно зависят от трибологических характеристик контактов (состояния смазывающего слоя, сил трения, проти-возадирной стойкости и др.).

Рост силовой и тепловой напряженности, скоростей взаимного перемещения трущихся поверхностей приводит к увеличению вероятности возникновения заедания и затрудняет возможность обеспечения требуемой противозадирной стойкости контакта. В этих условиях вопросы трения, износа и заедания становятся определяющими при оценке работоспособности и долговечности механизма в иелом. Применение пластичных смазочных материалов (ПСМ) позволяет решать многие вопросы обеспечения работоспособности узлов трения, в том числе и зубчатых передач, работающих в экстремальных условиях. Однако более широкое применение этих смазочных материалов в тяжелонагруженных, тихоходных зубчатых передачах сдерживается из-за отсутствия методов расчета, позволяющих прогнозировать противозадирную стойкость (или работоспособность по задиру) зубчатых передач с ПСМ. Сложность и многообразие механизмов формирования и разрушения защитного смазочного слоя ПСМ затрудняют получение количественных закономерностей, определяющих процесс "срабатывания" смазывающего материала и ■• возникновение повышенного износа и задира. В этой ситуации получение расчетных зависимостей и разработка научно-обоснованной экспериментально-теоретической методики расчета работоспособности по критерию задира катящихся со скольжением тел, смазываемых ПСМ, является несомненно актуальной задачей.

- г -

Целью данной работы является экспериментально-теоретическое исследование трибологических характеристик и области применения ПСМ в тихоходных, тяжелонагруженных катящихся со скольжением телах. Выявление механизма разрушения несущего смазочного слоя, создание научно-обоснованной методики экспериментального определения и расчета работоспосбности контакта с пластичной смазкой по критерию заедания (срабатывания).

Основные задачи исследования. Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:

- разработать и обосновать методики экспериментального исследования трибологических характеристик контакта с ПСМ (метод электроконтактной диагностики, тонкослойная хроматография, метод скользящего пучка рентгеновских лучей и др.);

- создать экспериментальное оборудование с возможностью широкого изменения контактных параметров и с ускоренной оценкой работоспособности ПСМ. Разработать измерительную систему, позволяющую изучать трение, состояние смазочного слоя и процесс его разрушения;

- провести экспериментальные исследования с широким спектром пластичных смазочных материалов;

- обобщить результаты экспериментальных и теоретических исследований, получить критериальные выражения для расчетов коэффициента трения скольжения и работоспособности ПСМ (по критерию заедания);

- по результатм проведенных исследований разработать практические рекомендации по выбору и применению ПСМ для тяжелонагруженных, тихоходных механизмов, с парами трения, работающими в режиме качения со скольжением.

Научная новизна работы.Разработаны установка (получены автор-

ские свидетельства: Л.с. I? 1772686, A.c. » 1783373) и комплексная методика для исследования трибологических характеристик контакта катящихся со скольжением тел при использовании ПСМ. Сформулированы и подтверждены представления о формировании и разрушении смазочного слоя в тяжелонагруженном контакте при качении со скольжением тел. Проанализированы процессы возникновения и развития заедания при малых скоростях (скорость скольжения \/ск ^ 0-5 м/с, суммарная скорость качения ^ 1-25 м/с). Проведены экспериментальные исследования трибологических характеристик контакта с помощью роликовой аналогии. На основе анализа физико-химических закономерностей, экспериментальных данннх, с помощью аппарата теории подобия и анализа размерностей получены расчетные зависимости для коэффициента трения скольжения и работоспособности ПСМ до возникновения заедания.

Практическая ценность -работы. В результате проведенной работы разработана комплексная методика для исследования трибологических характеристик тяжелонагруженных, тихоходных катящихся со скольжением тел, смазываемых ПСМ, позволяющая подбирать пластичные смазки с высокой несущей способностью. Разработана комплексная методика для проведения ускоренных исследований с целью оценки работоспособности контакта, смазываемого ПСМ, Методика весьма полезна при создании новых видов пластичных смазочных материалов благодаря возможности ускоренной оценки влияния различных компонентов на качество смазки. Экспериментально определены трибологические характеристики различных ПСМ в широком диапазоне изменения контактных параметров. Установлена зависимость работоспособности ПСМ по критерию заедания, от твердости и шероховатости рабочих поверхностей трущихся тел. Получены расчетные зависимости для коэффициента трения скольжения и работоспособности

ПСМ по критерию заедания, позволяющие обоснованно ггшходить к выбору смазочного материала в процессе проектирования узлов трения.

Применение в промышленности. Переданы на предприятия и использованы при разработке объектов новой техники методики экспериментальных исследований и расчета работоспособности ПСМ по критерию заедания, результаты исследований сил трения при качении со скольжением тел.

Апробация работы. Основные результаты работы доложены и обсуждены на Всесоюзной научно-технической конференции "Современные проблемы триботехнологии" (Николаев, 1988 г.), на 12-ой юбилейной конференции молодых ученых ИМАШ АН СССР "Актуальные проблемы машиноведения" (Москва, 1989 г.), на 4-ой научно-технической конференции "Триботехника - машиностроению" (Москва, 1989 г.), на Всесоюзной научно-технической конференции "Триботехнические испытания в проблеме контроля качества материалов и конструкции" (Рыбинск, 1989 г.), на 5-ой научно-технической конференции "Триботехника - машиностроению" (Н.Новгород, 1991 г.), на 5-ой Всесоюзной научно-технической конференции "Контактная гидродинамика" (Самара, 1991 г.), на научном семинаре по трению и износу в машинах им.М.М.Хрущова (Москва, ИМАШ РАН, 1993'г.;.

Публикации. По основным результатам выполненных исследований опубликовано 12 печатных работ, получено 2 авторских свидетельства (A.c. № 1772686, А.с.№ 1783373).

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, общих выводов, списка использованной литературы. Содержит )¿4 страниц, включающих рисунка, S~ таблиц, библиографию из IS Ь наименований, а также материалы, подтверждающие внед-

рение полученных результатов.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении ' показаны современное состоя....е вопроса и актуальность темы, составившей предмет исследований, кратко изложены содержание и структура работы.

В первой главе рассмотрены область и особенности применения пластичных смазочных материалов, их объемно-механические свойства, представления о механизме смазочного действия, указаны особенности их изготовления.

Широкое распространение ПСМ обусловлено потребностями современной техники. Наиболее эффективны смазки в узлах трения, работающих при высоких контактных нагрузках, малых скоростях, при частом изменении направления движения, а также в открытых и негерметизирован-ных узлах.

В результате анализа работ, посвященных ПСМ установлено, что по сравнению с жидкими смазочными материалами пластичные смазки обладают рядом преимуществ. Строение граничных слоев, образованных жидкими и пластичными смазочными материалами, имеют довольно близкую структуру. Эффективность смазочного действия пластичных смазок обеспечивается тем, что смазки хорошо удерживаются в зазоре между трущимися поверхностями, образуя на поверхности металла граничные слои, иногда вызывают адсорбционное понижение твердости, а в случае присутствия химических активных присадок возникает при трении химичес-. кое модифицирование поверхностей. Благодаря хорошим вязкостго-скоро-стным и вязкостно-температурным свойствам пластичные смазки широко применяются при различных температурах, скоростях и нагрузках.

Анализ показывает, что разработка пластичных смазок, обеспечивающих работу узлов трения в заданных условиях эксплуатации, долк-на базироваться на комплексных исследованиях взаимосвязанных параметров, определяющих работоспособность смазок в узлах трения. Принципиальное значение имеет физико-химические и реологические свойства.

Во второй главе проанализированы процессы возникновения и развития заедания для катящихся со скольжением деталей машин, работающих при малых и больших скоростях. Рассмотрены механизм заедания, теоретические модели для прогнозирования стойкости трущихся деталей к заеданию. Проанализировано состояние контакта с пластичной смазкой, сформулированы основные цели и.задачи исследования.

В результате анализа работ, посвященных процессам возникновения и развития заедания, выполненных Хрущовым М.М., Семеновым А.П., Айнбиндером С.Б., Виноградовым В.Г., Петрусевачем А. И., Генкиным М.Д., Крагельским И.В., Дроздовым Ю.Н., Матвеевским P.M., Климовым К.И., Подольским Ю.Я., Буяновским И.А., Блоком X., Ниманом Г.,0лме-ном И.О., Ямамото Я и др. установлено, что отсутствие универсальной теории и общего метода расчета на задир привело к появлению и распространению нескольких подходов, обьяснявдих первопричины возникновения схватывания, что, в свою очередь, предопределило разнообразие критериев заедания,.базирующихся на различных гипотезах. Стремление исследователей повысить точность расчета на задлр привело к появлению целой группы методов оценки противозадирной стойкости, В результате были разработаны основные критерии, базирующиеся на соотношениях температурных и силовых факторов, на сочетании контактно-гидродинамических и физико-химических процессов.

Расчетным критерием заедания называется функция от ряда пере- ■

- ? -

менных рабочих параметров, влияющих на заедание. При этом предполагают, что при достижении этой функцией критического значения происходит заедание поверхностей. Анализ расчетных критериев для определения противозадирной стойкости катящихся со скольжением тел показал, что условия возникновения заедания определяются соотношением величин коэффициента трения, контактной нагрузки, скорости скольжения и качения, а также зависят от теплофизических характеристик материалов трущихся поверхностей, физико-химических и реологических характеристик смазочного материала. Однако имеющиеся методы расчета на задир не учитывают специфику работы пластичных смазок - временного фактора. Установлено, что работоспособность узлов трения, смазываемых ПСМ, обратно пропорциональна скорости расхода (сраба-тываемости) смазок. Под расходом (срабатываемостью) смазочного материала в узле трения понимается совокупность превращений исходного смазочного материала в конечные продукты (твердые, жидкие, газообразные), не способные выполнять смазывание. Эти процессы, протекающие в пластичной смазке, необратимы. К.И.Климов показал, что заедание контактирующих поверхностей, смазываемых ПСМ, наступает тогда, когда скорость разложения смазки под действием внешних факторов (нагрузки, скорости, температуры в контакте и др.) становится равной или большей скорости поступления (подпитки) смазочного материала в зону контакта. В процессе трения ПСМ срабатывается, происходит необратимый расход смазочного материала. В результате этих процессов разрушается смазочная пленка (восстановить которую, в отличие от масляной пленки, невозможно), разделяющая металлические поверхности от непосредственного контакта. Наступление процесса заедание в парах трения о пластичной смазкой считается предельным сос-

тоянием контакта и в дальнейшей используется как критерий работоспособности. При этом растет доля металлического контакта деталей и коэффициент трения скольжения, разрушаются трущиеся поверхности.

Третья глава посвящена разработке методов исследований три-бологических характеристик ПСЫ. Выбраны объеты исследования, физические методы изучения структуры поверхностей трения и смазочных материалов, разработано экспериментальное оборудование и метрологическое обеспечение.

Для исследования трибологических характеристик контакта катящихся со скольжением тел, смазываемых ПСМ, была разработана комплексная методика, позволяющая:

- изучать в ускоренном режиме антифракционные и прстивозадир-ные свойства испытуемых пластичных смазок;

- получать характеристики временных параметров микроконтакта (а/ - количество микроконтактов, - процент металлического контакта), с помощью электрофизического метода испытаний, с применением сигналов от внешних источников тока и с последующей оценкой переходного сопротивления контакта, его частотных характеристик;

- изучать изменения состава ПСМ в результате эксплуатации с помощью методики, предназначенной для определения степени трибохими-ческих превращений компонентов пластичных смазок - тонкослойная хроматография (ТСХ);

- анализировать состояние поверхности металла трущегося тела, изучать влияние смазок с помощью метода рентгеноструктурного анализа поверхностей трения (метод скользящего пучка рентгеновских лучей).

В качестве испытуемых смазочных материалов были выбраны пластичные смазки с разными дисперсионными средами (кремнийорганические

жидкости, углеводородные масла, сложные зфиры и их композиции), с разными загустителями (литиевые, кальциевые.натриевые и другие мыла, пигменты), с разными присадками, добавками и большой разницей динамической вязкости (= 20 * 200 Па«с, при градиенте скорости сдвига = 10 с-1 и при температуре Т= 20°С). Эксперименты проводились на роликах, изготовленных из стали 40Х диаметром

d. = 40 мм и шириной & = 5 мм, приведзнныйрадиус кривизны роликов Rпр = 10 мм.

Исследования проводились на модернизированной роликовой машине трзния, нагрузочно-скоростные параметры которой соответствовали диапазону эксплуатационных режимов, например, тяжелонагруженных, тихоходных губчатых передач, а регистрация параметров испытаний' осуществлялась с помощью специально разработанного измерительного комплекса.

В четвертой главе описаны результаты исследований параметров трения, физико-химических свойств ПСМ и поверхностей трения твердых тел.

Результаты исследования коэффициента трения скольжения показали, что увеличение твердости образцов (роликов) с HRC 30 до НЕС 55 приводит к росту коэффициента трения (/ ). а при переходе от грубой поверхности образцов ( Ra = 1.6 мкм) к более гладкой (fta = = 0.032 мкм) £ - уменьшается. Установлено, что в исследуемом диапазоне изменения контактных параметров (скорость скольжения 0.05*5 ^Vck ^ 0.5 м/с; суммарная скорость качения 0.5^/zk ^ 4.25 м/с; погонная нагрузка 8*10^^ Рп =S 2*10^ Н/м) имеет место возрастающая ветвь кривой J? Vck), а максимум коэффициента трения наблюдается при Vck 0.5 м/с. Увеличение суммарной скорости

качения уменьшает £ . Изменение погонной нагрузки в диапазоне (0.8 + 2)«10^ Н/м приводит к увеличению коэффициента трения. Эта тенденция наблюдается у всех испытанных смазок. Установлено, что средняя поверхностная температура трущихся роликов, которая измерялась с помощью съемного термодатчика, представляющего собой полупроводниковый терморезистор, при заедании не превышала Полученные результаты показывают, что характер изменения зависимостей коэффициента трения ПСМ от контактных параметров, от твердости и шероховатости рабочих поверхностей трущихся тел одинаковы и аналогичен характеру изменения £ при использовании жидких масел. Эксперименты позволили выбрать из каждой группы ПСМ (по дисперсионным средам) по одной смазки, у которой лучшие показатели (низкий £ и высокая работоспособность). Этими смазками оказались ОКБ-122-7 (кремнийорганические жидкости), Эра (углеводородные масла), Атланта (сложные эфиры). Установлено, что влияние дисперсионной среды на £ является определяющим; — £ располагается следующим образом: кремний -органические жидкости •«= углеводородные масла -с эфиры.

Полученные зависимости временных параметров микроконтакта показывают , что характер изменения параметров л/ и аналогичен характеру изменения £ , и с помощью этих параметров можно более полно характеризовать смазочный материал. Установлено, что временные параметра являются более чувствительными критериями для определения начала заедания трущихся роликов, чем изменения ^Г . В этом мохно убедиться, сравнивая кинетику временных параметров с изменением £ (рис.1.5. Как видно из рис.1 в процессе приработки (участок15 происходит снижение Я и^/ (одновременно уменьшается и ^ ). Участок П характеризуется стабильными значениями всех параметров, после чего

Рис. I. Кинетика временных параметров и коэффициента трения скольжения при смазке СКБ-122-7: Уск = 0.3 м/с, Угк = С.75 м/с, Рп = 1.2-Ю5 Н/м, Иа » 0.125 мкн, НВД 30.

замечается рост А/ (участок Ш), свидетельствующие о начале

заедания. В это время £ изменяется весьма незначительно и судить о наступлении начала заедания по ^ нельзя. При наступлении задира (участок 1У) продолжает расти V/ , а а/ падает. Уменьшение количества микроконтактов объясняется тем, что микронеровности перерастают в большие по размеру контакты в контуре площади контакта, наступает сплошной металлический контакт, следовательно, увеличиваются время контактирования и процент металлического контакта.

В результате исследований изменения состава смазочного материала в процессе трения установлено, что существует прямая взаимосвязь между степенью срабатывания дисперсионных сред ПСМ (параметр оС ) и их работоспособностью. Это подтверждают кинетические кривые степени срабатывания дисперсионных сред смазок ОКБ-122-7, Эра, Атланта, приведенные на рис.2. Как видно из рис.2, полученные кинетические кривые, характеризующие расход дисперсионной среда во времени, нелинейны, но могут быть условно преобразованы в несколько прямолинейных участка. По первому участку (период приработки) можно сказать, что чем больше работоспособность смазок, тем меньше степень срабатывания дисперсионной среды. Анализ кинетических зависимостей степени срабатывания, роста металлического контакта и коэффициента трения (рис.3) показывает, что с помощью сС можно заранее судить о наступлении заедания. Еще задолго до возрастания и тем более $ наблюдается резкое увеличение степени срабатыг чия. Но учитывая трудоемкость оп-редения и отбор микропроб смазки после остановки эксперимента, этот метод (определение начала заедания с помощью Л) мало удобен при исследовании предельной работоспособности смазок в процессе испытаний. Но он дает возможность проводить ускоренную оценку работо-

40

2 О

О

О 200 Ч00 600 800 юоо ■ £ ман

Рис» 2. линетика степени срабатывания дисперсионных сред смазок: I - ОКБ-122-7, 2 - Эра. 3 - Атланта (при

Уск - 0.3 м/с. Угк - 0.75 м/с. Рп - 1.2.Ю5 Н/м.

НЛО 30, Ка " 0.125 мкм).

Ш 3

г

¡00 80

6 с 40 20 О

- 012 - ОМ 0.08 ь аоб

0.0 Ч

№I

50 Цо 30 Ю /о о

\х/ / /—

/ / • /

/ /

"Г/ > -хп /

V6 I 1 т

йоо

&00

1000

I,

О 2 оо чоо

Рис. 3. Кинетика степени срабатывания, коэффициента трения, процента металлического контакта смазки ОКБ-122-7

(при Уск • 0.3 м/с.>/*к • 0.75 м/с. Рп ■ 1.2-105 Н/м. Н«С 30.

Яа - С.125 мкм).

мин,

способности ПСМ после 1/4 части об чей продолжительности работы смазок. Сопоставления полученных зависимостей степени срабатывания от контактных параметров (рис.4) с аналогичным зависимостями коэффициента трения и временных параметров показывает, что характер изменения «6 совпадает с характером изменения указанных параметров. Следовательно, степень срабатывания дисперсионной среды ПСМ подтверждает известный вывод о том, что является одним из критериев качественной и количественной оценки работоспособности смазочного материала при качении со скольжением тел.

Результаты исследований работоспособности контакта с ПСМ по критерию задира показывают, что увеличение твердости образцов с ЖС 30 до ШС 55 снижает работоспособность всех испытанных смазок (рис. 5). Характер изменения работоспособности (которая оценивалась как по времени ( Тзадир) ,так и по числу циклов нагружений ( л/ц) до наступления задира,для всех смазок одинаков. Полученная зависимость ¿задир =^(йа) выделяется существенно немонотонньм характером изменения (рис.6). При переходе от грубой поверхности образцов (1?а»1.б «¿км) к более гладкой (Еа» 0.125 мкм) работоспособность растет,достигая максимального значения. Переход к более гладкой поверхности (Ра = 0.032 мкм) характеризу-тся резким снижением работоспособности. Такая тенденция наблюдается у всех испытанных ¡1СМ. Получилось, что исходняяшероховатость и твердость рабочих поверхностей тр.уцихся роликов, при которых смазки имели максимальную работоспособность соответствовали Ва > 0.125 мкм и НЕС 30.

Анализ зависимостей работоспособности по задиру от контактных параметров показывает, что увеличение скорости скольжения и погонной нагрузки приводят к снижению 2задир. С увеличением суммарной скорости качения работоспособность растет^ Установлено,что харак-

30

2 о

ю

О

0 0.1 0% 0.3 0.Ц 0.5 \/ек,7с

1-1-1-I-1-1-1 Ч/ м/

03 4 5 0 7 0.9 1Л 1.3 Л?

I_I_I-I-1-1_I у и,

05" 0.8 1.1 1.4 1.7 2.0 Я», *Ю

Рис. ч. Зависимость степени срабатывания смазки ОлБ-1<!^-7 от контактных параметров при Яа • ^.[¿Ь нкм, НЙС 30, £ • 350 мин.

А - от скорости скопления ^Уск): при Ухк • 0.75 к/с,

Рп - 1..МС5 Н/м;

¿ - от суммарной схсрссти качения Л/«): при Уск - С.З м/с,

Рп ■ 1.2-Ю5 Н/м;

3 - от погомноя нагрузки (Рп): при \/ск • 0.3 м/с,

Уек - С.75 м/с.

СуОф^, ним.

12оо

8оо

Чоо

ч V Л- Л

< к Ч

N 7 >

ь ч Ч I—

25 35 55

л/«. * ю

з •

1 - ОКБ-122-7;

2 - Зра;

3 - Атланта.

НАС

Рис. 5. Влияние твердости рабочих поверхностей трущихся тел на работоспособность по задиру:-при- Ус к." 0.3 м/с,\&к ■ 0.75 м/с, Рп - 1.2-Ю5 Н/и, Ка ■ 0.125 ики.

{у^Оь^и^, МиЧ

Цоо 800

Чоо О

1 А А

/

А - г (

0.4

0.8

а/«

М Ла,

Рис. 6. Влияние шероховатости рабочих поверхностей трущихся тел на работоспособность по задиру: при Уск " С.З м/с. Ухк » 0.75 м/с. Рп = 1.2-Ю5 а/и. НЕС 30.

I - ОКБ-122-7; 2 - Зра; 3 - Атланта.

т

тер изменения о задир всех испытанных смазок в зависимости от контактных параметров одинаков, независимо от загустителей и присадок, и задир располагается следующим образом: кремнийорганичес-к~ге жидкости • > углеводородные масла' >- эфири.

Исследования структур поверхностей металла при использовании разных ПСМ показывает, что после трения стальных роликов со смазками Эра и Атланта наблюдается существенное уменьшение ушрения рентгеновских линий по глубине поверхностных слоев (разупрочнение зоны' деформации) по сравнению с исходным состоянием стали, а трение со смазкой ОКБ-122-7, наоборот, сопровождается значительным увеличением $ (220) (УпР°чнением поверхностных слоев), что и является одной из причин различия работоспособности этих смазок (рис.7).

В пятой главе представлена статистическая обработка результатов экспериментов. Получены расчетные зависимости для оценки коэффициента трения скольжения и ресурса ПОЛ до возникновения заедания. Представлено сопоставление модельных и натурных (зубчатые передачи) результатов. Рассмотрена возможность проведения ускоренных испытаний. Показаны примеры внедрения полученных результатов.

На основе обобщения физических закономерностей процесса заедания, экспериментальных данных, аппарата теории подобия и анализа размерностей получена расчетная зависимость дня определения козффи-

где КО.. _ критерий, характеризугщий микро- и маирогеомет-рию контакта пар трения;

В '10*

J(Ho) pa.)

20

IS

iO

1 1 i %Ч б. а I Ю.О

ъ ) Чг

—

к Ф

5

2? 2

.мм

ta7S с учетом шкро rtOM-trputC

1 - до трения (исходное сос-

тояние) ;

2 - поело трения со смазкой

Эра;

3 - со смазкой Атланта;

4 - со смазкой ОКБ-122-7.

Рас. 7. Изменение {Ъзмчсского уаяреиаа рентгеновски* линии v.220) по мубмне поверхностных слоев до в после трения с разными сказками:

HSC 30. Еь " c.«t мки, Vcs » С.З н/с. Vss • ь.75 и/с, Рп » i.2-105 Н/м.

Рп

\/ск

Угк

- контактно-гидродинамический критерий, характеризующий несущую способность контакта;

- кинематический критерий, характеризующий относительное движение контактирующих тел;

- критерий, учитывающий механические свойства тел. Здесь ^и - динамическая вязкость ПСМ, Па»с; —твердость по Бринеллю; Е«/>- приведенный модуль упругости материалов трущихся тел.МПа. Обработкой экспериментальных данных по методу наименьших квадратов с использованием ЭВМ получены: А = 1.15, а = $ = 0.35, с = 0.27,

с1 » 0.39. Коэффициент корреляции - Я = 0.97, коэффициент вариации -\Х/ - 9.4%.

Для получения расчетной зависимости ресурса ПСМ (до возникновения заедания) была использована структура уравнения термофлуктуацион-ной теории прочности:

где £ - время контактного взаимодействия, Сн - контактное нормальное напряжение, Т - абсолютная температура, 1Хо~ энергия активации или энергия межатомной связи, £0 - период колебаний атомов в решетке (Ю-*2 + 10~^с ), К - постоянная Больцмана, - структурный коэффициент.

Преобразовав уравнение (2), заменяя при этом постоянную Больцмана (К) на универсальную газовую постоянную (Я), можно получить:

А=тргг ' • ад

Здесь Сн - контактное напряжение, вычисляемое по Герцу, Тк -температура контакта . где То - начальная темпера-

тура поверхностей трущихся тел до входа в контакт, 0 - мгновенное повышение температуры в контакте (температурная вспышка), которая определяется (при условии равенства начальных температур тел) по формуле Блока.

Для получения значений (Xо и У использован способ вычесле-ния путем графических построений. С целью определения Но и V использовались экспериментальные результаты зависимости работоспособности (до возникновения заедания) разных типов ПСМ от контактного напряжения ^*задир =^((Гн) (рис.8). Путем экстраполяции значения Х.Г) - при 67/ = 0 можно найти значение А, а значение В

/

является величиной, равной тангенсу угла (об. ) наклона прямой зависимости •¿п^^г^- (Сн) (А и В коэффициенты основного уравнения (3)). Получая коэффициенты А и В из (4) можно найти для каждой смазки:

■Ц,«М-Тк; У'В-АТ«

Безразиврный комплекс ( ' ) учитывает термофлуктуацион-

ную природу процесса разрушения смазки. Здесь ¿¿акт. - анергия активации процесса разрушения химических связей смазки при Тк:

Имт.-^о-ХСн

Критериальное выражение для расчета работоспособности контакта с ПСМ имеет вид:

А

< ч ОКБ-/ 22-?(1

с. /

'¿5 ^ ! ЭРА / IV

—. Г А тлянт Я(3)

100

чоо

ш

8 оо

IООО

Си^ппл

Рис. 6. Схема определения коэффициентов А и 13 (уравнения О)).

где л/цикл^ - число циклов нагружений опережающего тела при'качении со скольжением (долговечность).

Имея л/цикл^ можно найти число циклов нагружений отстающего

тела:

Л/циКА2 ~ Ц '

У)! <7/ Vt_.ni

где ¿с - передаточное число и, - '

Уч

Обработкой экспериментальных данных получены: А = 2.15*104, а = 0.24, 4> = 0.83, С = 0.71, с/ = 0.41, е = 0.82. Коэффициент корреляции - Я = 0.94, коэффициент вариации \Х/=10.2$.

Полученные расчетные зависимости (1) и (5) проверены в диапазоне:

8*104^ Рп;= 2-Ю5 Н/м; 0.05 =5 V™ 0.5 м/с; 0.5гУ*кг£

25м/с; 20== ^^ 200 Па-с; 500= 900 МПа; 3000 НВ== 5500МПа; 3.2.]Ь~8=£ 1.6'10~6м (для (1)); 1.25«Ю"7=е- Яа == 1.6'10"6м (для (5)). ~ ■

С целью проверки достоверности полученных результатов, описывающих трибологические характеристики контакта твердых тел (в паре трения "ролик-ролик"), смазываемых с ПСМ, а также правомерности расчетных зависимостей (1) и (5) и их использования, например, в зубчатой паре,было проведено сопоставление с результатами, полученными на зубчатых передачах*..

* В.И.Егоров и др.//Вестник машиностроения. - 1987, № 4, С.16 - 18.

Для оценки адекватности результатов, полученных на стенде с эвольвентной зубчатой парой, нами была проведена серия экспериментов (пара трения "ролик-ролик") с пластичной смазкой ЦИАТИМ -201.

На рис.9 показана зависимость ресурса - числа циклов нагруже-ний от контактного дагления. Как видно из кривых рис.9, при равных контактных давлениях и скоростях задир на роликовой паре наступает при числе циклов нагружений меньшем (кривая 2), чем на зубчаток паре (кривая 1).

На рис.10 показана зависимость пути трения до задира от контактного давления. Расхождение в пути трения до задира роликовых • (кривая 2) и зубчатых (кривая 1) пар при равных контактных давлениях относительно меньше, чем в числе циклов нагружений до задира.

Главной причиной расхождения результатов (различие в ресурсах), полученных на зубчатой передаче и роликовой аналогии, связана с наличием дополнительных "резервуаров" (карманов) смазки в зубчатых колесах. Смазка, благодаря своим реологическим свойствам, имеет возможность поступать из "резервуара" (впадины между зубьями) в рабочий контакт, что и обеспечивает повышенный ресурс на зубчатой паре.

Следовательно, конструкции узлов трения с пластичной смазкой должны иметь возможность реализовать дополнительные объемы смазочного материала, повышающих ресурс и надежность механизмов.

Исходя из вышеизложенного можно заключить, что результаты полученные нами на паре трения "ролик-ролик" дают качественную корреляцию с результатами на зубчатой паре.

3 процессе проведения данной диссертационной работы были по-

л/цахл ¿0 е

10

Ю

1

/ 2 г —

500

600

т оо

800

300 <Гк, МПа Рис. 9. Зависимость ресурса (число циклов нагружений) по

задиру от контактного давления (смазка Ш5АТК.Ч-2С1):

I - зубчатая пара*"; 2 - роликовая пара.

1 - зубчатая пара*; 2 - роликовая пара.

- ¿.Я. Егоров и др. // ¿¿естник мааиностроения. - 1907. В. С.16-10.

лучены как результаты непосредственно внедренные в некоторые области техники, использующих пластичные смазочные материалы, так и научные результаты, имеющие определенную ценность для создателей смазочных: материалов.

Примерами использования результатов данной работы являются применение полученных экспериментальных закономерностей и расчетных зависимостей в ВНИИ по переработке нефти (ВНИИ НП), авиационном научно-промышленном комплексе "ОКБ СУХОГО", Гюмрийском заводе шлифовальных станков, Гюмрийском ПО по выпуску КПО (кузнечно-прессового оборудования).

На основании проведенных исследований рекомендована область применения смазки' Атланта. Данная рекомендация нашла отражение в отраслевом стандарте КБ им.Сухого "Смазки пластичные. Ограничительный перечень и порядок назначения. Классификация узлов трения".

Предложенная комплексная методика для проведения ускоренных испытаний с целью оценки работоспособности тяжелонагруженных, тихоходных механизмов и трибологической эффективности пластичных смазок использована при разработке новой смазки ВНИИ НП - 552. Смазка прошла первый этап испытаний с положительным результатом, внедрена в опытно-промышленное производство. Государственной межведомтсвенной комиссией по испытинию топлив, масел, смазок и специальных жидкостей при госстандарте РФ смазка ВНИИ НП - 552 рекомендована на второй этап испытаний в узлах трения вертолетов. Внедрение смазки ВНИИ НП - 552 в узлах трения вертолетов значительно увеличит срок их эксплуатации при одноразовой заправке.

Разработанная комплексная методика для оценки трибологических характеристик контакта катящихся со скольжением тел, смазываемых

ПСМ была использована в ГЗШС (Гюмрийский завод шлифовальных станков) с целью оптимального подбора смазочных материалов для коробок передач универсальных круглошлифовальных станков ЗУ12УВФ10, ЗУ12УВФ11 и ножовочных автоматов с дуговой траекторией движения инструмента 8А725. Полученные расчетные зависимости дали возможность прогнозировать работоспособность узлов трения указанных станков на стадии проектирования.

Результаты диссертационной работы были использованы также в Гкзмрийском ПО по выпуску КПО для прессов ВД2124К, КД2324К с усилием 25 т.е. и для пресс-комплекса АККД2124Е - 07.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ

1. Анализом установлено, что для оценки противозадирной стойкости тяжелонагруженных, тихоходных механизмов, смазываемых ПСМ, необходимо создать методы, учитывающие специфику работы пластичных смазок и процессы, протекающие в контакте при качении со скольжением тел. Модернизация роликовой машины трения, использование электроконтактного метода, современной метрологической аппратуры позволили создать комплексную методику испытаний, получить необходимую точность и информативность (А.с.№ 1772686, A.c. № 1783373).

2. На основании обобщения опыта, экспериментально-теоретических исследований ПСМ, применяемых в тяжелонагруженных, тихоходных механизмах, получены зависимости коэффициента трения {£ ), временных параметров микроконтактов (л/ ), степени срабатывания дисперсионных сред смазок (сL ), работоспособности (до возникновения заедания) ( *ЕГзадир) от контактных параметров, температуры, твердости и Еероховатости рабочих поверхностей трущихся тел. Результаты пока-

зывают, что:

- характер изменения^* при ПИ аналогичен характеру изменения £ при использовании жидких масел;

- характер изменения параметров // и W аналогичен характеру • изменения ;

- влияние температуры на/ и на L задир проявляется через изменение вязкости дисперсионной среды.

3. Регистрируемые временные параметры микроконтахта являются более чувствительными критериями для определения начала заедания трущихся роликовых образцов, чем изменения J? , и дают возможность получить более информативную картину процесса заедания:

- с^-цествует прямая взаимосвязь между степенью срабатывания дисперсионных сред смазок и их работоспособностью;

- характер потери работоспособности всех исследованных смазск практически одинаков;

- твердость и шероховатость рабочих поверхностей труцихся образцов, при которых смазки имели максимальную работоспособность

и минимальный £ . , являются соответственно HSC 30 и Sa = 0.125 мкм.

4. После трения стальных роликов со смазками Зра и Атланта наблюдается существенное уменьшение уширения рентгеновских линий по глубине поверхностных слоев (разупрочнение зоны деформации)по сравнению с исходным состоянием стали, а при трении со смазкой ОКБ -

- 122-7, наоборот, возникает значительное увеличение ^(220) ''/п~ рочнение поверхностных слоев), что и является одной из причин различия работоспособности контакта с указанными смазочными материалами.

5. На основе анализа физических закономерностей процесса заедания, экспериментальных данных,с использованием аппарата теории гсдсбп

и анализа размерностей получены расчетные зависимости (составленные из безразмерных критериев, характеризующих различные физико-механические явления) - для коэффициента трения скольжения и работоспособности ПСМ (до возникновения заедания).

6. Показано удовлетворительное совпадение значений ¿¿акт (энергия активации процесса разрушения химических связей) ряда пластичных смазок, полученных на роликовом стенде и на ПТМ (пятишарико-вая машина трения).

7. Предложена комплексная методика для проведения ускоренных исследований с целью оценки работоспособности тяжелонагруженных, тихоходных катящихся оо скольжением тел, смазываемых ПСМ. Методика весьма эффективна для создания новых видов пластичных смазочных материалов благодаря возможности ускоренной оценки Влияния различных компонентов смазки и условий контактирования на трение и ресурс (по заеданию).

. Результаты работы внедрены в ВНИИ по переработке нефти (ВНИИ НП), авиационном научно-промышленном комплексе "ОКБ СУХОГО", ВНИИ медицинского приборостроения (ВНИИМП), Рюмрийском ПО по выпуску КПО, Гюмрийском заводе шлифовальных станков, что подтверждено соответствующими документами.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Дроздов Ю.Н., Смирнов Н.И., Мугнецян С.Ф. Прибор электро-кантактной диагностики узлов трения /В сб.труд. Воесоюзн. науч.тех. конф. "Современные проблемы триботехнологии". - Николаев, 1988. С. 278 279.

2. Дроздов Ю.Н., Смирнов Н.И., Мугнецян С.О.,.Универсальный измеритель коэффициента трения //Заводская лаборатория. 1989, № 10, С.66 - 68.

3. Смирнов Н.И., Мугнецян С.Ф. Стенд'для модельного исследования-пластичных смааок на долговечность по задиру //Вестник машиностроения. 1989, (? 11, С. 25 - 26.

4. Мугнецян С.Ф. Исследование антифрикционных свойств пластичных смазок /В сб.труд. ХП юбилейной конф. молодых ученых ИМАШ "Актуальные проблемы машиноведения". - Москва, 1989. С. 54.

5. Дроздов Ю.Н., Смирнов Н.И., Мугнецян С.Ф. Исследование работоспособности пластичных сказочных материалов/В сб. труд. 4-ой науч-но-тех. конф."Триботехника - машиностроению". - Москва, 1989. С.74.

6. Смирнов Н.Т., Дроздов Ю.Н., Мугнецян С.Ф. Автоматизированный стенд для трибоиспытаний пластичных смазочных материалов /В сб. труд. Всесоюз. научно-тех. конф. "Триботехнические испытания в проблеме контроля качества материалов и конструкций". - Рыбинск, 1989. С. 125 - 126. . . *

7. Мугнецян С.Ф., Смирнов Н.И., Коэффициент трения скольжения при использовании пластичных смазок //Трение и износ. 1991. Т. 12, № 6, С. 1078 - 1082.

8. Дроздов Ю.Н., Смирнов Н.И., Мугнецян С.Ф. Долговечность зубчатых передач с пластичными смазочными материалами /В сб. труд. 5-ой научно-тех. конф. "Триботехника - машиностроению". - Н.Новгород. 1991. С. 3.

9. Мугнёцян С.Ф. Комплексный метод оценки работоспособности пластичных смазочных материалов (ПСМ) /В сб. труд. 5-ой научно-тех. конф. "Триботехника - машиностроению". - Н.Новгород, 1991. С. 171 - 172.

10. Дроздов Ю.Н., Смирнов Н.И., Мугнецян С.Ф. Трение и толщина смазочного слоя в тяжелонагруженном контакте, с пластичной смазкой /В cö. труд. 5-ой Всесоюз. конф. "Контактная гидродинамика". -Самара. 1991. С. 5.

11. Мугнецян С.Ф., Дроздов Ю.Н., Смирнов Н.И. Антифрикционные свойства смазочных материалов при качении со скольжением /В сб. труд. 5-ой Всесоюз. научно-тех. конф. "Пластичные смазки". - Бердянск. 1991. С. 82 - 83.

12. Дроздов Ю.Н., Мугнецян С.Ф. Состояние поверхностных слоев катящихся со скольжением стальных роликов при трении с пластичной смазкой //Вестник машиностроения. 1993. f? 1, С. 11 - 13.

13. A.c. (? 1772686(СССР) Нагрузочно-уравновешивающий блок держателя образца машины трения //Ю.Н.Дроздов, Н.И.Смирнов, С.Ф.Мугнецян - . Опубл. в Б.И.. 1992, № 40.

14. A.c. №1783373 (СССР) Устройство для исследования материалов и смазывающих масел на трение и износ //Ю.Н.Дроздов, Н.И.Смирнов, С.Ф.Мугнецян -...Опубл. в Б.И. 1992, № 47.

ИМАШ РАН.Зак.й 63.Тираж 110 экз. Подл.в печать 24.С5.93.