Оцінка параметрів мастильного матеріалу в умовах масляного голодування трибоконтакту

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Національний авіаційний університет

Оцінка параметрів мастильного матеріалу в умовах масляного голодування трибоконтакту

Р.Г. Мнацаканов

О.О Мікосянчик

О.Є. Якобчук

А.М. Хімко

Анотація

Проаналізована кінетика зміни триботехнічних властивостей літієвих мастил в умовах масляного голодування. Встановлено зниження несучої здатності граничних шарів та їх антифрикційних властивостей з підвищенням контактного навантаження з 250 до 700 МПа, що обумовлено зростанням градієнту швидкості зсуву, підвищення якого призводить до інтенсифікації прояву перших ознак схоплювання в триботехнічному контакті. Визначено взаємозв'язок між ступенем порушення самоорганізації дисипативних структур і питомою роботою тертя.

Ключові слова: літієве мастило, товщина мастильного шару, коефіцієнт тертя, питома робота тертя.

Основна частина

Вступ. Руйнування граничних мастильних шарів при терті відбувається при критичному тиску в контакті. Управління процесами поверхневої активності контактних поверхонь в процесі їх активації при терті, застосування мастильного матеріалу з поверхнево-активними речовинами, протизношувальними і протизадирними присадками, антифрикційними добавками може забезпечити значне підвищення критичного тиску і початкової температури руйнування граничного шару і вторинних структур, що сприятиме подовженню терміну експлуатації пар тертя.

Вплив граничних змащувальних шарів на триботехнічні властивості контакту. У роботах [1; 2] досліджено, що існує оптимальний діапазон прояву ефективних мастильних властивостей при формуванні плівки мастильним матеріалом на контактних поверхнях, який залежить від зовнішніх факторів і міцно с - ті зчеплення плівки по відношенню до поверхні. Дослідження структуризації граничних плівок мастильного матеріалу показали, що на швидкість протікання окислювальних реакцій і полімеризаційних процесів істотно впливає поверхня елементів трибоспряжень, яка є складовою частиною системи тертя [3; 4]. Процесу структуризації мастильного матеріалу сприяє також введення в нього присадок, що підвищують протизношувальні властивості мастильних матеріалів, що зумовлено утворенням полімолекулярних мезоморфних епітропно-рідкокристалічних структур [5; 6].

На природу сформованих граничних плівок мастильного матеріалу істотний вплив також надають умови роботи триботехнічних елементів. В роботі [7] встановлено закономірності формування на контактних поверхнях граничних шарів фізичної природи, які характеризуються ідентичністю реологічних властивостей з об'ємною рідкою фазою мастильного матеріалу в умовах кочення з проковзуванням 3%. Однак, при збільшенні ступеня проковзування з 10 до 40% створюються передумови для формування на поверхнях тертя хемосорбційних плівок.

В роботі [8] проаналізовані трибологічні властивості сухого, рідинного та граничного режимів мащення. Показано, що при сухому терті з ростом частоти зовнішнього періодичного впливу в залежності координати нижнього блоку тертя від часу зменшується кількість гармонік, поки при перевищенні граничної частоти не настає повне прилипання поверхонь, після чого вони рухаються як єдине ціле. У гідродинамічному випадку проаналізовані характеристики пари тертя з мастильним матеріалом, що характеризується властивостями ньютонівської рідини, а також псевдопластичних і ділатантних неньютонівських рідин. Встановлено, що псевдопластичні рідини і гранична плівка мастильного матеріалу в широкому діапазоні параметрів призводять до переривчастого режиму тертя, який є однією з основних причин руйнування деталей.

Між реологічними (зокрема в'язкістю v) і рідкокристалічними (товщиною граничного шару і ступенем орієнтаційної впорядкованості молекул) характеристиками моторної оливи існує кореляційна залежність, яка визначається експериментальним шляхом. Залежність v = f (d_sAn_cp) лінійна для діапазону швидкостей зсуву у (100, 150 с «¹). При збільшенні швидкостей зсуву запропонована залежність в'язкості носить експоненціальний характер. Збільшення швидкості зсуву призводить до зниження рідкокристалічних характеристик мастильного матеріалу і, як наслідок, до зниження в'язкості оливи в граничному змащувальному шарі. Це пояснюється «зрізанням» структурованих молекулярних шарів при підвищенні частоти обертання колінчастого валу, що призводить до зменшення несучої здатності масляної плівки [9].

Удосконалення контрольно"вимірювальних приладів забезпечує реальну можливість вперше досліджувати трибологічні процеси утворення дисипативних структур при терті на атомарному і молекулярному рівнях. Зокрема, комплекс SFA дозволяє вимірювати товщину плівки до 0,1 нм і фіксувати вкрай малі поверхневі сили [10]. Значні переваги даного комплексу дозволяють використовувати його в якості основного інструменту при дослідженні реологічних, мастильних і антифрикційних властивостей трибоконтакту на нанорівні.

Таким чином, виникає необхідність в розробці принципово нових методик оцінки кінетики зміни триботехнічних характеристик мастильних матеріалів. Впровадження автоматизованих методів і засобів контролю триботехнічних параметрів і випробування контактних поверхонь в реальному масштабі часу в р е - жимах, максимально наближених до експлуатаційних, є складовою частиною завдання щодо підвищення точності і достовірності при використанні отриманих експериментальних результатів в реальних вузлах тертя.

Мета дослідження - встановлення закономірностей кінетики зміни триботехнічних характеристик контакту в умовах роботи трибосистеми в режимі масляного голодування.

Методика визначення триботехнічних параметрів контакту. Експерименти проводилися на установці СМЦ-2 з реєстрацією показників трибоконтакту в режимі online. Момент тертя, частота обертів роликів, температура мастильного матеріалу, падіння напруги в змащувальному шарі в контакті записуються і обробляються на ПК (програмне забезпечення ProfiLab) в реальному масштабі часу з графічним зображенням їх змін.

Розроблена програма прийому даних по RS -232 каналу приймає коди сигналів для обчислення товщини мастильного шару, крутного моменту, частоти обертання зразків, об'ємної температури оливи. Прийняті коди надходять на програмний блок фільтрації і нормування, призначений для блокування помилково прийнятих сигналів, згладжування і перетворення кодів в реальні фізичні величини (рис. 1).

Рис. 1. Функціональна схема підпрограми «ПРИЙОМ»: RS-232 - послідовний канал прийому даних; БФН - програмний блок фільтрації і нормування вхідних сигналів; плотер-графічне представлення фізичних величин вхідних сигналів.

Досліджувані нестаціонарні умови тертя включають циклічність проведення експериментів в режимі запуск (4 с) - стаціонарна робота (7с) - гальмування (3 с) - зупинка (3 с). Відтворювався режим кочення з проковзуванням 20%.

Контактне напруження по Герцу становило 250, 400, 550 і 700 МПа. В перші 300 циклів напрацювання забезпечувався гідро - або еластогідродинамічний режим мащення, подальші дослідження проходили в умовах масляного голодування.

Досліджувані зразки виготовлені зі сталі 30ХГСА (HRC 35). Змазування поверхонь здійснювалося літієвими мастилами на синтетичній основі Aero Shell Grease 33 і Ера ВНІІНП - 286М.

Результати досліджень. В роботі представлені і проаналізовані результати досліджень тільки після 300 циклу напрацювання, при переході трибосистеми в режим масляного голодування. З підвищенням о_max з 250 до 700 МПа істотно знижується несуча здатність мастильного граничного шару, товщина якого зменшується в 15 і 3,5 раз при змазуванні поверхонь мастилами ВНІІНП - 286М і Aero Shell Grease 33 відповідно (рис. 2). Зниження товщини мастильного шару обумовлює, насамперед, кореляційне зменшення антифрикційних властивостей досліджуваних мастильних матеріалів. У досліджуваному діапазоні навантажень коефіцієнт тертя підвищується в 3,4 і 2,5 разів для мастил Ера ВНІІНП-286М і Aero Shell Grease 33 відповідно.

Рис. 2. Вплив контактного навантаження на товщину граничних мастильних шарів (h) та коефіцієнт тертя (f) в умовах масляного голодування: 1 - мастило Ера ВНІІНП-286М; 2 - мастило Aero Shell Grease 33.

працювання до прояву ознак схоплювання (N) в діапазоні 250 - 700 МПа

Перш за все, це забезпечується за рахунок локального руйнування структурованих граничних мастильних шарів, зменшення ефективної в'язкості мастила і проявом гідродинамічних ефектів при механічному і термічному плавленні плівки у фрикційному контакті [11].

Механічна деструкція граничних шарів відбувається внаслідок різкого підвищення градієнта швидкості зсуву мастильної плівки (у), який представляє відношення швидкості ковзання в контакті до товщини мастильної плівки. Якщо для мастила Ера ВНІІНП-286М з підвищенням навантаження з 250 до 700 МПа градієнт швидкості зсуву мастильних шарів збільшується в 20 разів, то для мастила Aero Shell Grease 33 даний параметр збільшується в 3,5 разів (рис. 3).

Отже, мастило Aero Shell Grease 33 характеризується більш ефективними змащувальними властивостями, а його синтетичні компоненти за реологічними характеристикам є більш стабільними до збільшення градієнта швидкості зсуву, в порівнянні з компонентами мастила Ера ВНІІНП -286М. Стійкість мастильної плівки до механічної деструкції внаслідок збільшення градієнта швидкості зсуву є визначальним фактором, що забезпечує нормальну працездатність пар тертя в критичних умовах. На рис. 3 вказано кількість циклів напрацювання трибоелементів в умовах масляного голодування до прояву перших ознак схоплювання, які проявлялися візуально на доріжці тертя, при цьому спостерігалося підвищення шуму і зупинка машини тертя. Аналіз отриманих результатів показує, що зі збільшенням навантаження різко скорочується період напрацювання трибосистеми - в досліджуваному діапазоні контактних навантажень працездатність пар тертя знижується в 15 і 9 разів відповідно при змазуванні контактних поверхонь Ера ВНІІНП-286М і Aero Shell Grease 33.

Руйнування мастильної плівки при терті є одним з провідних факторів, що обумовлює інтенсифікацію енергетичних процесів, що відбуваються в зоні контакту. Перш за все, це проявляється в порушенні структурної пристосованості контактних поверхонь і мастильного матеріалу в критичних умовах тертя, руйнуванням раніше утворених метастабільних структур. Перехід трибосистеми в термодинамічнонестійкий стан характеризується, перш за все, різкою активацією металу внаслідок концентрації напружень на локальних ділянках фрикційного контакту в місцях руйнування плівки мастильного матеріалу, що проявляється в підвищенні питомої роботи тертя.

При o_max 250 МПа, згідно з розрахунковою залежністю оцінки режиму мащення Л = h / R² + R², в контакті реалізується еластогідродинамічний (X = 3,13) і гідродинамічний (X = 5,83) режими мащення при використанні мастил Ера ВНІІНП-286М і Aero Shell Grease 33 відповідно. Отже, контактні поверхні розділені достатнім шаром мастильного матеріалу, що забезпечує локалізацію дотичних напружень зсуву в тонкому граничному шарі мастила, що сприяє зменшенню як зовнішніх силових впливів, так і поверхневої деформації тонких ш арів металу. Показники питомої роботи тертя (А_тр) складають, в середньому, 3200 і 1000 Дж/мм² при змазуванні пар тертя Ера ВНІІНП -286М і Aero Shell Grease 33 відповідно.

З підвищенням o_max до 700 МПа внаслідок різкого зменшення товщини мастильної плівки умови роботи трибосистеми відповідають напівсухому (X = 0,21) і граничному (X = 1,67) режимам мащення при дослідженні Ера ВНІІНП - 286М і Aero Shell Grease 33 відповідно. В таких умовах тертя інтенсифікуються механо-хімічні процеси в тонких поверхневих шарах металу, підвищується ступінь їх деформаційних змін. Зазначені процеси характеризуються нерівноважними кінетичними переходами трибосистеми, порушенням самоорганізації дисипативних структур, що призводить до збільшення питомої роботи тертя. При змащенні сталі мастилом Ера ВНІІНП-286М А_тр підвищується в 3 рази при збільшенні о _max з 250 до 700 МПа і становить 10000 Дж/мм² (рис. 4). Застосування синтетичного мастила Aero Shell Grease 33 сприяє зниженню питомої роботи тертя, в середньому, в 2 - 3 рази.

Рис. 4. Зміна питомої роботи тертя в контакті в умовах підвищення контактного навантаження

літієвий мастило антифрикційний трибоконтакт

Саме стабільність дисипативних структур при їх самоорганізації в динамічних умовах навантаження є визначальним фактором працездатності трибосистеми. Товщина мастильної плівки на рівні 1,5 - 3 мкм, що забезпечує еласто- і гідродинамічні режими мастильної дії, високі антифрикційні властивості (f в межах 0,01 - 0,015) і низька питома робота тертя (А_тр становить 1000 - 3200 Дж/мм²) при o_max 250 МПа забезпечують напрацювання трибосистеми в умовах масляного голодування в межах 300 - 900 циклів в залежності від типу мастильного матеріалу (рис. 3). З підвищенням o_max до 700 МПа, спостерігається зниження товщини мастильної плівки до 0,1 - 0,8 мкм, збільшення коефіцієнта тертя до 0,03 - 0,05, підвищення питомої роботи тертя до рівня 5000 - 10000 Дж/мм², що призводить до різкого скорочення циклів напрацювання трибосистеми - перші ознаки схоплювання, в залежності від типу мастила, проявляються на 20 - 100 циклах напрацювання.

Таким чином, тільки лише за рахунок раціонального вибору мастильного матеріалу (заміна мастила Ера ВНІІНП -286М на Aero Shell Grease 33) вдалося збільшити кількість циклів напрацювання трибосистеми до прояву перших ознак схоплювання в 3 і 5 разів відповідно при о_max 250 і 700 МПа.

Висновки

1. Встановлено кореляційне зниження товщини граничного шару в 15 і 3,5 раз та антифрикційних властивостей в 3,4 і 2,5 разів для мастил Ера ВНІІНП - 286М і Aero Shell Grease 33 відповідно з підвищенням контактного навантаження з 250 до 700 МПа.

2. Скорочення періоду циклів напрацювання пар тертя в 15 і 9 разів обумовлено збільшенням градієнту швидкості зсуву граничних плівок мастильного матеріалу в 20 та 3,5 разів відповідно при змазуванні контактних поверхонь Ера ВНІІНП-286М і Aero Shell Grease 33.

3. Руйнування мастильної плівки є одним з провідних факторів, що обумовлює інтенсифікацію енергетичних процесів в зоні контакту та призводить до схоплювання контактних поверхонь: з підвищенням контактного навантаження до 700 МПа встановлено зменшення товщини мастильної плівки, перехід трибо - системи в напівсухий або граничний режими мащення, збільшення питомої р о - боти тертя, скорочення циклів напрацювання в умовах кочення з проковзуванням до прояву перших ознак схоплювання.

Список літератури

1. Hsu S.M., Klaus E.E., Cheng H.S. A mechano-chemical descriptive model for wear under mixed lubrication conditions, Wear, 1988, Vol. 128, №3, P. 307-323.

2. Matveevsky R.M. Friction power as a criterion of seizure with sliding lubricated contact, Wear, 1992, Vol. 155, P. 1-5.

3. Lenahan P.M., Curry S.E. First observation of the (29) Si hyperfine spectra of silicon dangling bond centers in silicon nitride, Appl. Phys. Lett., 1990, Vol. 56, №157, P. 207.

4. Warren O.L., Graham J.F., Norton P.R. [et al.] Nanomechanical properties of films derived from zinc dialkyldithiophosphate, Tribology Letters, 1998, Vol. 4, P. 189-198.

5. Ермаков С.Ф. Трибология жидкокристаллических наноматериалов и систем, Минск: Беларус. навука, 2011, 380 с.

6. Буяновский И.А., Игнатьева З.В., Левченко В.А. [и др.] Ориентационная упорядоченность граничных слоев и смазочная способность масел, Трение и износ, 2008, Т. 29, №4, С. 375-381.

7. Mikosyanchyk O., Mnatsakanov R., Zaporozhets А., Kostynik R. Influence of the nature of boundary lubricating layers on adhesion component of friction coefficient under rolling conditions, Eastern-European Journal of Enterprise Technologies, 2016, 4/1 (82), Р. 24-31.

8. Ляшенко Я.А. Трибологические свойства режимов сухого, жидкостного и граничного трения / Я.А. Ляшенко // Журнал технической физики. - 2011. - Т. 81, №5. - С. 115-121.

9. Сагин С. В Исследование корреляционной взаимосвязи жидко-кристаллических свойств граничных смазочных слоев и реологических характеристик моторных масел судовых дизелей / С.В. Сагин // Судовые энергетические установки. - 2014 - №33. - С. 67-76.

10. Israelachvili J. Adhesion forces between surfaces in liquids and condensable vapours, Surface Science Reports, 1992, Vol. 14, №3, P. 109-159.

11. Ляшенко Я.А., Хоменко А.В., Метлов Л.С. Феноменологическая теория плавления тонкой пленки смазки между двумя атомарногладкими твердыми поверхностями / Я.А. Ляшенко, А.В. Хоменко, Л.С. Метлов // Журнал технической физики. - 2010. - Т. 80, №8. - С. 120-126.

Размещено на Allbest.ru