CC BY
68
V.Y. Anzev, E.A. Chernecova
The paper reveals the results of structural and functional modeling of contract analysis, which set the basis for creation of a model of managerial procedures while preparing and making contracts on lifting machines production.
Key words: process approach, contract analysis, structural and functional model, process quality.
Antzev Vitaly Yuryevich, doctor of technical sciences, professor, the head of chair, [email protected], Russia, Tula, Tula State University,
Chernecova Ekaterina Aleksandrovna, postgraduate,[email protected], Russia, Tula, Tula State University
УДК 621.892
МЕХАНИЗМ ФОРМИРОВАНИЯ ЗАЩИТНОГО ГРАНИЧНОГО
СМАЗОЧНОГО СЛОЯ
Б.И. Ковальский, В.Г. Шрам, О.Н. Петров, А.Н. Сокольников
Представлены результаты испытания товарного минерального масла М8-Г2, танкового масла М16-ИХПЗ, подвергшегося консервированию, и отработанного минерального масла М10-Г2к на противоизносные свойства. Определены зависимости диаметра пятна износа от времени испытания, продолжительность пластической, упругопластической и упругой деформаций и их зависимость от скорости изнашивания.
Ключевые слова: температурная стойкость, смазывающая способность масел, коэффициент поглощения светового потока, продукты температурной деструкции, продолжительность суммарной деформации, защитные граничные слои.
Практически все тяжелонагруженные узлы трения современных машин и механизмов, смазанные жидкими или пластичными смазочными материалами, в определенные моменты (при пуске и останове, при высоких контактных нагрузках или температурах, при низких скоростях относительного перемещения трущихся деталей и т.д.) работают в основном в режиме граничной смазки. Поверхности трения при этом не разделены слоем первоначального смазочного материала, а непосредственный металлический контакт, приводящий к их повышенному изнашиванию и заеданию узла трения, предотвращается (или, по крайней мере, минимизируется) вследствие образования на рабочих поверхностях пар трения граничных слоев, представляющих собой продукты взаимодействия (физикохимического, коллоидно-химического или химического) активных компонентов смазочного материала с поверхностным слоем твердого тела.
26
Теория граничной смазки была разработана У.Б. Харди, Б.В. Дерягиным, А.С. Ахматовой, Ф.Ф. Боуденом, Д. Тейбором, Г.В. Виноградовым, P.M. Матвеевским и др. [1, 2]. Трение в условиях граничной смазки всегда приводит к изнашиванию трущихся тел, причем механизм изнашивания определяется природой граничных слоев, а последние - условиями процесса образования граничных слоев.
Строение и свойства граничного слоя позволяют рассматривать его как квазитвердое квазикристаллическое тело, обладающее истинной упругостью: для него выполняется закон Гука. Вязкость его отлична от вязкости смазочной среды в объеме («аномальная вязкость»). Обычно она выше, чем вязкость среды, что вместе с пониженной вследствие адсорбционного пластифицирования прочностью поверхностного слоя несколько сглаживает резкое изменение свойств при переходе от твердого тела к жидкой или пластичной смазочной среде.
Трение при граничной смазке сопровождается изнашиванием сопряженных деталей, причем продуктами износа могут быть как продукты взаимодействия металла со смазочным материалом, так и частицы основного металла.
Испытанию подвергались минеральные масла, чтобы исключить влияние базовой основы при исследовании формирования защитного граничного слоя, в зависимости от состояния масла: товарное М-8Г2; окисленное М-10Г2 и консервированное М16-ИХПЗ. Проба масла массой 13 г. подвергается испытанию на трехшариковой машине трения со схемой трения «шар-цилиндр» в течение 5, 10, 15, 30, 60 и 120 минут. Во время испытания через пару трения пропускают постоянный ток величиной 100 мкА от внешнего стабилизированного источника постоянного напряжения и записывают диаграмму изменения деформаций, являющуюся критерием оценки механохимических процессов, протекающих на фрикционном контакте. Параметры трения выбраны постоянными и составили: нагрузка на шары 13 Н; скорость скольжения 0,68 м/с; температура масла 80 °С.
На рис. 1 представлены диаграммы записи тока, по которым определялась продолжительность суммарной деформации, включающей пластическую, упругопластическую и упругую деформации, которая зависит от концентрации продуктов температурной деструкции, выраженную коэффициентом поглощения светового потока и параметром трения. Поскольку параметры трения приняты постоянными, то диаметр пятна износа будет зависеть от концентрации продуктов температурной деструкции и влияния их на сорбционные процессы, формирующие на поверхности трения защитные слои. Продолжительность пластической и упругопластической деформаций tпу определяется временем уменьшения тока, протекающего через пару трения, от максимального до его стабилизации.
Интенсивность упругой деформации зависит от механической
прочности хемосорбционных слоев, образующихся на поверхности трения, скорости их образования и разрушения, поэтому ее продолжительность определялась с учетом величины тока, протекающего через пару трения.
Величина тока, протекающего через пару трения, определяется как сумма среднеарифметических его значений на участках стабилизации. Полученные значения тока суммируются и делятся на продолжительность упругой деформации, определяемой из диаграммы записи тока. Фактическая продолжительность упругой деформации гУ_Д , которая влияет на диаметр пятна износа, определяется как произведение продолжительности упругой деформации, вычисленной по диаграмме 1исп, на коэффициент электропроводности пары трения Кэ.:
1У.Д. =1ИСП ■ КЭ, (!)
где КЭ
I
ф.К.
I
З
, Іф к - ток, протекающий через пару трения (фрикцион-
ный контакт), мкА; 13 - заданная величина тока при неподвижной паре трения, мкА (100 мкА).
а.
б.
9:35 9:40 9:45 9:50 9:55 10:00 10:05 10:10 10:15 10:20 10:25 10:30 10:35 10:40 10:45 10:50 10:55 11:00 11:05 11:10 11:15 11:20 11:25
в.
12:00 12:05 12:10 12:15 12:20 12:25 12:30 12:35 12:40 12:45 12:50 12:55 13:00 13:05 13:10 13:15 13:20 13:25 13:30 13:35 13:40 13:45 13:50 13:55
Рис. 1. Диаграммы изменения тока, пропускаемого через фрикционный контакт: а - товарного минерального масла М8-Г2; б - отработанного минерального масла М10-Г2к; в - танкового масла М16-ИХПЗ, подвергшегося консервированию
Далее определяют суммарную продолжительность пластической, упругопластической и упругой деформаций
*Ъ = * П У. + У. Д., (2)
где *пу - продолжительность пластической и упругопластической деформаций, мин; Уд - продолжительности упругой деформации, взятой
из диаграммы, мин.
Коэффициенты электропроводности составили для масла М8-Г2 -0,2 ед; М10-Г2к - 0,3 ед; М16-ИХП3 - 0,5 ед.
Результаты испытания сведены в таблицу, и на основании этих данных построены графические зависимости диаметра пятна износа от времени испытания.
Результаты испытания смазочных масел
Марка масла № опыта і, мин Диаметр пятна износа и, мм Ї у.п^ мин мм/мин
М8-Г2 Товарное 1 5 (б/н) 0,146 0 .
2 15 0,226 10 0,0267
3 35 0,247 29,9 0,0084
4 60 0,279 31,8 0,0081
5 120 0,293 26,9 0,0119
М16-ИХПЗ Консервированное 1 5 0,215 0 -
2 15 0,366 10 0,0399
3 30 0,376 25 0,0146
4 70 0,366 65 0,0052
5 120 0,437 62,5 0,0057
М10-Г2к Окисленное 1 5 0,202 0 -
2 15 0,256 15 0,0177
3 30 0,301 30 0,0103
4 60 0,320 48,1 0,0067
5 120 0,363 - -
Как видно из рис. 2, процессы формирования защитных граничных слоев протекают по экспоненциальному закону, причем это характерно для всех масел. Условно процессы формирования этих слоев можно разделить на три стадии.
I], мм
Рис. 2. Зависимость диаметра пятна износа от времени испытания
масел (усл. обозн. см. на рис. 1)
На первой стадии согласно рис. 2 наблюдается резкий рост износа, происходит пластическая деформация (интенсивное изнашивание), т.е. пленка еще не успела сформироваться и между трущимися поверхностями возникает металлический контакт. Эта стадия характеризует качественный показатель масел. Чем меньше время пластической деформации, тем быстрее формируется смазочный слой, т.е. раньше происходит разделение поверхностей трения, тем смазочная способность масла лучше. Это особенно важно при пусковых характеристиках масел. Именно на этой стадии происходит основное изнашивание трущихся поверхностей - 85 % от общего износа, и рост износа составил: для масла М8-Г2 - 0,226 мм; М10-Г2к -0,256 мм; М16-ИХП3 - 0,366 мм.
На второй стадии наблюдается упруго-пластическая деформация, т.е переход от пластической деформации к упругой и происходит резкое снижение интенсивности изнашивания. Эта стадия характеризует количественный показатель масел. Чем больше димеров (концевых групп молекул), которые участвуют в формировании защитных слоев, тем связь между смазочным материалом и трущимися поверхностями будет более прочной и соответственно прочность смазочного слоя будет высокая, и этот переход будет происходить быстрей, т.е. процесс формирования защитного граничного слоя будет быстрей, чем его деструкция. Поскольку эта стадия самая непродолжительная, износ составляет 5 %, параметр износа на этой стадии увеличился для масла М8-Г2 - на 0,01 мм; М10-Г2к - на 0,02 мм; М16-ИХП3 - на 0,04 мм.
Третья стадия основная, завершающая. На ней происходят окончательное формирование защитного граничного слоя и стабилизация износа. Здесь наблюдается упругая деформация. Эту стадию характеризует качественно-количественный показатель смазочных материалов: изнашивание составляет - 10 %. За 100 мин износ увеличился: для масла М8-Г2 -
0,057 мм; М10-Г2к - 0,087 мм; М16-ИХП3 - 0,031 мм. Когда происходит разрушение слоя (срыв защитного слоя), процессы (стадии), формирования этого слоя опять начинаются заново, и так при трении в течение опреде-
ленного периода времени эти процессы могут повторяться неоднократно. Поэтому, чем продолжительней третья стадия, тем лучше смазочная способность масел. Также эта стадия характеризует прочность защитного слоя.
По полученным данным построена зависимость скорости изнашивания от продолжительности пластической и упругопластической деформаций (рис. 3).
Рис. 3. Зависимость скорости изнашивания от продолжительности пластической и упругопластической деформаций (усл. обозн. см. на рис. 1)
Кривые имеют схожий вид для всех масел, соответствующих рис. 2, где в течение 10... 15 минут изнашивание происходит с высокой скоростью, а затем замедляется.
Как видно из рис. 1 - 3, процессы формирования защитных граничных слоев протекают быстрей у масла М8-Г2 - 11 мин, затем у М10-Г2к -14 мин и у М-16ИХП3 - 20 мин, и соответственно износ масла М8-Г2 получился меньше и составляет 0,293 мм, М10-Г2к - 0,363 мм и М16-ИХП3 -0,437 мм.
На основании проведенных исследований можно сделать следующий вывод: механизм формирования защитного граничного смазочного слоя делится на 3 стадии независимо от состояния масла. Состояние масла влияет лишь на количественные показатели процессов, происходящих при формировании защитной пленки. I стадия характеризует качественный показатель и на ней происходит наибольшей износ от общего ~ 85 %. II стадия характеризует количественный показатель, по времени формирования граничного смазочного слоя можно судить о его прочности и связи с основой твердого тела. III стадия - окончательное формирование граничного защитного слоя, рост износа не значителен ~ 10 %.
Список литературы
1. Трение, износ и смазка / А.В Чичинадзе, [и др.]. М.: Машиностроение, 2003. 576 с.
2. Ахматов А.С. Молекулярная физика граничного трения. М.: Физ-матгиз. 1963. 472с.
3. Особенности формирования и физические свойства смазочных слоев на стали при повышенных температурах / В.В. Кончиц, [и др.] // Трение и износ. 2000 (21). №2. С. 513-526.
Ковальский Болеслав Иванович, д-р техн. наук, проф., Lahsm a niail.ni, Россия, Красноярск, Сибирский федеральный университет, Институт нефти и газа,
Шрам Вячеслав Геннадьевич, старший преподаватель, ShramlHrusamail.ru. Россия, Красноярск, Сибирский федеральный университет, Институт нефти и газа,
Петров Олег Николаевич, канд. техн. наук, старший преподаватель, [email protected], Россия, Красноярск, Сибирский федеральный университет, Институт нефти и газа,
Сокольников Александр Николаевич, канд. техн. наук, доц., [email protected], Россия, Красноярск, Сибирский федеральный университет, Институт нефти и газа
THE MECHANISM OF FORMATION OF A PROTECTIVE BOUNDARY
LUBRICANT LAYER
B.I.Kowalski, V.G.Shram, O.N.Petrov, A.N.Sokolnikov
Results of test of commodity mineral M8-G2 oil, the tank M16-IHPZ oil which has undergone conservation and fulfilled mineral Ml0-G2k oil on antiwear properties are presented. The dependence of the wear scar diameter test time, the length of the plastic, elastic-plastic and elastic deformations, and their dependence on the rate of wear are ohtained.
Key words: the temperature firmness greasing ability of oils, factor of absorption of a light stream, products of a temperature destruktsiya, duration of total deformation, protective boundary layers.
Kowalski Boleslav Ivanovich, doctor of technical sciences, [email protected], Russia, Krasnoyarsk, Siberian Federal University, Institute of Oil and Gas,
Shram Vyacheslav Gennadevich, Senior Teacher, Shraml8rus@,mail.ru, Russia, Krasnoyarsk, Siberian Federal University, Institute of Oil and Gas,
Petrov Oleg Nikolayevich, candidate of technical sciences, Senior Teacher, petrov oleq@,mail.ru, Russia, Krasnoyarsk, Siberian Federal University, Institute of Oil and Gas,
Sokolnikov Aleksandr Nikolayevich,candidate of technical scienses, docent, [email protected], Russia, Krasnoyarsk, Siberian Federal University, Institute of Oil and Gas
