CC BY
84
МАШИНОСТРОЕНИЕ
УДК 621.892.167
МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЯ СМАЗОЧНЫХ МАТЕРИАЛОВ НА МАШИНЕ ТРЕНИЯ СМЦ-2 ПРИ ТРЕНИИ ПАРЫ ВРАЩАЮЩИЙСЯ
ЦИЛИНДР - НЕПОДВИЖНЫЙ ТОР
© 2005 г. Г.И. Шульга, Н.И. Бессарабов, Е.В. Скринников
Экспресс-оценка антифрикционных и противоизнос-ных свойств жидких смазочных композиций и пластичных смазочных материалов на машинах трения является перспективным направлением совершенствования методов лабораторных испытаний. Используют различные схемы для реализации таких испытаний на машинах трения. По геометрии контакта поверхностей трения эти схемы могут быть разделены на две группы: с постоянной и с переменной площадью контакта.
Площадь контакта в первом случае определяется геометрическими размерами поверхностей трения. Вторая группа включает в себя испытания материалов с начальным точечным или линейным контактами. По схеме трения с начальным точечным контактом работает четырехшариковая машина трения, а начальным линейным контактом - машина трения СМЦ-2 при использовании цилиндрических образцов [1].
На рис. 1 а приведена схема испытаний на изнашивание с начальным линейным контактом, осуществляемая на машине трения СМЦ-2 с использованием цилиндрических образцов.
Недостатком испытаний смазочных материалов с начальным линейным и последующим переменным контактом на машине трения СМЦ-2 является низкая чувствительность к изменению состава компонентов смазочных материалов, вводимых добавок, а также невозможность проведения испытаний при повышенных контактных нагрузках.
Для повышения удельных нагрузок в зоне контакта и его чувствительности при испытании смазочных материалов заменили линейный контакт на точечный при трении пары вращающийся цилиндр - неподвижный диск с поверхностью тора (рис. 1 б) [2].
Критериями оценки смазочных свойств испытуемых материалов при трении пар вращающийся цилиндр - неподвижный цилиндр, вращающийся цилиндр - неподвижный диск с поверхностью тора на машине трения СМЦ-2 являются: длина Ьср , ширина
I ср, глубина И канавки изнашивания неподвижных
образцов, имеющих поверхности цилиндра, и тора, мм; объем изношенного материала У неподвижного цилиндрического образца при трении пары цилиндр -цилиндр, мм3; объем изношенного материала У2 неподвижного диска, имеющего поверхность тора, пары трения диск неподвижных образцов, имеющих поверхности цилиндра, и тора, мм; объем изношенного
материала у неподвижного цилиндрического образца при трении пары цилиндр - цилиндр, мм3; объем изношенного материала У2 неподвижного диска, имеющего поверхность тора, пары трения диск - цилиндр, мм3; коэффициент трения ц; весовой износ
И1 неподвижного цилиндрического образца, г; весовой износ И2 диска с поверхностью тора, г; температура испытуемого смазочного материала Т,°С.
10 9
Цилиндр - цилиндр
10 9
Диск - цилиндр
б
Рис. 1. Схемы испытания смазочных материалов на машине трения СМЦ-2: 1, 6 - валы; 2 - гайка; 3 - шайба; 4, 5 - образцы; 7 - стопор; 8 - ванна; 9, 10 - термопары; 11, 12 - потенциометры КСП-4. Пары трения: а - цилиндрический диск - цилиндрический диск; б - торовый диск - цилиндрический диск
Критерии оценки смазочных свойств смазочных материалов на машине трения СМЦ-2 и их расчетные формулы приведены в табл. 1 [2].
а
Таблица 1
Критерии оценки смазочных свойств смазочных материалов на машине трения СМЦ-2
Критерии
Формулы, метод определения
Длина канавки изнашивания Ьф, мм
1 ~
> =—S bi,
n, =1
Ширина канавки изнашивания /ср, мм
1 ср S Ii
П i =1
Глубина канавки изнашивания неподвижного цилиндрического образца к при трении пары неподвижный цилиндр - вращающийся тор, мм
h =
12 ( 1 ' CD 1
R1 R 2
0,64 POC K
K = 1+ 1
E1
E 2
12 ( ср
Глубина канавки изнашивания диска с поверхностью тора к I при трении пары вращающийся цилиндр -неподвижный тор, мм
h1
— + —
R1 R 2
0,64POC K
K = 1 + 1 'Vi
E1
E 2
Объем изношенного материала неподвижного цилиндрического образца при трении пары цилиндр - цилиндр ¥1,
мм3
V1 =
У CD (+ j_
А
R1 R 2
- 0,85POc1 CD K
Весовой износ И неподвижного цилиндрического образца при трении пары цилиндр - цилиндр, г
И1 =pV2
V 2 =
V CD ( +j_ R1 R 2
Объем изношенного материала неподвижного диска с поверхностью тора при трении пары цилиндр - диск с поверхностью тора У2, мм3
12
+2
- 0,85 PocI Cp K +
2
Rr2 r 2 V0 + ysinv 0 -
-(r -h)2tgv
3R + 2r - 2h
V 0 = arCCOS-
r - h:
Ф0 = arCtg
sj2Rh -
h2
R + r - h
Весовой износ И2 неподвижного диска с поверхностью тора при трении пары цилиндр - диск с поверхностью тора, г
И 2 =PV2
Коэффициент трения ц
M
тр
RPo.
Температура объема испытуемого смазочного материала Т, °С
Измерение
Примечание. В формулах обозначено: п - число опытов при одной и той же осевой нагрузке Рос, г - радиус тора, мм; К1 - радиус дуги канавки износа, равный радиусу нижнего истирающего диска при действии осевой нагрузки, мм; К2 - радиус верхнего неподвижного диска, мм; Рос - осевая нагрузка, Н ; К - расчетный коэффициент; ц 1, ц 2 - коэффициенты Пуассона; Е1, Е2 - модули упругости контактирующих материалов, МПа; К - радиус вращающегося диска, мм; ф 0 - половина центрального угла тора, образуемого между секущей плоскостью поверхности тора, соответствующей глубине канавки износа, и радиусами г тора; ^ 0 - половина угла, образованного между секущей поверхностью тора, соответствующей глубине канавки износа и образующими, проведенными от центра тора до точек пересечения тора с секущей поверхностью; Мтр - момент трения, Н-см.
r
Испытания образцов по схеме, приведенной на рис. 1, б проводили при окунании нижнего вращающегося образца в смазочный материал, помещенный в ванну.
Проведены лабораторные испытания ВТСС 3 %-го водного раствора РВ-3. Испытания проводили на машине трения СМЦ-2 при частоте вращения торово-го образца 300 мин -1 и ступенчатом увеличении осевой нагрузки Рос от 300 до 2000 Н. Время испытания на каждой ступени составляло 5 мин. В качестве неподвижного образца использовали цилиндр диаметром 50 мм, высотой 12 мм из стали 20ХН3А, подвижным образцом служили диски диаметром 50 мм с поверхностью тора радиусом 6 мм и высотой 12 мм из сталей Х12М и У8.
Приведены теоретические расчеты критериев оценки 3 %-го смазочного материала РВ-3 для пар трения цилиндр из стали 20ХН3А - торовые диски из сталей У8 и Х12М при действии осевых нагрузок Рос 300, 900, 1500 Н.
Для расчетов принимали модули упругости для сталей: 20ХН3А - Е = 2,12-105МПа; У8 - Е = 2,09-105 МПа; Х12М - Е = 2,10-105МПа .
Модули сдвига составили для сталей 20ХН3А -О = 0,83-105МПа ; У8 - О = 0,81-105МПа ; Х12М -О = 0,81-105 МПа .
Коэффициент Пуассона определяли по формуле Е
[3; с. 6]: ц =-.
2О -1
Вычисленные значения коэффициентов Пуассона для сталей составили 20ХН3А - ц 1 = 0,28 ; для стали У8 - ц 2 = 0,29; для стали Х12М - ц 3 = 0,29.
„ ~ ,, 1 -ц2 1 -ц 2
Расчетный коэффициент: К =-L +-2.
Е1 Е 2
Для пар трения 20ХН3А - У8, 20ХН3А - Х12М коэффициенты К = К1 = К2 = 8,73 -10-6.
Глубину канавок изнашивания дисков с поверхностью тора, определим по формуле:
h Cp =
1
1
А
R1 R 2
0,64 POC K
cP
где К] - радиус вращающегося диска, мм; К = 25 мм; К2 - радиус верхнего неподвижного диска, мм; К2 = 25 мм; г - радиус тора; г = 6 мм.
Объем изношенного материала неподвижного диска с поверхностью тора при трении пары цилиндр - диск с поверхностью тора У2:
V2 =
b l (
CD CD
Rr2
12 „3
1
1
А
R1 R 2
- 0,427Poc l Cp К + 2 x
-V0 +yslnV0-(r-h) tgv,
3R + 2r - 2h
Ф с
где К1 - радиус вращающегося диска, мм; К1 = 25 мм; К2 - радиус верхнего неподвижного диска, мм; К2 = 25 мм;
г - радиус тора; г = 6 мм; К = К1 = К 2 = 8,73 -10
-6.
V 0 = arCCOs-
r - h3
Ф0 = arCtg
^2Rh -
h2
R + r - h
где г - радиус тора; г = 6 мм; к - глубина канавок изнашивания; К - радиус вращающегося диска, К = 25 мм.
Весовой износ И 2 неподвижного диска с поверхностью тора определим по формуле И 2 =ру где р - плотность стали, г/мм3, для стали У8,
для стали Х12М; р2 =
р1 = 7,83-10 - 3 Г мм3
=7,7-10-3г/мм3;
У2 - объем изношенного материала
неподвижного диска с поверхностью тора, мм .
Расчетные и измеренные значения глубин канавок изнашивания к , углов ф 0 и ^ 0, объемов изношенного материала, весовых износов неподвижного диска с поверхностью тора для пар трения приведены в табл. 2. Для пары трения 20ХН3 А - У 8 при испытании со смазочным материалом РВ-3 под действием осевой нагрузки погрешность составила 10.. .14 %, а для пары трения 20ХН3 А - Х12М - 11.15 %.
Результаты испытаний 3 %-х растворов смазочного материала РВ-3 при трении пар трения 20ХН3А -У8; 20ХН3А - Х12М представлены в виде графиков на рис. 2 - 4.
Таблица 2
Расчетные значения критериев оценки смазочных свойств для пар трения вращающийся цилиндр - торовый диск
r
Материал пар трения Р Н 1 осн } ^ ^ hрасч , мм hn3H , мм V0 Ф0 V, мм3 И, г 5, %
300 0,027 0,030 0,0001 0,012 0,0009 0,000007 10
20ХН3А - У8 900 0,013 0,015 0,0008 0,026 0,232 0,00181 13,3
1500 0,018 0,021 0,0023 0,036 0,040 0,00031 14,2
300 0,050 0,056 0,0002 0,016 0,0032 0,000024 11
20ХН3А - Х12М 900 0,013 0,015 0,0085 0,026 0,021 0,000161 13,3
1500 0,249 0,212 0,070 0,114 9,89 0,0019 14,8
h-102, мм 4 3 2 1 0
/
¿2
1
3
11
13
15
17
Рис. 2. Зависимость глубины канавки изнашивания к от осевой нагрузки Рос пар трения: 1 - 20ХН3А - У8; 2 - 20ХН3А - Х12М
И-106, г 1500 1000
500 0
0,12 0,10 0,08 0,06 0,04 0,02 0
1
¿2
-- Г
11
13
15
17
19 Ро(Л0-2, Н
Рис. 3. Зависимость весовых износов И от осевой нагрузки Рос пар трения: 1 - 20ХН3А - У8; 2 - 20ХН3А - Х12М
А 1
—■ 1— —< 1— /
/
А V 1
2
о—
3 5 7 9 11 13 15 17 19 Рос,10-2, Н
Рис. 4. Зависимость коэффициента трения ц от осевой нагрузки Рос пар трения:
1 - 20ХН3А - У8; 2 -
Из рис. 2 - 4 следует, что 3 %-й раствор смазочного материала РВ-3 оказывает смазочное действие при трении пары 20ХН3А - У 8 в большей степени. Наихудшие смазочные свойства наблюдаются при осевой нагрузке 1300 Н, которые ухудшались при дальнейшем увеличении нагрузки вследствие формирования на контактирующих поверхностях диссипативных структур, сформировавшихся из фрактальных кластеров. При трении пары 20ХН3А - Х12М на контактирующих поверхностях испытуемых образцов образовывались пленки Сг203, обладающие самопассивирующим действием, что затрудняет образование дис-сипативных структур из фрактальных кластеров. Критическая нагрузка заедания Ркр составила 1300 Н.
Таким образом, разработана методика оценки смазочных свойств жидких смазочных материалов и пластичных смазочных композиций на машине трения СМЦ-2 при контактировании пар неподвижный цилиндр - вращающийся цилиндр, неподвижный цилиндр - вращающийся диск с поверхностью тора, обеспечивающая испытание смазочных средств с начальным точечным контактом и последующим
■ 20ХН3А - Х12М
переменным контактом. Пара трения 20ХН3А - Х12М при смазывании смазочным материалом РВ-3 обладала худшими противоизносньгми свойствами, так как в испытуемых парах трения содержится хром, формирующий на контактирующих поверхностях оксиды Cr2O3, обладающие самопассивирующим действием, что затрудняет адсорбцию активных компонентов смазочного материала РВ-3 на контактирующих поверхностях и формирование пленок.
Литература
1. Матвеевский Р.М., Калинин А.А., Багинский В.М. Применение схемы трения с переменной площадью контакта при испытании смазочных материалов на машине трения СМЦ-2 (МИ-1)// Физико-химическая механика процессов трения: Межвуз. сб. науч. тр. Иваново, 1979. С. 10-21.
2. Шульга Г.И. Функциональные водорастворимые технологические смазочные средства для обработки материалов / Ред. ж. «Изв. вузов. Сев.-Кавк. регион». Ростов н/Д., 2004. С. 121 - 124.
3. Машиностроительные материалы: Краткий справочник / В.М. Раскатов, В.С. Чуенков, Н.Ф. Бессонова, Д.А. Вейс: 3-е изд., перераб. и доп. М., 1980. С. 6.
Южно-Российский государственный технический университет (Новочеркасский политехнический институт)
15 апреля 2005 г.
19 Рос-10-2, Н
5
7
9
3
5
7
9
