17_Dykha.doc Результати випробувань на знос конічних зразків зі сталі 45 в моторній оливі Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2014, № 2 111 Диха О.В., Вельбой В.П., Гедзюк Т.В. Хмельницький національний університет, м. Хмельницький, Україна E-mail: tribosenator@gmail.com РЕЗУЛЬТАТИ ВИПРОБУВАНЬ НА ЗНОС КОНІЧНИХ ЗРАЗКІВ ЗІ СТАЛІ 45 В МОТОРНІЙ ОЛИВІ УДК 621.891 Наведені результати трибологічних випробувань на знос конічних зразків із загартованої сталі за геометри- чною схемою випробувань «конус-три кульки» при змащуванні оливою. Встановлений вплив швидкості ковзання та контактного тиску на інтенсивність зношування. За допомогою математичної двохфакторної моделі зношування та отриманих за результатами випробувань її параметрів побудовані залежності інтенсивності зношуванні від визнача- льних факторів. Ключові слова: результати випробувань, інтенсивність зношування, контактний тиск, швидкість ковзання. Вступ В трибологічних випробуваннях використовують різні методи і схеми випробувань на зносостій- кість конструкційних і мастильних матеріалів: чотирикулькова схема, кулька-кільце, кулька-три ролика, конус-три ролика та інші [1] , в яких верхній зразок обертається та притискається до нерухомих нижніх зразків із заданою силою. Недоліком цих способів є те, що результати випробувань мають якісний харак- тер та є достовірними тільки для заданих умов випробувань, при цьому відсутні методики визначення кі- лькісних залежностей від визначальних факторів навантаження, швидкості ковзання, в`язкості мастила для кількісного порівняння різних технологій підвищення зносостійкості. В чотирикульковій схемі ви- пробувань [2] верхній зразок представляє собою шарикопідшипникову кульку, що обмежує можливості використання зразків з різних конструкційних матеріалів та зміцнених за різними технологіями, крім то- го, результати випробувань на знос за цим способом не дозволяють отримати розрахункові залежності для визначення інтенсивності зношування. Експериментальна установка та методика випробувань Експериментальна установка для випробувань за схемою «конус - три кульки» представлена на рис. 1. P 4 1 2 3 5 6 7 8 9 10 11 P 4 1 2 3 5 6 7 8 9 10 11 Рис. 4 –. Експериментальна установка Випробуваний зразок 1 із зміцненою конічною поверхнею закріплюється в універсальному са- моцентруючому свердлильному патроні 2. До нижніх трьох кульок із шарикопідшипникової сталі коніч- ний зразок 1 притискається із вертикальною силою P та йому задається обертальний рух від шпинделю mailto:tribosenator@gmail.com Результати випробувань на знос конічних зразків зі сталі 45 в моторній оливі Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2014, № 2 112 випробувальної установки 4. Кулькові зразки 3 розташовуються на плоскій поверхні загартованої опори 7 і центруються спеціальною гайкою 6 з конічною робочою поверхнею. При випробуваннях стакан 5 за- повнений досліджуваним мастильним матеріалом. Для самовстановлення зразків під час випробувань використаний двохрядний самоцентруючих шарикопідшипник 8, що запресований у корпус 9. Вимірювання моменту тертя проводиться за допомо- гою пружного індикатора завдяки радіально упорному шарикопідшипнику 10, розміщеному в нижньому корпусі 11, що кріпиться до столу випробувальної установки. За наведеною схемою для визначення параметрів процесу зношування (рис. 2) зразок 1 дослі- джуваного матеріалу, закріплений в цанговому патроні шпинделя, обертався з частотою n і притискався силою Q = 100 Н до трьох нерухомих кульок 2 діаметром kd = 12,7 мм з шарикопідшипникової сталі ШХ15 (ГОСТ 3722 – 81). Кульки встановлені в обойму 4, порожнина якої 3 заповнена мінеральною мо- торною оливою Magnum 15W – 40. Обойма 4 закріплена в пристрої (на схемі не показано) на столі верс- тату з можливістю забезпечення контакту конічної поверхні зразка з трьома кульками обойми. За відомими [3] формулами визначено: сила притискання зразка до кульки: 6,40 82,03 100 55sin31 = ⋅ == o Q Q Н. Діаметр кола сліду контакту конуса з кульками:         −= o55cos 3 32 kdd ( ) 36,75736,015,17,12 =−×= мм. Випробуванню піддавали сталеві зразки за умови їх обертання з частотою 5001 =n об/хв і 10002 =n об/хв. Швидкість ковзання в зоні контакту зразка з кульками відповідно була: 19,0 60000 50036,714,3 601000 1 1 = ⋅⋅ = ⋅ π = dn v м/с; 38,0 60000 100036,714,3 601000 2 2 = ⋅⋅ = ⋅ π = dn v м/с. Кількісно знос зразків оцінювали за шириною і глибиною сліду їх контактної взаємодії з кулька- ми, який проявлявся у вигляді криволінійної конічної поверхні. Ширину сліду a2 вимірювали мікро- скопом МБС-10 з точністю 0,05 мм. Для вимірювання ширини сліду використанням пристрій (рис. 3), у якому твірна конічної повер- хні зразка 1, вільно вставленого в отвір втулки кронштейна 2, поворотом останнього відносно основи 3 виставлялась паралельно столу 4 мікроскопа. 110 o Q Q1 d n 1 2 3 4 110 o Q Q1 d n 1 2 3 4 Рис. 2 – Схема випробувань процесу зношування зразка 2а 55 o 1 2 3 4 Рис. 3 – Пристрій для вимірювання ширини сліду зносу конічної поверхні мікроскопом МБС - 10 Для визначення форми січення криволінійної поверхні і глибини сліду h визначали використову- вали проектор за умови 77-кратного збільшення (рис. 4). Результати випробувань на знос конічних зразків зі сталі 45 в моторній оливі Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2014, № 2 113 2а h 1 2 3 4 5 2а h 1 2 3 4 5 Рис. 4 - Схема оптичної системи проектора: 1 – лампа освітлення; 2 – об’єктив; 3 – зразок; 4 – конденсор; 5 – проекція зразка на екрані Таким чином за проекцією зображення виявлено, що твірна криволінійної конічної поверхні сліду описується радіусом кульки, а ширина сліду 2а практично співпадає з її величиною з вимірами мі- кроскопом МБС – 10. Так, наприклад, при випробуванні зразка з відпаленої вуглецевої сталі за умови на- вантаження силою Q =100 Н, швидкості ковзання v = 0,19 м/с і шляху тертя S = 342 м за вимірами мік- роскопом ширина сліду a2 = 2,75 мм, а за розмірами її проекції на екрані 2а = 205 мм. З урахування 77-кратного збільшення проекції фактична ширина сліду a2 = 205/77 = 2,66 мм, тобто похибка складає 3,3%. За вимірами проекції зображення глибина сліду h = 12 мм, а з урахуванням 77-кратного збіль- шення фактичне її значення складає 12/77 = 0,15 мм. Розрахована за відомою [4] формулою для визна- чення висоти сегмента глибина сліду складає: 22 )2(45,0 aRRh kk −−= 14,066,235,645,035,6 22 =−⋅− мм, де 35,6=kR мм –радіус кульки. Оскільки різниця між розрахованим і визначеним за вимірюванням проекції сліду значеннями глибини сліду менше 7%, можна вважати, що форми січення сліду контактної взаємодії конуса і кульок описується геометрією сегмента радіусом кульки. Результати випробувань та їх обговорення Випробування зносу загартованих до твердості 42 HRC зразків зі сталі 45 (ГОСТ 1050 – 88) ви- конували за умови тертя під дією сили 100 Н, швидкостях ковзання 0,19 м/с і 0,38 м/с та мащення міне- ральною моторною оливою Magnum 15W – 40 з вмістом 2 % (ваг) спеціальної присадки наведено в таб- лиці 1. Вимірювання ширини сліду при швидкості ковзання 0,19 м/с здійснювали протягом години мік- роскопом МБС-10 через кожні 10 хв., а при швидкості ковзання 0,38 м/с через кожні 5 хв. процесу тертя. Результати вимірів ширини a2 , розрахункові значення глибини h сліду контактної взаємодії та шля- ху S тертя наведені в таблиці 1. Таблиця 1 Розміри площадки зношування конічних зразків зі сталі 45. V = 0,19 м/с V = 0,38 м/с S, м 2а, мм h, мм 2а, мм h, мм 115 0.7 0.01 0.8 0.012 231 0.8 0.012 0.9 0.016 346 0.85 0.014 0.95 0.018 462 0.9 0.016 1.15 0.026 577 1.0 0.019 1.25 0.031 693 1.05 0.021 1.35 0.036 Графічна інтерпретація результатів випробувань, тобто залежність ширини площадки зносу від шляху тертя та їх степеневі апроксимація наведені на рис. 5. Результати випробувань на знос конічних зразків зі сталі 45 в моторній оливі Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2014, № 2 114 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0 100 200 300 400 500 600 700 S/1000, m m a, m m 0,38 м/с 0,19 м/с Рис. 5 – Графіки залежностей площадки зносу від шляху тертя та їх степеневі апроксимації Отримані залежності половини ширини площадки зносу від шляху тертя за умови різних швид- костей ковзання (рис. 5) апроксимовані у вигляді степеневих функцій, які аналітично описуються такими рівняннями: 3584,00536,0 Sa = – при швидкості ковзання 0,19 м/с; 3766,00577,0 Sa = – при швидко- сті ковзання 0,38 м/с. За результатами випробувань ідентифікувалась залежність інтенсивності зношування ),( VI σ від визначальних факторів контактного тиску і швидкості ковзання у вигляді [3]: pm W VR HB fKVI       ν       σ=σ * ),( , (1) де f − коефіцієнт тертя; σ − тиск у контакті, МПа; HB − твердість за Брінелем, МПа; V − швидкість ковзання, м/с; *R − приведений радіус контактуючих тіл, м; ν − кінематична в’язкість мастила (при 100 °С), м2/с; WK , m , p − параметри закономірності зношування, що визначаються за залежностями [3]: β β− = 2 21 m ; )/lg( )/lg( )22( 21 21 VV cc mp += ; .2 sin3 * 1 * 22 1 p m m W RVQ HB fR c K       ν             γ πβ = + За умовами проведених випробувань для розрахунку параметрів зношування приймались насту- пні вихідні дані: 100=Q Н; 0110=γ ; 33,2=npR мм; 1931 =V мм/с; 3861 =V мм/с; 390=HB Мпа; 01,0=f ; 40=ν мм2/с; 0536,01 =с ; 0577,02 =с ; 3675,0=β . Розраховані параметри зношування: 3102863,9 −⋅=WK ; 3605,0=m ; 2894,0=p . Після підстановки отриманих параметрів у (1) за допомогою програм MathCad та Statistica ви- значалась графічна залежність інтенсивності зношування від визначальних факторів контактного тиску і швидкості ковзання, показана на рис. 6. Результати випробувань на знос конічних зразків зі сталі 45 в моторній оливі Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2014, № 2 115 Рис. 6--Залежність інтенсивності зношування від контактного тиску і швидкості ковзання Отримані результати показують, що за даних умов випробувань (матеріали Сталь 45 –Сталь ШХ15; моторне мастило із спеціальною присадкою; режим навантаження; режим тертя) показують помі- рне зростання інтенсивності зношування із збільшенням контактного тиску і швидкості ковзання у вста- новлених діапазонах. Висновок Отримана аналітична модель з параметрами зносостійкості, визначеними за результатами ви- пробувань на знос, дозволяє оцінювати вплив різних технологічних і конструкційних параметрів на пе- ребіг процесу зношування та прогнозувати зносостійкість трибосистем на стадії проектування вузла тер- тя. Література 1. Методы испытаний на трение и износ: Справ. Изд. // Л.И.Куксенкова, В.Г. Лаптєва, А.Г. Кол- маков, Л.М. Рибаков – М.: «Интермет Инжиниринг», 2001. – 152 с 2. ГОСТ 9490−75. Материалы смазочные жидкие и пластичные. Метод определения трибологи- ческих свойств на четырехшариковой машине. − М.: Изд-во стандартов, 1980. 3. Dykha O.V. Rated and experimental modeling of tribological properties of constructional and lubri- cating materials / O.V.Dykha, T.V. Gedzuk // Проблеми трибології (Problems of Tribology). – 2014. – № 1. – С. 84-87. 4. Справочник металлиста. В 5-ти т. Т. 1. Изд. 3-е, перераб. Под ред. С. А. Чернавского и В. Ф. Рещикова. М. Машиностроение, 1976, 768 с с ил. Надійшла в редакцію 14.05.2014 Результати випробувань на знос конічних зразків зі сталі 45 в моторній оливі Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2014, № 2 116 Dykha O.V., Velboy V.P., Gedzuk T.V. Results of wear tests of of the conical standards from Steel 45 in motor oil Presented the results of tribo tests on the wear of conical standards from hard-tempered steel on the geometrical chart of tests a «cone - three balls» with lubrication. The set influence of speed of sliding and contact pressure is on intensity of wear. By mathematical two factor model of wear and got as a result of tests of its parameters the built dependences of intensity wear from determinatives. Keywords: results of tests, intensity of wear, contact pressure, sliding speed References 1. Kuksenkova L.I., Laptєva V.G., Kolmakov A.G., Ribakov L.M. Metody ispytanii na trenie i iznos: Sprav. Izd. M. Intermet Inzhiniring, 2001. 152 p/ 2. GOST 9490−75. Materialy smazochnye zhidkie i plastichnye. Metod opredeleniya tribologi-cheskih svojstv na chetyrehsharikovoj mashine. M. Izd-vo standartov, 1980. 3. Dykha O.V., Gedzuk T.V. Rated and experimental modeling of tribological properties of construc- tional and lubri-cating materials, Problemi tribologії (Problems of Tribology). 2014. No 1. PP. 84-87. 4. Spravochnik metallista. V 5-ti t. T. 1. Izd. 3-e, pererab. Pod red. S. A. CHernavskogo i V. F. Reshchikova. M. Mashinostroenie, 1976, 768 s s il.