9_Kuzmenko.doc Метод и результаты испытаний на износ пластических смазок в реверсивном режиме Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2013, № 4 59 Кузьменко А.Г. Хмельницкий национальный университет, г. Хмельницкий, Украина E-mail: tribosenator@gmail.com МЕТОД И РЕЗУЛЬТАТЫ ИСПЫТАНИЙ НА ИЗНОС ПЛАСТИЧЕСКИХ СМАЗОК В РЕВЕРСИВНОМ РЕЖИМЕ УДК 621.891 Предложена модель и метод испытаний смазок на износ с определением параметров моделей изнашивания. Выполнены испытания основных пластических смазок на износ с построением рейтинга их износостойкости. Метод рекомендуется для широкого применения в практике оценки качества пластических смазок. Ключевые слова: пластические смазки, метод испытаний на износ, расчет смазок по износу. Введение и постановка задач Основной метод повышения износостойкости состоит в применении стандартных и специальных смазок. Процесс работы смазанных поверхностей проходит в два этапа: 1) истирание или изнашивание граничного слоя смазки m первоначального значения толщины hv и до h = 0; 2) второй этап частино перекрывающий первый этап состоит изнашивании твердых контрак- тующих поверхностей. Методы испытаний на износ твердых поверхностей детально изложены в монографии [1]. Данная работа посвящена разработке метода испытаний на износ граничной смазки. С построе- нием модели изнашивания смазки и определения параметров модели изнашивания. Цель построения этих моделей создании обоснование алгоритмов определения периодов пода- чи новых порций смазки. Эффективность любой смазки обеспечивается только регулярной её подачей периодами пре- дельного износа 1. Теория експеримента 1.1. Постановка задачи 1) расчетная схема, експеримента (рис. 1); Рис. 1 – Схема взаимодействия сферы и полости 2) рассматривается контакт силой Q шара R и сферической полости R без зазора; 3) между шаром и полостью имеется тонкий (порядка 1 мкм) слой пластической смазки; 4) шар закреплен в обойме 3; к обойме закреплён стержень 4; к стержню прикладывается каса- тельно сила TPF , под действием которой поверхность шара скользит по слою смазки, нанесенной на по- верхность полусферы; 5) шар поворачивается многократно цикличиски; при этом тонкий слой толщиной h граничной смазки уменьшается или изнашивается; в следствии этого момент трения увеличивается с каждым цик- лом на некоторую величину TPF∆ ; mailto:tribosenator@gmail.com Метод и результаты испытаний на износ пластических смазок в реверсивном режиме Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2013, № 4 60 6) слой с первоначальной толщиной h0 уменьшается на величину ∆h равную износу слоя c wU ;Ставится задача по результатам испытаний установить закономерности изнашивание тонкого слоя смазки с целью их дальнейшего использования при назначении периода восстановления смазки в экс- плуатации и получении характеристик изнашивания смазки. 1.2. Математическая постановка задачи 1) алгебраическая модель изнашивания слоя смазки применяется в форме: c m w wU K S= σ , (1.1) где 0 c wU h h h= − = ∆ , (1.2) Uw – износ слоя смазки; h0 – начальная толщина слоя; h – текущая толщина слоя; h∆ – изнашиваемая толщина слоя; 2) при циклических испытаниях измеряется сила трения TPF на плече L и вычисляется момент трения: TPM F L= ; (1.3) 3) среднее нормальное давление определяется по формуле: 2 Q a σ = π , (1.4) где а – радиус круга проекции площадки контакта; 4) S – путь трения скольжения точек шара по сферической полости; за один цикл: 2S L∆ = ∆ϕ (1.5) за n циклов: 2S L= ∆ϕ n; (1.6) 5) по испытаниям при двух разных нагрузках Q1 и Q2 получают данные для двух функций 1 2( , ); ( , );ТР ТРF Q n F Q n 6) ставится задача по двум функциям 1 2( , ); ( , );ТР ТРF Q n F Q n определения Kw, m модели изна- шивания граничной смазки. 1.3. Решение задачи 1.3.1. Выражение толщины слоя через силу трения ТРF 1) допущение 1: принимаем, что значение толщины масленой пленки 0h – известно; для опре- деленности в начале до точки определения величины принимаем 0 1h = мкм = 10 -3 мм; 2) допущение 2: принимаем, что изменение толщины граничного слоя происходит по закону Ньютона, применительно для граничного слоя с малой толщиной h = 10-3 мм в форме: h ν µ=τ , (1.7) где τ – касательное напряжение в контакте; µ – динамический коэффициент вязкости; v – скорость скольжения в паре трения; h – текущая толщина; 3) примем очевидное соотношение: τ TPkFτ = , (1.8) где по [2]: 2 2 33 2 2 TPF LMK a a = = π π ; (1.9) 4) запишем (1.7) для двух сил трения TPF и для двух значений толщины слоя h = h0; hi – текущее значение: Метод и результаты испытаний на износ пластических смазок в реверсивном режиме Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2013, № 4 61 0 2 0 2 3 ; 3 ; TP TPi i F L a h F L a h ν  = µ π   ν = µ π  (1.10) 5) взяв отношение выражений (1.10), получаем при L, a , ν , ν – постоянные величины: 0 0 i TP TPi h F h F = (1.11) или 00 ( ) ( ) TP i TP i F h h F = . (1.12) 1.3.2. Определение параметров (Kw, m) модели изнашивания граничного слоя смазки в реверсив- ном режиме 1) запишем модель изнашивания (1.2) для двух точек (Ww1, h1, 1σ ) (Ww2, h2, 2σ ) и фиксируем пути трения S: 1 1 2 2 σ ; σ ; c m w w c m w w U K S U K S =   =  (1.13) 2) решаем систему (1.13) относительна Kw и m, получаем: 1 2 1 2 lg( / ) lg(σ /σ ) c c w wU Um ; (1.14) 3) напомним, что: 1 0 1 2 0 2 ; ; c w c w U h h U h h = −   = −  (1.15) 4) при этом по (1.12): 0 1 0 1 0 2 0 2 ( ) ; ( ) ( ) ; ( ) TP TP TP TP F h h F F h h F  =    =  (1.16) 5) из (1.10): 1 1σ c w w m U K S = . (1.17) 2. Техника експеремента 2.1. Установка и общая методика испытаний приведена в [1] и [2] 2.2. Порядок испытания и форма представления результатов измерения 1) задаётся нормальная нагрузка Q на шарик,выбирается смазка; выбирается способ задания си- лы трения ТРF – от двигателя или ручной; 2) прикладываются силы трения и измеряют изменения этих сил от числа касаний; 3) результат измерений представляются в таблице значения функции ТРF (n). 2.3. Порядок обработки результатов измерений проследим на примере реализации експеримента 3 2.4. Схема испытаний: верчении шара в сферической полости – требует выборки в форме от- верстия рис. 2 в полости отверстия d0 по оси вращения (рис. 2). При отсутствии испитания искажаются сразу после минимального износа смазки (или послости). Метод и результаты испытаний на износ пластических смазок в реверсивном режиме Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2013, № 4 62 Рис. 2 – Схема выборки в центре контакта 3. Реализация эксперимента 3.1. Опыт 1 – смазка, литол-24; используются данные полученные при испытаниях в работе [2] 3.1.1. Исходные данные 1) шар 2R = 30 мм; 2) диаметр 2 a = 17мм; a = 8,5 мм; 3) плечо рычага поворотного шара L = 300 мм; 4) первая нагрузка Q1 = 187,5 кг; 5) вторая нагрузка Q2 = 500 кг; 6) угол поворота в одну сторону 15∆ϕ = o ; 7) путь трения за один ход 15 26 180 S L∆ = π = мм; 8) путь трения за n циклов 26 ;S n мм= мм. 3.1.2. Результаты испытания Таблица 3.1 № Q1 = 187,5 кг; 1σ = 0,83 кг/ мм 2 Q2 = 500 кг; 2σ = 2,2 кг/ мм 2 0 TPF кг, кг 310 ммh − TPF кг, кг 310 ммh 2 0,08 1 0,16 1 10 0,11 0,72 0,46 0,8 30 0,12 0,67 0,51 0,73 100 0,17 0,47 0,54 0,3 3.1.3. Обработка результатов измерений: 1) давление по (1.4): 1 2 2 2 187.5 0,83; 8 500 2, 2; 8 S S σ = = π σ = = π 2) путь трения при n = 100: 3100 6 2, 6 10S z= ⋅ = ⋅ мм; 3) определение толщины слоя смазки: - при 32 1 10n −= = ⋅ мм; - при 10n = 3 3 31 2 0,8 (10) 10 1 10 0, 72 10 10 0,11 h − − −= ⋅ = ⋅ ⋅ = ⋅ мм; Аналогично 31 0, 08 (10) 1 0, 67 10 0,12 h −= = ⋅ мм. Остальные результаты в табл. 1; 4)для дальнейших расчетов выбираем две точки: Метод и результаты испытаний на износ пластических смазок в реверсивном режиме Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2013, № 4 63 3 1 1 3 2 2 ( 0,83) 0, 47 10 ; ( 2, 2) 0, 3 10 ; h h − − σ = = ⋅ σ = = ⋅ 5) для выбранных точек определяется износ по (1.15): 3 1 1 1 3 2 2 2 1 1 0, 47 0, 53 10 ; 0, 83; 1 1 0, 3 0, 7 10 ; 2, 2; c w c w U h U h − − = − = − = ⋅ σ = = − = − = ⋅ σ = 6) определение параметра модели m по (1.14): 1 2 1 2 lg( / ) lg 0, 53 / 0, 7 0,121 0, 286; lg( / ) lg 0, 83 / 2, 2 0, 4233 0, 286; c c w wU Um m = = = σ σ = 7) определение параметра wR по (1.17): 3 61 0.286 3 1 6 0, 53 10 0, 215 10 ; (0, 83) 2, 6 10 0, 215 10 . c w w m w U K S K − − − − ⋅ = = = ⋅ σ ⋅ ⋅ = ⋅ 3.2. Опыт – 2 – графитовая смазка 3.2.1. Методика испытаний по п. 3.1 n = 300 об/мин 3.2.2. Результаты испытаний в табл. 3.2 Таблица 3.2 t 1σ = 0,82 кг/ мм 2 2σ = 2,2 кг/мм 2 F, кг h F, кг h σ 0,3 1 0,3 1 2 0,7 - 1,32 - 10 - - - - 30 - - - - 100 1,14 0,61 3,2 0,41 Базовые точки: 3 1 1( , 10) 0, 61 10 ;h t −= σ = = ⋅ 32 2( , 6, ) 0, 41 10 ;h t −σ = = ⋅ 3 1 0, 39 10wU −= ⋅ мм; 32 0, 59 10wU −= ⋅ мм. 3.2.3. Определение параметров модели 1) параметры модели: 1 2 1 2 lg( / ) lg(0, 39 / 0, 59) lg( / ) lg(0,83 / 2, 2) w wU Um = = σ σ ; 0,18 0, 425; 0, 423 m = = 0, 425;m = 3 7 0,425 3 0, 39 10 0, 78 10 ; 0,83 6 10w K − −⋅= = ⋅ ⋅ ⋅ 32 2 300 10 6 10S nt= = ⋅ ⋅ = ⋅ мм; 87, 8 10wK −= ⋅ кг/мм2; 2) сравнение износа смазок 1w летол-24 и 2w графитовая при 2, 2σ = кг/мм 2. 1 2 6 ( 0,285 0,415)1 1 7 2 2 0, 2 10 2, 2 2,8 0, 78 10 m mw w w w U K U K − − − − ⋅ = σ = = ⋅ раза. Слой смазки литола изнашивается в 2,8 раза бистре чем слой графитной смазки. Метод и результаты испытаний на износ пластических смазок в реверсивном режиме Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2013, № 4 64 3.3. Опыт – 3 – Литол-24 + бронзовый порошок 3.3.1. Исходные данные Методика испытания по (3.1) при n = 120 об/мин. 3.3.2. Результаты испытаний Q1 = 100 кг; 1σ = 0,44 кг/ мм 2 Q2 = 200 кг; 2σ = 0,88 кг/ мм 2 t∆ , мин t , мин F, кг 10h ⋅ 10-3 F, кг 10h ⋅ 10-3 0 0 1,14 1 2,0 1 1 1 1,15 1 2,4 1,83 +2 3 1,4 1 2,2 0,91 +3 6 ,32 0,84 2,3 0,96 +3 9 1,43 0,96 3,1 0,645 - - 3 1 0.04 10wU −= ⋅ 32 0, 355 10wU −= ⋅ 3.3.3. Обработка результатов испытаний 1) определения давления: 1 2 100 0, 44 0,82 σ = = π ⋅ кг/мм2; 2 0,88σ = кг/мм 2; 2) параметр m: 4 3 1 1 21 1 0, 96 0, 04 10 ; 1 0, 645 0.355 10 ;wU h h − −= − = − = ⋅ = − = ⋅ lg 0, 04 / 0, 355 0, 948 3,16 lg 0, 5 0, 3 m = = = ; 3) путь трения: 426 120 9 2, 8 10S n t= ∆ ⋅ ⋅ = ⋅ ⋅ = ⋅ мм; 3 3 7 4 4 0, 4 10 0, 4 10 0,16 10 0, 44 0,173 2,8 10 0,87 2, 8 10w K − − −⋅ ⋅= = = ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ ; 70,16 10wK −= ⋅ (мм2/кг)m. Сравнение литол-24 без порошка и с порошком: 1 2 7 0.183 4 1 1 1 7 0.286 4 2 2 2 0, 215 10 0, 44 2, 8 10 0,16 10 0,83 2, 6 10 m w w m w w U K S U K S − − = σ ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ = = σ ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ ; 4) параметр 1wK : 3 71 1 4 0, 04 10 0, 2 10 0, 075 2, 8 10 w w m U K S − − − ⋅ = = = ⋅ σ ⋅ ⋅ (мм2/кг)m. 3.3.4. Сравнение смазки литол-24 и литол-24+порошок бронзы по формуле: 1 1 1 2 2 2 m w w m w w U K U K σ = ⋅ σ ; 1) m1 = 0,286; 61 0, 215 10wK −= ⋅ ; 2) m2 =3,16; 72 0, 2 10wK −= ⋅ , σ = 1 кг/ мм2; 3) 6 1 7 2 0, 215 10 10 0, 2 10 w w U U − − ⋅ = = ⋅ раз; 4) вывод износ граничной смазки литол-24 без добавления бронзового порошка в 10 раз больше чем износ с порошком. Метод и результаты испытаний на износ пластических смазок в реверсивном режиме Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2013, № 4 65 4. Рейтинг пластических смазок по износу в реверсивном режиме 4.1. Способ приближеной сравнительной экспресс-оценка износа пластических смазок в реверсивном режиме 4.1.1. Порядок испытания 1. На описанной выше установке в самом начале испытаний измеряется сила трения 0 yx TPF σ без смазки в шарнире при двух режимах нагрузки Q1 и Q2, 2 21 ( ) ( 0)yx yxQ QF t t F t σ σ= = = , 2 yx QF σ . 2. Шарнир смазывается при заданной смазке измеряется начальная сила трения со смазкой при двух нагрузках 1 yx QF σ , 2 yx QF σ . 3. При заданной частоте n и амплитуде ϕ∆ производится испытания с периодически измеряют- ся силы трения 1 yx QF σ (t), 2 yx QF σ (t). 4. Испытания с периодическим замером сил трения продолжается с силами Q1 и Q2 до момента, когда сила трения станет равной силе трения без смазки: 1 11 ( ) ( 0)yx yxQ QF t t F t σ σ= = = ; (4.1) 2 21 ( ) ( 0)yx yxQ QF t t F t σ σ= = = . (4.2) 5. Моментам 1 2,t t , соответствуют циклы реверсирования 1 2,N N ; величина 1 2,t t или 1 2,N N принимаются за меру износостойкости смазки. 4.2. Критерии износостойкости смазки 4.2.1. Критерий 1: 1) сравнение смазок по приближенному определенному износу смазок wU по методу 1.3.2; 2) недостаток метода в использовании допущений при определении толщины масленой пленки при износе; допущение 1 – принято, что начальная толщина граничной смазки 0h = 1 мкм; допу- щение 2 – изменение толщины слоя пропорциональное силе трения по (1.12). Критерий 2: сравнение смазок по продолжительности испытаний до выполнения условий (4.1), (4.2), т.е. до момента, когда сила трения после работы со смазкой станет начальной силе трения без смазки. Критерий 3: 1) сравнение смазок по суммарной работе трения TPA , затраченной на износ смазки: TP TPi iA F S≤ ∑ ; 2) приближенно при одинаковых iS сравнение смазок по сумме сил трения до выполнения ус- ловий (4.1), (4.2). Замечание 1: 1)при определении критерия 2 для разных смазок можно использовать график зави- симости ( )F t до пересечения с уровнем 0 yxF F σ= ; 2) в случае, если линия ( )F t не пересечет 0 yxF σ , можно применить визуальную энтерполяцию. 4.3. Результаты испытаний пластических смазок на износ 1) по описанной методике были испытаны на износ некоторые основные смазки; 2) результаты испытаний представлены в таблице при Q = 100 кг. 3) испытаны разные наиболее часто используемые на практике смазки при общей нагрузки 100 кг, что соответствует давления 0,44 кг/мм2 = 44 кг/см2. В качестве критерия износостойкости принят n а) продолжительность в мин t1 работы узла до полного истирания смазки U; б) число повторных циклов N1 до этого же состояния Из рассмотренных результатов табл. 4.1 следует, что наименьшая износостойкость t1 = 1 мин у смазки солидол ж. Наибольшая износостойкость у смазок Мobil t1 = 38 мин и Сastrol t1 = 30 мин. Для остальных смазок износостойкость находится в диапазоне t1 = 1 - 30 мин. При выборе смазок можно ориентироваться на результаты проведенных испытаний. Предложен метод испытаний на износ граничной смазки с определениям параметров модели. Метод и результаты испытаний на износ пластических смазок в реверсивном режиме Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2013, № 4 66 Таблица 4.1 Результаты испытаний разных смазок № Название смазки t1, мин N1, цикл 1 Mobil 38 12 200 2 Castrol 30 9 600 3 Графитная ж 25 8000 4 Retinax 20 6 400 5 Графитная универсальная 11 5 500 6 Литол – 24 11 3 520 7 Литневая густая 10 3 200 8 Mehr zweck 8,2 2 600 9 Шрус 8,0 2 500 10 Купрум спрей 6,14 1 960 11 Литол – 24+бронзовый порошок 4,0 1 200 12 Солидол 1,0 320 Метод включает: 1. Модель процесса изнашивания: 1) содержит зависимость износа от двух факторов: давления и пути трения; 2) модель содержит cwK , cm , опридиления из эксперимента. 2. Испытания граничной смазки на износ выполняется по схеме шар - сферическая полость ус- ловиях реверсивного верчения шара. 3. Изменения толщины слоя граничной смазки определяется как величина пропорциональная си- ле трения. 4. Процедура испытаний и определения параметров модели показано на примерах смазок Литол - 24 и граничной смазки. 5. Предложенный метод определения износа граничной смазки рекомендуется использовать для определения периодичности смазывания узлов трения в эксплуатации. 6. Параметры модели изнашивания смазки можно использовать как новые характеристики смазок. 7. Испытаниями распространенных пластических смазок определен рейтинг этих смазок по из- носостойкости от солидола до мобила. Этот результат может использоваться на практике для выбора смазки для проектируемого узла. 8. Предложенный метод испытаний может использоваться для оценки эффективности меро- приятий по повышению износостойкости пластических смазок, на пример таких как канавки. Литература 1. Кузьменко А.Г Прикладная теория методов испитаний на износ.Теоретическая и эксперимен- тальная трибология VI : монография. – Хмельницкий: ХНУ. – 2007. – 579с. 2. Кузьменко А.Г Новые методи и результаты исследований адгезионно - деформационной тео- рии трения (АДД ТТ) // Проблемы трибологии. – 2012. – №1. – С. 120-134. Поступила в редакцію 11.11.2013 Метод и результаты испытаний на износ пластических смазок в реверсивном режиме Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2013, № 4 67 Kuzmenko A.G. The method and test results for wear greases in reverse mode. A model of the test method and lubricants for wear with the definition of parameters of the models wear. Submitted test basic greases wear with building their durability rating. This method is recommended for widespread use in practice quality assessment greases. Key words: рlastic lubricants, wear testing method, the calculation of lubricants for wear. References 1. Kuzmenko A.G Prikladnaja teorija metodov ispitanij na iznos.Teoreticheskaja i eksperimentalnaja tribologija VI, monografija. Hmelnickij, HNU, 2007. 579s. 2. Kuzmenko A.G Novye metodi i rezultaty issledovanij adgezionno - deformacionnoj teorii trenija (ADD TT). Problemy tribologii. 2012. №1, s. 120-134.