3_Kaplun.doc Дослідження зносостійкості пар тертя в середовищі фуражного зерна з добавками мінералу сапоніт Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2011, № 2 17 Каплун В.Г., Гончар В.А. Хмельницький національний університет, м. Хмельницький, Україна ДОСЛІДЖЕННЯ ЗНОСОСТІЙКОСТІ ПАР ТЕРТЯ В СЕРЕДОВИЩІ ФУРАЖНОГО ЗЕРНА З ДОБАВКАМИ МІНЕРАЛУ САПОНІТ В сучасних умовах роботи сільськогосподарського виробництва все більшої актуальності набу- ває проблема створення нових високоефективних кормів з невисокою собівартістю. Дана проблема ви- рішується шляхом використання метода екструзії сировини на черв’ячних машинах з додаванням міне- ралів і отриманням кормів високої якості. Екструдери при переробці фуражного зерна з добавками мінералів працюють в складних умовах при підвищеній температурі (до 169 оС) і тиску (до 10 МПа). В сировині з добавками сапоніть присутні до 1,67 % абразивних частинок розмірами від 250 до 600 мкм, твердістю 1000 - 1200МПа.[1] Величина зносу збільшує зазор між шнеком і циліндром, що призводить до прогресуючого зни- ження таких важливих техніко-економічних показників роботи обладнання як продуктивність праці, приріст питомих витрат енергії, загальній витрат виробництва, якості продукції тощо.[2] Тому підви- щення зносостійкості пари шнек-циліндр черв'ячних машин для переробки фуражного зерна з добавками мінералів є актуальною проблемою. В роботі [3] наведена формула (1) для оцінки зношувальної здатності матеріалів з абразивними наповнювачами в залежності від фізико-механічних характеристик наповнювача, полімерної матриці і матеріалу пари тертя: βπ= tg0 mmpлnmadn РФLKKKKKKV , (1) де V – величина об'ємного зносу; 0K – коефіцієнт не уточнених факторів; nK – коефіцієнт відносної твердості наповнювача; dK – коефіцієнт розміру наповнювача; aK – коефіцієнт концентрації наповнювача; nmK – коефіцієнт контактного модуля механічних втрат полімерної матриці; лK – коефіцієнт системи легування зношуваного матеріалу; mpL – шлях тертя; Р - навантаження; mФ – фактор пружно-пластичних властивостей зношуваного матеріалу; β – половинне значення кута при вершині модельованого конуса індентора. Проте в формулі (1) не враховано зношування від хімічної дії сировини при їх переробці. Пере- робка фуражного зерна супроводжується деструкцією його макромолекул від механічної дії, впливу тем- ператури тощо. Розрив молекулярних ланцюгів білків, денатурацїї білків, декстринізації крохмалю, де- струкції целюлозно-легнінних утворень та руйнування інших складних сполук в прості призводить до виникнення активних частинок (вільних радикалів, газовидних і низькомолекулярних продуктів, водяної пари), зміни структури і фізико-механічних властивостей сировини [4]. Продукти деструкції мають висо- ку активність і реакційну здатність по відношенню до металічних сплавів і викликають інтенсифікацію процесу зношування [5]. В безпосередньому взаємозв'язку з дією абразивного і фізико-хімічних факторів при переробці фуражного зерна з добавками мінералів знаходяться технологічні параметри переробки - тиск на матері- ал робочих органів, температура, агрегатний стан перероблюваного матеріалу тощо. Встановлено [3, 6], що з підвищенням тиску знос в парі шнек-циліндр зростає лінійно, а температурна залежність зносу має екстремальний характер. З метою вивчення зносостійкості матеріалів з різними властивостями при експлуатації в середо- вищі фуражного зерна з добавкою мінералу сапоніту нами розроблена спеціальна експериментальна установка (рис. 1), що моделює умови роботи пари шнек-циліндр даних екструдерів. На рис. 1 наведена конструктивна схема даної установки, в якій рух від електродвигуна 22 через муфту 21 передається на черв’ячний вал 2, на кінці якого закріплені рухомі зразки 8. Вал опирається на підшипники ковзання 11 - 12 з антифрикційного матеріалу, що розміщені в корпусі 1, в якому кріпляться нерухомі зразки кільця 9. Модельний розчин подається з ємкості 4 в зону завантаження до черв’яка, який при обертанні проштовхує розчин в зазор між рухомими і нерухомими зразками. Після цього розчин по замкнутому каналу повертається в зону загрузки. Величина тиску модельної рідини регулюється гвинтом 18, який частково перекриває січення каналу зворотного руху модельного розчину. Величина тиску ви- мірюється манометром 19. PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com http://www.pdffactory.com http://www.pdffactory.com Дослідження зносостійкості пар тертя в середовищі фуражного зерна з добавками мінералу сапоніт Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2011, № 2 18 Досліджувані зразки, що являють собою рухомі і нерухомі кільця товщиною 5 мм (рис. 2), виго- товляються з різних матеріалів з різними фізико-механічними властивостями і фазовим складом повер- хонь тертя. Діаметри поверхонь тертя кілець в процесі досліджень вимірювались в двох взаємно перпен- дикулярних площинах на мікроскопі ІМЦ 100 × 50А з точністю до 1 мкм через кожні 30 хвилин випро- бувань. Рис. 1 – Схема установки: 1 – корпус; 2 – вал з нарізаними на ньому витками черв’яка; 3 – шайба фіксації зразків; 4 – ємкість з модельним розчином; 5-6 – кришки корпуса; 7 – основа; 8-9– зразки; 10 – втулка; 11 - 12 – втулки з антифрикційного матеріалу, 13-14 – гвинти кріплення кришок; 15-16 – шайби; 17 – гвинт фіксації зразків; 18 – гвинт регулювання тиску середовища; 19 – манометр; 20 – штифт муфти; 21 – муфта; 22 – двигун а б Рис. 2 –Зразки: а ‒ зовнішнє кільце; б – внутрішнє кільце На даній установці проведені порівняльні дослідження на знос зразків із різних сталей (табл.1.), поверхня яких була зміцнена за різними технологічними режимами: іонного азотування, борування, гар- тування. Таблиця 1 Фізико-механічні характеристики зразків Мікротвердість поверхні Нµ, МПа № з/п Вид хіміко-термічної обробки (ХТО) Матеріал зразків до ХТО після ХТО 1 Борування Сталь 45 2500 16560 2 Іонне азотування 38ХМЮА 2690 12050 3 Гартування Сталь 45 2510 4580 4 Без обробки Сталь 20 2430 2430 Дослідження проводились в середовищі модельного розчину, що складається з муки, сапоніту та води відповідно в пропорції 9:1:8. На рис. 3 і табл. 2 наведені результати випробувань зразків (внутрішніх і зовнішніх кілець) з різ- ними видами хіміко-термічної обробки. PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com http://www.pdffactory.com http://www.pdffactory.com Дослідження зносостійкості пар тертя в середовищі фуражного зерна з добавками мінералу сапоніт Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2011, № 2 19 а б Рис. 3 – Залежність зносу від шляху тертя: а – зовнішніх кілець; б – внутрішніх кілець Таблиця 2 Результати випробувань Марки сталей і їх ХТО Сталь 45 Борування 38ХМЮА Іонне азотування Сталь 45 Гартування Сталь 20 Без обробки № з/п Шлях тертя, м Знос, мм Інтенсивність зносу, 10-8 Знос, мм Інтенсивність зносу, 10-8 Знос, мм Інтенсивність зносу, 10-8 Знос, мм Інтенсивність зносу, 10-8 Зовнішні кільця 1 3000 0,017 0,57 0,025 0,83 0,033 1,10 0,106 3,53 2 6000 0,039 0,65 0,041 0,68 0,062 1,03 0,191 3,18 3 9000 0,069 0,77 0,057 0,63 0,094 1,04 0,275 3,06 4 12000 0,118 0,98 0,074 0,62 0,122 1,02 0,347 2,89 Внутрішні кільця 1 3000 0,011 0,37 0,019 0,90 0,036 1,20 0,065 2,17 2 6000 0,033 0,55 0,038 0,73 0,072 1,20 0,209 3,48 3 9000 0,064 0,71 0,059 0,66 0,104 1,16 0,371 4,12 4 12000 0,121 1,01 0,079 0,66 0,139 1,16 0,499 4,16 PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com http://www.pdffactory.com http://www.pdffactory.com Дослідження зносостійкості пар тертя в середовищі фуражного зерна з добавками мінералу сапоніт Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2011, № 2 20 Відомо [7], що в абразивних середовищах існує кореляційний зв'язок між зносом і твердістю по- верхонь тертя, тому інтенсивність зношування зменшується при підвищенні твердості. В нашому випад- ку середовище є не тільки абразивним, але і хімічно-активним в результаті деструкції сировини та утво- рення корозійно-активних компонентів середовища. Тому для забезпечення високої зносостійкості пове- рхні тертя в даному середовищі вона повинна мати крім великої твердості досить високу корозійну стій- кість і бездефектну структуру. Борований шар досліджуваних зразків мав велику кількість мікротріщин, що і стало однією із головних причин його низької зносостійкості та інтенсивного руйнування після 7000 м. шляху тертя. На зразках, які були піддані боруванню, після 12000 м випробувань були помітні дефек- ти в вигляді відшарування та викришування зміцненого шару. Проведені дослідження показали, що з парі тертя інтенсивність зношування внутрішніх кілець, що обертаються, вища в порівнянні з зовнішніми нерухомими зразками при однакових фізико- механічних характеристиках їх поверхонь. Це пояснюється більш інтенсивним протіканням електрохімі- чних і корозійних процесів при русі зразків в хімічно активному середовищі [8]. Таким чином, дослідження показали, що при абразивному зношуванні в хімічно активних сере- довищах на зносостійкість пари тертя крім твердості вплив має якість і фазовий склад поверхневого ша- ру, що забезпечують значну стійкість проти електрохімічних процесів і крихкого руйнування поверхні при зношуванні. Найбільшу зносостійкість показали зразки, що з зміцнювались іонним азотуванням. Література 1. Каплун В.Г., Гончар В.А. Умови роботи і характер зношування деталей екструдера при виго- товленні комбікормів для тваринництва // Проблеми трибології (Problems of Tribology). – 2008. – № 3. – С. 44-47. 2. Зверлин В.Г. Исследования предельно допустимого износа робочих органов червячных прес- сов // Химическое и нефтяное машиностроение – 1982 – № 9. – С. 20-22. 3. Гладченко А.Н. Триботехническое обеспечение долговечности экструзионной техники: Авто- реферат дис. д-ра техн., наук: 05,02.04. – 1992 – 24 с. 4. Черняев И.П. Технология комбикормового производства. – М.: Агропромиздат. – 1985. – 255 с. 5. Бартенев Г.М., Трение и износ полимеров / Г.М. Бартенев, В.В. Лавретьев – Л.: Химия, 1972 – 240 с. 6. Каплун В.Г. Дослідження зносу і тиску в матеріальному циліндрі термопластавтоматів при пе- реробні пластмас / В.Г. Каплун, П.В. Матвіїшин, В.А. Гончар // Проблеми трибології (Рrоblеms оf Тrіbо1оgу). – № 3 – 2007. – С. 25-29. 7. Хрущов М.М. Абразивное изнашивание / М.М. Хрущев, М.А. Бабичев. – М: Наука, 1970 – 252 с. 8. Каплун В.Г. Износостойкость азотированной стали 45Х в растворе лимонной кислоты / В.Г. Каплун, А.Е. Рудык // Проблемы трения и изнашивания: Республ. межвед. науч.-техн. сб. - Вып. 28.- К.: – 1985 – С. 69-74. Надійшла 24.01.2011 Ч И Т А Й Т Е журнал “P r o b l e m s o f T r i b o l o g y” во всемирной сети I N T E R N E T ! http://www.tup.km.ua/science/journals/tribology/ PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com http://www.tup.km.ua/science/journals/tribology/ http://www.pdffactory.com http://www.pdffactory.com