16_Aulin.doc Исследования процессов выделения пузырьков газа в смазывающей среде при приработке и их влияние на изменение … Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2011, № 1 95 Замота Т.Н.,* Аулин В.В.** *Восточноукраинский национальный университет им. В. Даля, г. Луганск, Украина **Кировоградский национальный технический университет, г. Кировоград, Украина ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЦЕССОВ ВЫДЕЛЕНИЯ ПУЗЫРЬКОВ ГАЗА В СМАЗЫВАЮЩЕЙ СРЕДЕ ПРИ ПРИРАБОТКЕ И ИХ ВЛИЯНИЕ НА ИЗМЕНЕНИЕ РЕЖИМА ТРЕНИЯ Введение Значительная часть деталей двигателей, поступающих в ремонт, пригодна к повторному исполь- зованию. Вместе с тем детали, подаваемые на сборку, обладают пониженной точностью и искаженной макрогеометрией за счет износа (годные без ремонта), а также в результате несовершенства технологи- ческого процесса восстановления. Применение электрохимико-механической приработки (доводки) (ЭХМП(Д)) позволяют исправлять макрогеометрию сопряженных деталей, приспосабливать их друг к другу после сборки сопряжений [1, 2]. Технологический процесс ЭХМП(Д) включает в себя протекание ряда специфических процес- сов, которые уменьшают продолжительность приработки, способствуют изменению режима трения, да- ют возможность при этом электролит считать неньютоновской жидкостью [3], в которой при подаче пе- ременного тока на сопряженные детали развивается процесс интенсивного выделения воздушных пу- зырьков у их рабочих поверхностях. Цель работы Исследование загазованности электролита при ЭХМП(Д), влияния его на качество приработки, изменения триботехнических характеристик рабочих поверхностей и режима трения деталей. Методика проведения эксперимента Исследование влияния электрохимических параметров на газообразование при развитии прира- боточных показателей проводили по схеме ролик-колодочка. Зазор а в трибосистеме (ТС) изменялся за один оборот ролика от 0 до 100 мкм за счет его биения. Загазованность электролита при напряжениях 3, 4 и 5 В определяли по схеме (рис. 1). Рис. 1 – Схема отбора проб загазованного электролита Дисперсионность пузырьков газа оценивали с помощью микроскопа МБС-10, при увеличении х56, и специальной индикаторной головки МИГ-1 с ценой деления 1 мкм, вводимой в измерительную систему предметного столика (рис. 2). Процесс газовыделения фиксировали визуально. Рис. 2 – Схема оценки загазованного электролита PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com http://www.pdffactory.com http://www.pdffactory.com Исследования процессов выделения пузырьков газа в смазывающей среде при приработке и их влияние на изменение … Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2011, № 1 96 Были поставлены два вида экспериментальных исследований. В первом эксперименте исследо- вания проводили при постоянной нагрузке 58,9 Н. Продолжительность опытов была 20 мин. Для опреде- ления периода наиболее благоприятного развития площади пятна контакта при ЭХМП(Д) наблюдения проводили через каждые 5 минут. Электрический ток подавали по схеме, изображенной на рис. 3. Рис. 3 – Схема подключения электродов к колодочке Показания силы тока и напряжения фиксировали через каждые 30 с. Напряжение холостого хода изменялось в пределах 1,8 ... 2,1 В. В процессе исследований напряжение принудительно поднимали до 3 В. Сила тока при этом не превышала 0,5 А. Потенциал на колодочке изменяли с помощью электродов сравнения, которые представляли собой медные проводники, изолированные от колодочки и осцилло- графа С-19Б. Во втором эксперименте использовали ступенчатое изменение нагрузки через 20 ... 90 с с шагом 19,6 и 28,8 Н до значений 245,3 и 387,5 Н. Продолжительность опытов 20 и 56 минут. Начальное напря- жение составляло 2,1 В. Во время опытов силу тока принудительно увеличивали до 3 и 5 А. Частота вращения ролика в экспериментах была одинакова – 300 мин–1. Особенности электрохимического травления в зазоре и контакте без взаимного перемещения по- верхностей исследовали на сопряжениях материалов трибоэлементов (ТЭ) "хром-сталь" и "хром-чугун". Электрохимическое травление сопряжения материалов "хром-сталь" при постоянном напряжении в зави- симости от величины зазора и изменяющемся напряжении при постоянном зазоре проводили по схеме "ролик-кольцо". Эти условия были следующими: - во всех опытах напряжение холостого хода составляло Uхх = 2,0 В, а величина зазора а изменя- лась от 10 до 60 мкм с шагом 10 мкм; - зазор оставался постоянным и равным а = 20 мкм, а напряжение холостого хода Uхх поднима- лось от 1,6 В до 2,0 В с шагом 0,1 В. Повторность опытов была не менее 3. Исследования процессов приработки сопряжений материалов ТЭ проводили на модернизиро- ванной машине трения СМЦ-2. Стальной ролик ∅ 83 мм устанавливался на нижнем валу машины, а хро- мированное кольцо ∅ 120 мм в оправке – на верхнем. Подпором поворотной бабки с помощью винтовой пары устанавливали требуемый зазор в наиболее сближенных точках сопряжения. Стальной ролик и кольцо при этом были разбиты на 16 участков. Посредине каждого участка на торцовой поверхности об- разцов делался тонкий надпил, по которому проходила игла профилографа при профилографировании. В процессе эксперимента в электрохимический контакт вводились последовательно места, отмеченные над- пилами. Каждый опыт проводили на новых поверхностях на установке для химического травления (рис. 4). Рис. 4 – Схема установки для электрохимического травления пары хром-чугун на зазоре: 1 – колодочка R = 60 мм; 2 – хромированные кольца ∅ 120 мм; 3 –предметный столик; 4 – индикатор часового типа; 5 – фиксирующая пластина из оргстекла; 6 – столик; 7 – ванночка; 8 – микроскоп МБС-10; 9 – трубка для подачи электролита Согласно схеме установки электролит 1 подавали через наконечник с расходом 5 капель в мину- ту. Это обеспечивало постоянное заполнение зазора электролитом. Колодочку фиксировали в прорези пластины 5. Кольцо 2 ложилось на предметный столик 3. Предварительно кольцо сжимали до теплового зазора в замке с помощью пластины и винтов с гайками. Таким образом, обеспечивался постоянный ра- диус кривизны кольца. Необходимый зазор устанавливался с помощью предметного столика и индикато- ра часового типа. PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com http://www.pdffactory.com http://www.pdffactory.com Исследования процессов выделения пузырьков газа в смазывающей среде при приработке и их влияние на изменение … Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2011, № 1 97 Результаты исследований и их обсуждение Для выяснения роли выделяющихся пузырьков газа на протекание процессов ЭХМП(Д) исследо- вано влияния их количества и дисперсности на изменение конусности, площади пятна контакта и износ. Результаты исследований изменения макрогеометрии приведены в табл. 1. Таблица 1 Изменение макрогеометрии сопряженных трибоэлементов при различных напряжениях Конусность роликов, мкм Износ, мг Напряжение холостого хода, Uхх, В до после Площадь пятна контакта на колодочке, мм2 ролика колодочки 3 10,60 8,97 13,89 5,80 2,03 4 10,83 1,97 33,36 15,70 3,07 5 11,47 12,70 16,40 29,77 4,07 Как видно из приведенных данных, при ЭХМП(Д) имеет место исправление искаженной формы деталей сопряжения, развевается площадь контакта при сравнительно небольшом износе. Наилучшие ре- зультаты наблюдали при Uхх =4 В: конусность снизилась с 10,83 мкм до 1,93 мкм; площадь пятна кон- такта была наибольшей – 33,36 мм2; износ ролика и колодочки оказались средними. Для развития площа- ди контакта равной 1 мм2 при 3 В колодочка изнашивалась на 0,146 мг/мм2, а при 4 В – 0,092 мг/мм2. Если рассмотреть отношение износа ролика к уменьшению конусности, то для 3 В оно составит 3,56 мг/мм2, для 4 В – 1,76 мг/мм2, при 5 В – конусность из-за электроэрозионных процессов даже ухудшилась. Определяли также количество и дисперсность пузырьков газа, образовывающихся в электролите при различных напряжениях (рис. 5). а б в Рис. 5 − Распределение выделившихся воздушных пузырьков в электролите при приработке по их диаметру при различных напряжениях: а – 3 В; б – 4 В; в – 5 В PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com http://www.pdffactory.com http://www.pdffactory.com Исследования процессов выделения пузырьков газа в смазывающей среде при приработке и их влияние на изменение … Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2011, № 1 98 Можно видеть, что при Uхх = 3 В имеет место неинтенсивное газообразование с преобладающим образованием пузырьков диаметром 5...29 мкм. При Uхх = 4 В образовывалось большое количество мел- ких пузырьков размерами до 10 мкм, а при Uхх = 5 В преимущественно образовывались пузырьки разме- ром до 2 ... 10 мкм и 15 ... 50 мкм. По всей вероятности, попадая во впадины микрошероховатости пузырьки, вследствие своих ди- электрических свойств, предотвращают растравливание этих впадин (рис. 6). Рис. 6 – Схема возможного расположения пузырьков газа при ЭХМП(Д) При этом микровыступы не блокируются мелкими пузырьками, что способствует их локальному травлению. В то же время крупные пузырьки могут закрывать микровыступы, в результате чего проис- ходит пробой в межэлектродном зазоре, вызывающий эрозию металла. Такое явление наблюдали при Uхх = 5 В. Таким образом, экспериментальные результаты показывают, что при напряжении 4 В возникают лучшие условия для травления микровыступов, что создает возможность сглаживать микроповерхность за счет чего более интенсивно развивается площадь пятна контакта при более малой величине износа. По диаметру пузырьков d и коэффициенту поверхностного натяжения электролита (σ = 3,01⋅10–2 Н/м) проведена оценка избыточного давления в пузырьках: d/Pn σ⋅= 4 . (1) Используя закон Бойля-Мариотта, избыточное давление в пузырьках разных диаметров и их ко- личество, был определен коэффициент перевода объема газа в пузырьке в нормальные условия и объем выделившегося газа. Выявлено, что мелкие пузырьки обладают большим избыточным давлением, при- чем при уменьшении диаметра пузырьков, меньше 10 мкм, возрастание давления в них идет наиболее интенсивно. Зная исследуемый объем электролита в установке выявлено: при 3 В газ занимал 0,081 % от этого объема, при 4 В – 0,088 %, а при 5 В был 0,239 %. Определено, что электропроводимость газовой эмульсии ниже, чем чистого электролита. Оценка электропроводности проводили по формуле: ( )20 7811 ψ+ψ⋅−χ=χ ,эф , (2) где ψ = Vг / Vэл – величина, показывающая отношение объема газа Vг к общему объему элек- тролита Vэл: она тем больше, чем больше выход по току газов, чем меньше межэлектродное расстояние; χ0 – электропроводимость незагазованного электролита. Исследования с использованием электродов сравнения показали, что на первом электроде по хо- ду вращения ролика потенциал был наименьшим. Затем потенциал увеличился и на третьем электроде он был максимальным (табл. 2). Таблица 2 Токовые параметры в различных местах колодочки Точка измерения Напряжение в различных точках, U, В Напряжение на кольце, U, В Напряжение, Uхх, В Сила тока, I, А 1 1,26 2 2,27 3,86 4,00 1,00 3 3,70 При одинаковом зазоре под электродами различие напряжений свидетельствует об образовании газовых пузырьков в электролите под колодочкой по мере вращения ролика (рис. 7). PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com http://www.pdffactory.com http://www.pdffactory.com Исследования процессов выделения пузырьков газа в смазывающей среде при приработке и их влияние на изменение … Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2011, № 1 99 Рис. 7 – Схема загазовывания электролита Чистый электролит попадая в зазор между роликом и колодочкой начинал заполняться пузырь- ками газа. Время прохождения точки А вдоль поверхности колодочки составляет 0,01 с, время прохож- дения точки 1 и 2 составляло 0,003 с. За столь короткое время происходило существенное снижение электропроводности электролита. Проведены также исследования влияния скорости вращения с 100 мин–1 до 500 мин–1, при кото- рых наиболее мелкодисперсное газообразование наблюдали при Uхх = 4 В. Выводы Исследования показали, что в реальных условиях приработку сопряжения материалов ТЭ необ- ходимо проводить при чередовании граничного и гидродинамического режимов трения, причем доля гидродинамического режима увеличивается. ЭХМП(Д) с предпочтительным использованием электроли- та состава: 20 % водного раствора нитрата натрия с добавлением глицерина в соотношении 1/4, можно исправить конусность и развивать площадь пятна контакта при сравнительно небольшом износе. Наилучшие результаты были получены при напряжении холостого хода Uхх = 4 В. В таких усло- виях наблюдали интенсивные образование мелкодисперсной газовой эмульсии в зазоре, характеристики которой существенно влияют на качество приработки рабочих поверхностей, а также установления гид- родинамического режима трения. Литература 1. Алексеев В.П. Влияние электрохимико-механических процессов на трение и износ поверхно- стей в механизме ползун-цилиндр / В.П. Алексеев, Т.Н. Замота, М.А. Домбровсикй, Р.В. Зорин // Зб. наук. праць ЛНАУ. Технічні науки. – № 31. – Луганск, 2003. – С. 4-9. 2. Алексеев В.П. Износ первого компрессионного кольца как компенсирующего звена размерной цепи КШМ при проведении электрохимико-механической приработки (доводки) / В.П. Алексеев, Т.Н. Замота, А.Н. Мельников // Зб. наук. праць ЛНАУ. Технічні науки. – № 17. – Луганск, 2002. – С. 7-10. 3. Уилкинсон У.Л. Неньютоновские жидкости. Гидромеханика, перемешивание и теплообмен / У.Л. Уилкинсон. – М.: Мир, 1964. – 216 с. Надійшла 20.12.2010 PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com http://www.pdffactory.com http://www.pdffactory.com