22_Dykha.doc Вплив швидкісного фактора на зносостійкість трибосистем граничного тертя Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2011, № 1 131 Диха О.В., Сорокатий Р.В., Гедзюк Т.В. Хмельницький національний університет, м. Хмельницький, Україна ВПЛИВ ШВИДКІСНОГО ФАКТОРА НА ЗНОСОСТІЙКІСТЬ ТРИБОСИСТЕМ ГРАНИЧНОГО ТЕРТЯ Вступ Процеси тертя та зношування машин багато в чому залежать від властивостей мастильного матеріалу. Останніми роками західні і вітчизняні фірми приділяють велику увагу розробці високоякісних мастильних матеріалів, як на синтетичній так і на мінеральній основі, здатних задовольняти підвищеним вимогам до антифрикційних, протизнозносових та антизадирних властивостей. Вибір мастильного матеріалу залежить від конструктивно-технологічних особливостей вузла тертя, зокрема матеріалів, що використовуються для виготовлення або відновлення поверхонь вузлів тертя, їх подальшої обробки, режиму роботи мастильного матеріалу і умов його експлуатації. Тип мастила уточнюється лабораторними і стендовими випробуваннями. В даний час підбір мас- тил до агрегатів машин є складним завданням, з огляду на те, що на споживчому ринку є великий асор- тимент мастильних матеріалів різних фірм - виробників, дані про які не дозволяють судити про їх дійсну якість. Для ефективного вибору мастильного матеріалу необхідно дослідити основні закономірності процесів тертя і зношування деталей машин, умови, в яких експлуатуються мастила, режими наванта- ження, швидкісні характеристики. Постановка завдання Вплив швидкості ковзання на фрикційні властивості вивчений недостатньо. Швидкість ковзання визначає тривалість існування одиничного фрикційного зв`язку і, відповідно, швидкість деформування матеріалів. З цієї причини на тертя та зношування впливає в`язкість фрикційного контакту. Якщо має місце безпосередній контакт нерівностей (граничне тертя і мащення), зростання швидкості ковзання при- зводить до скорочення тривалості фрикційного контакту , зменшення площі фактичного торкання і зменшення коефіцієнту тертя. Більшість пар тертя, що працюють в умовах граничного змащування, ма- ють чітко визначені реологічні властивості і сприяють виникненню релаксаційних коливань, що характеризується спадаючою залежністю сили тертя від швидкості. В умовах рідинного тертя, коли немає взаємного проникнення матеріалів, реалізується звичайна в`язкість мастила, яка призводить до зростання опору при зростанні швидкості. Тобто в даному випадку впливають реологічні властивості мастильного матеріалу [1-2]. В даній роботі ставиться задача на основі лабораторних випробувань на зношування дослідити вплив швидкості ковзання зразків на характеристики зношування в умовах гра- ничного змащування. Виклад основного матеріалу 1. Теоретичні передумови Для опису процесу зношування, в тому числі і за наявності мастильного матеріалу, використо- вують математичні форми закономірностей зношування. Закономірність зношування встановлюється ек- спериментально та апроксимується деякими функціями. Найбільшого розповсюдження отримало подан- ня експериментальних закономірностей у вигляді залежності інтенсивності зношування від різних параметрів (контактного тиску, швидкості ковзання, температури). Для прогнозування зношування в присутності мастильного матеріалу пропонується використовувати модель [3] у вигляді залежності інтенсивності зношування від параметрів: навантаження *E W σ = і швидкості ковзання ν ⋅ = ∗RV U . nm W W UWK ds du = , (1) де σ − тиск в контакті, МПа; ∗E − приведений модуль пружності матеріалів контактуючих тіл, МПа; V − швидкість ковзання, м/с; ∗R − приведений радіус контактуючих тіл, м; ν − кінематична в`язкість мастильного матеріалу (при 100 °С), м2/с; PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com http://www.pdffactory.com http://www.pdffactory.com Вплив швидкісного фактора на зносостійкість трибосистем граничного тертя Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2011, № 1 132 wu − лінійний знос тіл, м; S − шлях тертя для тіла, що зношується, м; nmKW , , − параметри закономірності зношування. Розрахункова схема випробувань показана на рис. 1. Q R αQ1 R RQ1 ασ a u w N Рис. 1 – Геометрія контакту при випробуваннях за чотирикульковою схемою Прийнявши припущення про рівномірний розподіл контактного тиску, маємо: 2 1 a Q π =σ , (2) де 1Q − сила, що діє по нормалі до кожної нижньої кульки; a − радіус кругової площадки контакту спряжених кульок. Сила 1Q виражається через загальну силу Q , що діє на верхню кульку: Q1 = 0,4082Q. Зв`язок зносу Wu і розміру площадки контакту a нижніх кульок в центрі площадки контакту визначається з геометрії перетину сферичних поверхонь в залежності від радіусу площадки контакту a і шляху тертя: ( ) ( ) R Sa SuW 2 2 = . (3) Експериментальна залежність радіусу кругової площадки контакту від шляху тертя представляється у вигляді степеневої апроксимації: ( ) β= cSSa , (4) де c , β − параметри апроксимації, які визначаються за наслідками випробувань на чотирикульковій машині тертя. Інтегруючи вираз (1), отримаємо інтегральну форму моделі зношування нижніх кульок: ( ) ( ) dSUSWKSu S nm WW ∫= 0 . (5) Підставляючи в ліву частину рівняння вираз для зносу через радіус площадки контакту, а в праву вираз для контактного тиску, отримаємо: ( ) ( ) dS VR ESa Q K R Sa n S m W ∫       ν           π = ∗ ∗ 0 2 1 2 1 2 , (6) або після інтегрування по шляху тертя маємо: m SVR Ec Q K R Sc m nm W β−       ν       π = β−∗ ∗ β 212 21 2 1 22 . (7) Звідки: β β− = 2 21 m . (8) Для знаходження параметра n проводимо випробування на чотирикульковій машині тертя при двох значеннях швидкості , звідки отримаємо дві групи даних з параметрами: . ; 21 ββ == ScaSca (9) PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com http://www.pdffactory.com http://www.pdffactory.com Вплив швидкісного фактора на зносостійкість трибосистем граничного тертя Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2011, № 1 133 В даній роботі розглядаються задачі визначення параметрів зношування за наслідками випробу- вань зразків з площадкою контакту )(Sa , що змінюється в процесі зношування. Зміна площадки зношу- вання викликає зміну значень контактного тиску )(aσ . Показник степеня m характеризує швидкість зміни контактних тисків і безпосередньо пов`язаний з параметром β експериментальної залежності (4), який характеризує відповідно швидкість зміни площадки контакту при зношуванні. Зв`язок між m і β в прийнятій закономірності зношування однозначно описується співвідношенням (8). Оскільки в даних виразах швидкість ковзання V не залежить від шляху тертя S , то вона не впливає на параметри m і β в процесі проведення випробувань. В даному випадку зміна швидкості ковзання V лінійно впливає тільки на масштабний коефіцієнт c . Викладені міркування підтверджуються результатами випробувань. Вирази (9) дозволяють отримати на базі рівняння (7) систему двох рівнянь для відшукання шука- них параметрів. В результаті отримаємо: )/lg( )/lg( )22( 21 21 VV cc mn += ; .* 11 *22 1 nmm W RVQ E R c K       ν       πβ = + (10) 2. Результати випробувань Для дослідження впливу швидкості ковзання були досліджені два типи мастильних матеріалів: 1. М6/12 – Г1, ν = 12 мм2/с; 2. 15W-40, ν = 15 мм2/с. Випробування проводились на чотирикульковій машині тертя за наступних умов: 1. Діаметри верхніх и нижніх кульок 12,7 мм. 2. Навантаження на верхню кульку 65 Н; 3. Частоти обертання верхньої кульки 1N = 200 об/хв, 2N = 500 об/хв (лінійні швидкості ков- зання відповідно – 1V = 0,077 м/с, 2V = 0,192 м/с). Під час випробувань температура масла в зоні контакту контролювалася за допомогою термо- метра ЕТП–1М. За даних умов випробувань температура масла залишалася майже незмінною ~ 30 °С. Результати випробувань представлені в табл. 1. Таблиця 1 Середні розміри радіусів зносу a нижніх куль, в мм Тип мастила 20 хв 40 хв 60 хв 90 хв 120 хв n = 200 об/хв М6-12Г 0,55 0,73 0,79 0,80 0,80 n = 500 об/хв М6-12Г 0,61 0,80 0,80 0,81 0,82 n = 200 об/хв 15W-40 0,50 0,65 0,66 0,69 0,71 n = 500 об/хв 15W-40 0,57 0,70 0,73 0,77 0,80 Графічна інтерпретація результатів випробувань показана на рис. 2. 200 об/ хв 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 20 40 60 90 120 t, хв a, м м 500 об/ хв 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 20 40 60 90 120 t, хв a, м м Рис. 2 – Залежності розміру площадки зносу від часу ( ♦ – М6-12Г; ■ –15W-40) PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com http://www.pdffactory.com http://www.pdffactory.com Вплив швидкісного фактора на зносостійкість трибосистем граничного тертя Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2011, № 1 134 Параметри зносостійкості за алгоритмом залежностей (1 - 10) розраховувались за допомогою програми MathCad. Параметри апроксимації експериментальної функції (4) визначались за допомогою програми Excel. Приклад реалізації розрахунку для першого типу масла М6-12Г наведений нижче. Після реалізації розрахункового алгоритму були отримані необхідні параметри апроксимуючої функції (4) і параметри функції інтенсивності зношування (1), представлені в табл. 2. PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com http://www.pdffactory.com http://www.pdffactory.com Вплив швидкісного фактора на зносостійкість трибосистем граничного тертя Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2011, № 1 135 Таблиця 2 Результати розрахунку параметрів зносостійкості Тип масла М6-12Г 15W-40 β 0,272 0,266 1c , мм β−1 (200 об/хв) 0,0367 0,0353 2c , мм β−1 (500 об/хв) 0,0347 0,0339 m 1,674 1,759 n -0,328 -0,232 WK 0,026 0,018 Значення отриманих параметрів в безрозмірному комплексі інтенсивності зношування (1) дають можливість кількісно оцінити вплив факторів контактного тиску та швидкості ковзання на знос. 2 1 V , м/с σ, МПа2 4 6 8 4321 I 10 -11 10 20 30 40 2 4 6 8 4321 I 10 -11 40 30 20 10 1 2 М6-Г12 15 W- 40 Рис. 3 – Залежності інтенсивності зношування Iвід контактного тиску σ (1) та швидкості ковзання V (2) На рис 3. представлені графічні залежності інтенсивності зношування від контактного тиску і швидкості ковзання, побудовані на основі прийнятої моделі зношування (1) з параметрами, отриманими і розрахованими в результаті проведених випробувань двох типів мастильних матеріалів при двох значен- нях швидкості ковзання. Отримані параметри моделей зношування дозволяють визначати значення інтенсивності зношування вузлів тертя, що працюють з вказаними мастильними матеріалами для різних умов навантаження та швидкостей ковзання. Загальний аналіз отриманих результатів однозначно вказую на підвищення зносостійкості із збільшенням швидкості ковзання в робочому діапазоні параметрів, в яких проводились випробування для обох типів мастильних матеріалів. Ці результати узгоджуються з основними загально прийнятими положеннями впливу швидкості ковзання на процеси тертя і зношу- вання, характерними для граничного режиму змащування, який реалізується при випробуваннях за чоти- рикульковою схемою. Представлена розрахунково-експериментальна методика дозволяє на основі традиційних випробувань отримувати кількісні моделі зношуванні, що дозволяють прогнозувати зносостійкість вузлів тертя в умовах граничного змащування і оптимізувати конструктивні, кінематичні та навантажувальні параметри змащених трибосистем. Висновок Представлена експериментально-розрахункова методика дослідження впливу швидкості ковзан- ня на зносостійкість вузлів тертя за результатами лабораторних випробувань за чотирикульковою схе- мою в умовах граничного змащування. Література 1. Крагельский И. В. Трение и износ / И. В. Крагельский. – М.: Машгиз, 1962. – 383 с. 2. Справочник по триботехнике / под общ. ред. М. Хебды, А. В. Чичинадзе : в 3 т. – Т. 1. Теоре- тические основы. − М. : Машиностроение, 1989. − 400 с. 3. Кузьменко А. Г Контакт, трение и износ смазанных поверхностей. Монография / А.Г.Кузьменко, А.В. Дыха. – Хмельницкий: ХНУ, 2007. – 344 с. Надійшла 09.01.2011 PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com http://www.pdffactory.com http://www.pdffactory.com