Розрахунково-експериментальне моделювання впливу температури і модифікації моторної оливи на зносостійкість сталевих зразків Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2015, № 2 95 Диха О.В., Гедзюк Т.В. Хмельницький національний університет, м. Хмельницький, Україна E-m ail: t ribosenator@gmail.com РОЗРАХУНКОВО-ЕКСПЕРИМЕНТАЛЬНЕ МОДЕЛЮВАННЯ ВПЛИВУ ТЕМПЕРАТУ РИ І МОДИФІКАЦІЇ МОТОРНОЇ ОЛИВИ НА ЗНОСОСТІЙКІСТЬ СТАЛЕВИХ ЗРАЗКІВ УДК 621.891 Пр едставлені р езу льтати р озр аху нково-експер иментального моделювання впливу темпер ату р и мотор ної оливи та введення пр исадкового матер іалу на зносостійкість сталевих зр азків. Дослідження пр оводились для схеми тр ибологічних випр обу вань «кону с-тр и кульки». Запр опонована дво хфактор на модель інтенсивності зношу вання у вигляді безр озмір них комплексів контактного тиску і темпер ату р и. Резу льтати моделювання пр едставлені на пр и- кладі. Ключові слова: модель зношування, температура моторної оливи, присадки, контактний тиск. Вступ та постановка завдання Для випробувань в трибології широко зас тосовується с хема чотирикуль кової п іраміди [1]. За ц і- єю схемою три кульки вс тановлюю ть жорстко (без обертання ) у нижньому корпусі, а четверту розм і- щують звер ху на перш і три, наван тажують і обертаю ть. При цьому випробовується, я к прави ло, масти- льний матеріа л. За кри терій температурної стійкості випробовувани х при терті масел прийнята кри тична температура руйнування гранични х змащува льни х шарів. Ця температура визначається по різкому зрос- танню коефіцієн та тертя . Вказана с хема має обмеження щодо випробувань конструкц ійни х матеріа лів, оскільки ку льки приймаються с тан дартними з шарикопідши пниково ї ста лі. Ви готовлення ку лькови х зра- зків для випробувань матеріалів практично недоц ільне і складно реалізуєме. В дан ій роботі для випробу- вань різни х конструкц ійни х ма теріа лів використовується с хема випробувань «конус - три кульки» [2 - 3], яка дає можливіс ть зас тосовувати в якос ті досліджувани х кон ічні зразки з різн и х матеріа лів. При ц ьом у в процесі випробувань змінюється кон тактни й тиск внаслідок зміни п лощадки конта кту, що дає можли- віс ть за резуль татами випробувань одного зразка мати резуль та ти для діапазону тиску. Ме тою роботи є розрахунково-експериментальні дослідження впливу факторів тиску і температури на процес зношування. Теорія випробувань за моделлю "тис к - тем пе ратура" Для оц інки зношування досліджуваного кон ічного зразка за с хемою конус-три куль ки приймемо модель у ви гляді залеж ності ін тенсивнос ті зношування від безрозмірни х параметрів конта ктного тиску і температури у вигля ді: pm W W T T HB fK dS du              * , (1) де f − коефіц ієн т тертя;  − тис к у кон такті, МПа; HB − твер діс ть за Бріне лем, МПа; Wu − лінійне зношуванн я конусної повер хн і, м; S − ш ля х тер тя для конуса, м; WK , m , p − параметри закономірності зношуван ня; *,TT − відповідно температура випробувань і базова температура, К. Приймемо форму зношеної поверхн і у вигля ді колового жолоба з радіусом профілю a . Припус- тимо що контактний тиск п ід жорсткою ку лькою по зношеній повер хні жо лоба конуса розподілений рів- номірно. Тоді спараведливо сп іввідношен ня: 2 1 a Q   , (2) де 1Q − си ла, що діє по нормалі до кожно ї ни жньої куль ки; a − ра діус колової площа дки конта кту с пряжени х ку льок і конуса. Розрахунково-експериментальне моделювання впливу температури і модифікації моторної оливи на зносостійкість сталевих зразків Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2015, № 2 96 Си ла 1Q у відповідності до (2) виражається через зага льну си лу Q , що діє на вер хню конус:   cos31 Q Q . Зв`язок максимального зносу Wu і розміру площадки контакту a центрі площадки визначається:    * 2 2R Sa SuW  , (3) де rR Rr R  * − приве дени й радіус в кон такті конуса і кульки. Експерименталь на за лежн ість радіусу колового жолобу зносу конуса від ш ля ху тер тя пре дста в- ляється у ви гляді с тепенево ї апроксимації:    cSSa , (4) де c ,  − параметри апроксимації, які визначаються за нас лідками випробувань. Інте груючи вираз (1), о тримаємо інтеграль ну форму моделі зношування конуса:   dS T T HB S fKSu S pm WW                0 * )( . (5) Далі, підс тавляючи в ліву частину рівняння вираз для зносу через радіус площа дки конта к- ту, а в праву – вираз для кон та ктно го тиску, п іс ля пере творень отримаємо: m S T T HBc Q fK R Sc m pm W                 212 21 *2 1 * 22 . (6) З умови виконуваності даного рівняння слідує:    2 21 m . (7) Для зна хо джен ня параме тра p проводимо випробуванн я при дво х значен ня х темпера тури 1T і 2T . То ді на основі (6) о тримаємо сис тему з дво х р івн янь . Розділивши перше рівня ння на друге, п іс ля перетворень отримаємо: . )/lg( )/lg( )22( 21 21 TT cc mp  (8) Для зна хо дження коефіц ієн та WK скористаємось одним з ви ще вказани х рівнянь : . cos3 * * 22 1 pmm W T T Q HB fR c K                (9) Облад нання, те хнологія і методика випробувань Випробування зале жності зношуванн я кон ічни х зразків від температури моторної оливи прово- ди ли на експериментальн ій установц і за відомою схемою тертя «конус – три кульки» [2 - 3]. Кон ічна по- вер хня зразка 1 притис калась до кульок 2 си лою Q = 100 Н і зразок обертався частотою n = 500 об/хв. (рис. 1). Швидкість ковзання повер хонь тертя кульок і зразка с тановила 0,19 м/с. Тертя відбувалося у ванні моторної оливи 4. Нагр івання оли ви до за даної температури здійснюва ли спец іально виготовленим на грівачем 5 з вмонтованим термоелектричним е лементом T 220 – 0.6/ 13 ELECT RON , встановленим і тепло ізольованм асбестовою набивкою в закри тому сталевому кожусі, який о дівався на Розрахунково-експериментальне моделювання впливу температури і модифікації моторної оливи на зносостійкість сталевих зразків Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2015, № 2 97 корпус 6 вузла тертя . Температуру моторної оливи вимірювали да тчиком з хромель-алюмелієвою тер- мопарою 2. 1 2 3 4 5 6 Q n Т1 2 3 4 5 6 Q n Т Рис. 1 – Пристрі й нагрі вання моторної оливи Вс тановлен ня ста лого температурного режиму тертя здійсню вали розробленим блоком управління нагр івачем, який міс ти ть трансформатор типу ЛАТР 220 В 2 А (рис. 2), за допомогою до клем термоелектричного елемента (Т ЕН) пода валася напруга 40, 50 і 60 В, що піс ля прогріванн я протягом 2-х годин забезпечувало с талу температуру моторної оливи 54, 73 і 96 оС. 22 0 B 40 B 50 B 60 B Тр A ТЕН 22 0 B 40 B 50 B 60 B Тр A ТЕН Рис. 2 – Еле ктрична схема блоку управлі ння нагрі вачем Випробували знос зразків зі с та лі 45, загар товани х до твер дості 40НRC за умови тер тя в моторній оливі Magnum 15W-40 без присадки (дос ліди А) і з присадкою до оли ви (дос ліди Б), яка місти ла оле їнову кис лоту, гліцерин, мідни й пудру і мідний купорос відповідно 65, 13, 20 і 2 об. %. Досліди А і Б проводи ли за нормальної температури (24 оС) оливи і нагріто ї до 54 оС і 96 оС. Триваліс ть безперервного тертя за кожним режимом складала 30 хв, піс ля чого слід зношування повер хн і зразка у формі сегментної канавки шириною 2а (мм) вимірювали мікроскопом МБС – 10 з точн істю 0,05 мм. Ви- пробування кожного зразка проводилось протягом 3-х го дин, що відповіда ло ш ля ху тертя 2052 м. Резуль та ти випробувань наведено в табл. 1. Таблиця 1 Розмі ри с ліду зношування 2а (мм) конічних зразків зі сталі 45 при змащуванні моторною оливою Mag num 15W – 40 без прис адки (дослід и А) і з присад кою (д осліди Б) Т = 24 о С Т = 54 оС S, м Досліди А Досліди Б Досліди А Досліди Б 342 0,30 0,15 0,95 0,50 684 0,65 0,25 1,25 0,60 1026 0,90 0,35 1,40 0,70 1368 1,20 0,50 1,40 0,80 1710 1,30 0,55 1,40 0,80 2052 1,30 0,55 1,40 0,80 Розрахунково-експериментальне моделювання впливу температури і модифікації моторної оливи на зносостійкість сталевих зразків Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2015, № 2 98 Обробка резуль татів випробувань За отриманим експериментальними даними були побудовані графіки за лежності розмірів п ло- щадки зношуванн я від ш ля ху тертя , показан і на рис. 3. 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 1,4 1,6 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 Ш лях тертя, мм П од ві й на ш ир ин а к ан а вк и, м м t24 з приса дкою t24 бе з прис а дки t54 з приса дкою t54 бе з прис а дки Рис. 3 – Ре зультатиПристрі й нагрівання моторної оливи Далі за допомогою програми Exce l були визначен і параметри степене вої апроксимації (4), пока - зані в таблиц і 1. Таблиця 1 Параме три с тепе невої апроксим ації (4) Параметри степене вої апроксимації (4) с  24 °С 0,0514 0,374 Без приса дки 54 °С 0,064 0,398 24 °С 0,037 0,0303 З присадкою 54 °С 0,0503 0,348 Залежності ін тенси вності зношуван ня від кон тактного тиску і температури оливи , побудован і за моделлю (1), предс тавлен і на рис. 4. а б Рис. 4 – За ле жності і нте нсивності зношування від контактного тиску і темпе ратури оливи: а – бе з присадки; б – з присадкою За залежностями (7 - 9) за допомогою програми MathCad розраховувались параметри зносостій - кості m , p , WK моделі зношування (1) при нас тупни х ви хідн и х дани х:ма теріа л конічного зразка Розрахунково-експериментальне моделювання впливу температури і модифікації моторної оливи на зносостійкість сталевих зразків Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2015, № 2 99 Сталь 45, 45НВ ; зовнішнє навантажен ня Q = 60 Н; базова температура Т * = 20 °С; кут конусу зразка 1100, коефіц ієн т тер тя f = 0,01. Д ля досліджуваної о ливи (без до даванн я присадки і без неї) параметри зносостій кості моде лі зношування наве ден і в таб л. 2. Таблиця 2 Параме три зносос тійкості м оделі зношування (1) Параметри зносостійкос ті m p WK Без приса дки 0,2957 0,7255 0,01 З присадкою 0,5359 1,1632 0,0009552 Резуль та ти розра хунково-е ксперименталь ни х досліджень вказують на збільшення інтенси вності зношування. Разом з цим введен ня приса дки до моторної о ливи значно зменшує інтенси вн ість зношу- вання досліджувани х зразків. Виснов ки 1. Запропонована теорія методу випробувань на знос за схемою «конус-три куль ки» для дво хфа- кторної безрозмірної моделі зношування « тиск-температура» з визначенням параметрів зносостійкос ті. 2. Розроблена конс трукц ія пристрою для випробувань на знос конічни х зразків в моторній оливі з підігр івом оливи в діапазон і температур 20 - 100 °С та еле ктронний блок керування нагрівачем. 3. На базі запропонованої моделі зносостійкос ті встановлений вп лив факторів наван таженн я та температури на ін тенсивн іс ть зношуван ня с тале ви х зразків. Літе ратура 1. Г ОСТ 9490−75. Ма териалы смазочные жидкие и плас тичные. Ме тод опреде ления трибологи - чески х свойс тв на четыре хшариковой машине. − М.: Изд-во с тан дартов, 1980. 2. Dykha O.V. Rated and experimental mode ling of tribological properties of constructional and lubri- cating materia ls / O.V.Dykha, T.V. Ged zuk // Проблеми трибології (Proble ms of Tribology). – 2014. – № 1. – С. 84-87. 3. Ди ха О. В., Резу ль тати випробувань на знос кон ічни х зразків зі с та лі 45 в моторній оливі / О. В. Ди ха., В. П. Ве льбой, Т. В. Гедзю к // Проблеми трибології. – 2014. - №2. – С. 111 - 115. Поступи ла в редакц ію 15.06.2015 Розрахунково-експериментальне моделювання впливу температури і модифікації моторної оливи на зносостійкість сталевих зразків Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2015, № 2 100 Dy kha O.V., Gedzuk T.V. Calculation-experimental design of influence of temperature modifications of motor oil on wearproofness of steel standards. Presented results calculation-exp erimental d esign of influ ence of temp erature of motor oil and introduction of additive on wearp roofness of steel standards. Research es were conducted for the chart of tribo of lo gical tests of «konus- three marbles». The twofactor model of intensity of wear as d imension less co mp lexes of contact p ressure and temp erature is offered. Design results are p resented on an examp le. Keywords: mod el of wear, temp erature of motor oil, add itive, contact p ressure. References 1. GOST 9490−75. Materia ly sma zochnye zhidkie i plastichnye. Metod opredeleniya tribologi-cheskih svojstv na chetyrehsharikovoj mashine. M. Izd-vo standartov, 1980. 2. Dy kha O.V., Ged zuk T.V. Rated and experimental modeling of tribological properties of construc- tional and lubri-cating materia ls, Proble mi tribologії (Proble ms of Tribology). 2014. No 1. PP. 84-87. 3. Dy kha O.V., Ve l'boj V.P., Ged zjuk T.V. Rezu l'tati viprobuvan' na znos konіchnih zrazkіv zі stalі 45 v motornіj o liv і, Proble mi tribologії, 2014, No 2, pp. 111 – 115.