Автоматизований триботехнічний комплекс для оцінки змащувальних процесів в парах тертя Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2015, № 4 42 Мікосянчик О.О., Запорожець О.І., Мнацаканов Р.Г. Національний авіаційний університет, м. Київ, Україна E-mail: oksana.mikos@bk.ru АВТОМАТИЗОВАНИЙ ТРИБОТЕХНІЧНИЙ КОМПЛЕКС ДЛЯ ОЦІНКИ ЗМАЩУВАЛЬНИХ ПРОЦЕСІВ В ПАРАХ ТЕРТЯ УДК 621.891 В роботі представлені результати експериментальних досліджень, проведені на пристрої для оцінки трибо- технічних характеристик трибоелементів, в якому момент тертя, частота обертання роликів, температура мастильно- го матеріалу, падіння напруги в мастильному шарі в контакті записуються та обробляються з застосуванням програ- много забезпечення в реальному часі з графічним зображенням їх змін. Аналіз триботехнічних характеристик кон- такту в пусковий період за умов чистого кочення при поступовому підвищенні контактного навантаження встановив зниження енергонавантаженості контакту за кінетикою зміни питомої роботи тертя за рахунок високої несучої здат- ності граничних адсорбційних шарів мастильного матеріалу, які характеризуються неньютонівськими властивостями та проявляють високу антифрикційну здатність. Ключові слова: питома робота тертя, граничні адсорбційні шари, реологічні властивості, мастильний матеріал. Актуальність задачі При розробці конструкційних і мастильних матеріалів, зносостійких покриттів одним з етапів визначення їх триботехнічних властивостей є проведення прискорених випробувань шляхом моделюван- ня процесу тертя на лабораторних установках. Простота випробувального обладнання, експресність ме- тодів, порівняно невелика вартість випробувань роблять їх найбільш раціональними при визначенні яко- сті нових розроблюваних виробів. При моделюванні триботехнических процесів необхідно дотримуватися певного співвідношення між умовами лабораторних випробувань і умовами, в яких протікають реальні процеси тертя і зношуван- ня при експлуатації деталей машин і конструкцій. Огляд публікацій Значна частина трибологічних методів досліджень стосується впливу зовнішніх факторів на дов- говічність і ефективність дії змащувального матеріалу [1, 2]. Для одержання достовірних результатів ви- пробувань елементів трибоспряження, відтворення і сходимості результатів при повторних експеримен- тах необхідна чітка структура методики трибологічних досліджень, яка повинна включати: експеримен- тальні засоби для проведення дослідження (схема і конструкція установки); зразки, які досліджуються, або об’єкти дослідження (матеріал, конструкція, точність виготовлення); умови проведення дослідження (характер навантаження, кінематичні і температурні фактори); контрольно - вимірювальні засоби і їх ме- трологічна повірка; методи обробки результатів експериментального дослідження. При цьому розробка раціональних циклів випробувань є однією з необхідних умов оптимізації і підбору пар тертя. Особливу увагу заслуговує вивчення несталих режимів роботи на триботехнічні хара- ктеристики вузла тертя [3, 4]. Найбільш інформативним показником ефективності мастильної дії є товщина змащувального шару в контакті. На сучасному етапі розвитку трибології існує багато методів вимірювання товщини змащувальної плівки, класифікація яких засновується на якісній відмінності фізичних процесів при ви- значенні даного параметру. До найбільш поширених методів можна віднести наступні: рентгенівський, магнітний, інтерференційний, люмінесцентний, тензометричний, електричні (опору, ємності, пробою, падіння напруги) [3, 5, 6, 7, 8]. Головними вимогами, що висуваються до достовірності результатів, отриманих при використан- ні даних методів, є достатня точність, стабільність і безінерційність, а також забезпечення вимірювання товщини мастильного шару при дотриманні існуючих в контакті умов – кінематичних, силових, темпера- турних. Однак, на результати рентгенівського і магнітного методів впливають продукти зношування [9], інтерференційний метод характеризується підвищеною чутливістю до температури контактних повер- хонь і ступеня чистоти їх обробки [7], люмінесцентний метод не забезпечує достовірних даних при стру- ктуризації змащувальних шарів [3], тензометричний метод вимагає удосконалення тарировочних залеж- ностей впливу пружних деформацій поверхневих шарів металу у контакті на мікропереміщення тензоме- тричного датчика [6]. В експлуатаційній практиці дослідження мастильної дії при наявності цілого ряду переваг і про- стоти одержали поширення електричні методи [5]. Підвищення продуктивності машин, розширення діапазону навантажувально - швидкісних пара- метрів і експлуатаційних середовищ вимагають створення комплексних методів оцінювання працездат- ності вузла тертя при різноманітних режимах експлуатації. Методика та результати досліджень Автоматизований триботехнічний комплекс для оцінки змащувальних процесів в парах тертя Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2015, № 4 43 Нами створений пристрій для оцінки триботехнічних характеристик трибоелементів який дозво- ляє одержати більш достовірні результати досліджень, забезпечує проведення випробувань в умовах ко- чення, ковзання, реверсу без переобладнання пристрою, характеризується розширенням діапазону коефі- цієнта проковзування між контактуючими тілами кочення [10]. Як показано на рис. 1, пристрій для оцінки триботехнічних характеристик трибоелементів міс- тить два привода 5, 6, на вихідних валах яких кріпляться дослідні ролики 7, 8; обертання приводів здійс- нюється шляхом програмування керуючим блоком 2 крокових електродвигунів 3, 4, що з’єднані з джере- лом живлення 1. Кроковий електродвигун 3 закріплений на мотор–вагах, до яких кріпиться тензодатчик реєстрації момента тертя 9. Нижній дослідний зразок 7 занурений в мастильний матеріал 10, що знахо- диться в ванні 11, до нижнього корпусу якої входять два термотени 12, термопара 13 прикріплена до стрижня 14. Навантажувальний засіб складається з системи ричагів з навантаженням 15 та противагами 16. Рис. 1 – Схема триботехнічного комплексу для оцінки змащувальних, антифрикційних та реологічних характеристик мастильних матеріалів Пристрій працює наступним чином. Трибосистема, яка складається з двох рухомих роликів 7, 8, що контактують в процесі тертя, та мастильного матеріалу 10, розміщена в ванні 11. Трибосистема з до- помогою навантажувального засобу 15 навантажується зазделегідь визначеним зусиллям Р і оберталь- ними приводами 5, 6 приводяться в рух ролики. Режими обертання (ковзання, кочення, кочення з проко- взуванням, реверс) програмуються керуючим блоком 2. Момент тертя, частота обертання роликів, тем- пература мастильного матеріалу, падіння напруги в мастильному шарі в контакті записуються та оброб- ляються на ПК 17 в реальному часі з графічним зображенням їх змін (рис. 2). Рис. 2 – Фрагменти програм прийому та обробки триботехнічних параметрів в зоні контакту в реальному часі проведення експериментальних досліджень В якості зразків використовувалися ролики із сталі 9ХС (HRC = 60), припрацьовані контактні поверхні до Ra = 0,22 мкм. Мастильний матеріал – трансмісійна мінеральна всесезонна олива ТЕп–15 (за міжнародною класифікацією АРІ – GL–2). Автоматизований триботехнічний комплекс для оцінки змащувальних процесів в парах тертя Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2015, № 4 44 Дослідження змащувальних властивостей оливи проходило в режимі пуск – зупинка за наступ- ною схемою: розгін за умов чистого кочення контактних поверхонь (12,5 с) – робота в умовах 20 % про- ковзування ( 4 с) – гальмування за умов чистого кочення контактних поверхонь (12,5 с). Контактне навантаження ( max ) на 100, 200 та 300 циклах наробітки становило відповідно 100, 140 та 170 МПа. При дослідженні максимального моменту тертя при зрушенні контактних поверхонь в період пу- ску в умовах чистого кочення при сумарній швидкості кочення 1,3м/с встановлено, що підвищення кон- тактних напружень з 100 до 140 МПа призводить до зростання даного параметру, в середньому в 1,46 ра- зів, а при подальшому збільшенні контактних напружень до 170 МПа максимальний момент тертя змен- шується в 1,72 рази. Кінетика зміни цього параметру при напрацюванні протягом 100 та 200 циклів на- робітки в нестаціонарному режимі мащення свідчить про його зменшення, в середньому, на 3 - 5% при 100 та 140 МПа, а при 170 МПа простежується протилежна закономірність – момент тертя зростає на 2 - 3% (рис. 3). Рис. 3 – Кінетика зміни моменту тертя при чистому коченні за умов поступового збільшення контактного навантаження Лінійне рівняння апроксимації кінетики зміни моменту тертя при зрушенні в умовах чистого ко- чення при досліджуваних контактних напруженнях становить: М100 = – 0,0033х + 2,4672 (достовірність апроксимації – R2= 0,84); М140 = – 0,0014х + 3,6853 (достовірність апроксимації – R2= 0,91); М170 = 0,0014х + 2,0902 (достовірність апроксимації – R2= 0,912). Найкращі антифрикційні властивості оливи при 170 МПа обумовлені її здатністю формувати найбільшу товщину мастильного шару (hзаг) в контакті, яка становить, в середньому, 6,15 мкм, що на 11 % перевищує аналогічні значення даного параметру при менших контактних навантаженнях (рис. 4). Рис. 4 – Динаміка формування загальної товщини мастильного шару (hзаг) та товщини граничних адсорбційних шарів (hадс) в нестаціонарних умовах Слід зазначити, що змащувальна здатність оливи ТЕп-15 характеризується високою ефективніс- тю в усьому діапазоні досліджуваних навантажень – контактні поверхні при максимальному моменті те- ртя в початковий пусковий період повністю розділені шаром мастильного матеріалу, реалізується гідро- динамічний режим мащення, а розрахунковий критерій  [3] становить, в середньому 10 - 16. Автоматизований триботехнічний комплекс для оцінки змащувальних процесів в парах тертя Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2015, № 4 45 Так як дослідження проводились в режимі пуск – зупинка, розглянемо кінетику формування гра- ничних адсорбційних шарів на активованих тертям контактних поверхнях. При max = 100 МПа просте- жується утворення стійких граничних шарів, товщина яких при напрацюванні зростає на 47 % (рис. 4). Підвищення контактних напружень до 140 МПа призводить до часткового стирання сформованих грани- чних шарів, в 5 % циклів спостерігається зрив мастильного шару на зупинці, що обумовлює металевий контакт поверхонь та підвищення моменту тертя при пуску, в середньому, в 1,7 разів. Однак, граничні плівки характеризуються високою адаптаційною здатністю - при напрацюванні їх товщина зростає, в се- редньому, на 20 %, а з підвищенням max до 170 МПа не встановлено суттєвої зміни товщини граничних шарів при напрацюванні. Лише в діапазоні наробітки 250 - 270 циклів зафіксовано часткове руйнування граничних шарів та короткочасне зниження антифрикційних властивостей контакту. Аналіз кінетики зміни граничних адсорбційних шарів при динамічному навантаженні дозволяє стверджувати про високу несучу здатність ароматичних залишкових компонентів та дистилятної оливи, що входять до складу тра- нсмісійної оливи ТЕп-15, а протизношувальна присадка з активними елементами фосфору (≥ 0,06 %) та сірки (≈ 2,5 %), яка міститься в досліджуваній оливі, ефективно протидіє схоплюванню контактних пове- рхонь в періоди часткового стирання граничних шарів при зростанні навантаження. В роботі [11] зазначається, що здатність металів незворотньо поглинати енергію деформації, яка оцінюється показником інтегральної роботи, може бути використана в якості чутливого критерію при дослідженні металів в умовах циклічного пружно-пластичного деформування. Так як при динамічній де- формації частка прихованої енергії, що запасається в металі, може становити до 20 - 25 % від всієї розсі- яної енергії [12], то чим більшою здатністю буде характеризуватися мастильний матеріал щодо змен- шення питомої роботи тертя, тим нижче стане й енергонапруженість контакту, відповідно, тим вищим має бути опір руйнуванню елементів трибоспряжень. Рис. 5 – Кінетика зміни питомої роботи тертя в пусковий період в умовах поступового зростання навантаження а б Рис. 6 – Зміна ефективної в'язкості в контакті (а) та напружень зсуву масляного шару (б) при поступовому зростанні навантаження Автоматизований триботехнічний комплекс для оцінки змащувальних процесів в парах тертя Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2015, № 4 46 За методикою [3] проаналізована кінетика зміни питомої роботи тертя в контакті. Встановлено, що при 100 та 140 МПа енергонапруженість контакту характеризується високими показниками – питома робота тертя, в середньому, становить 37 Дж/мм2, а в 30 % циклів даний параметр перевищує середні значення в 3 - 4 рази (рис. 5). Однак, при зростанні контактних напружень до 170 МПа спостерігається стрімкоподібне зниження питомої роботи тер тя в 4 рази. Ми вважаємо, що поступове зменшення даного параметру при напрацюванні обумовлено здатні- стю мастильного матеріалу формувати на контактних поверхнях стійкі граничні шари, які характеризу- ються високою адаптаційною здатністю до динамічного навантаження. Перш за все, зростання контакт- ного навантаження призводить до стрімкого підвищення ефективної в'язкості в контакті, в порівнянні з динамічною в'язкістю оливи за атмосферних умов, мастильний матеріал набуває неньютонівських влас- тивостей (рис. 6). При max = 100 МПа робота тертя витрачається на структуризацію граничних адсорбційних шарів на активованих тертям контактних поверхнях, адже, як зазначалось вище, товщина граничних ша- рів при напрацюванні 100 циклів зростає на 47 %. При max = 140 МПа в 2,5 рази зростає ефективна в'я- зкість в контакті, відбувається зміна природи граничних адсорбційних плівок – напруження зсуву масля- ного шару зростає втричі, отже і питома робота тертя залишається на високому рівні. Однак, при подальшому підвищенні max до 170 МПа напруження зсуву масляного шару адап- тованих граничних плівок зменшується, в середньому, в 1,5 рази, проявляються ефективні демпфуючі властивості граничних плівок щодо впливу динамічного навантаження, що обумовлює значне зниження енергонапруженості контакту. З рис. 3 видно стрімке зростання питомої роботи тертя при 250 - 270 цик- лах наробітки, що відповідає частковому стиранню сформованих граничних шарів на контактних повер- хнях, однак їх швидке оновлення на активованій тертям поверхні призводить до стабілізації енергетич- ного показника контакту. Висновки 1. Створений пристрій для оцінки триботехнічних характеристик трибоелементів в умовах ков- зання, кочення, кочення з проковзуванням, реверса, до складу якого входять два контактуючих в процесі тертя рухомих ролика з ізольованими від маси пристрою посадковими місцями, мастильний матеріал, ро- зміщений в ванні, ричажково-маятниковий навантажувальний засіб та програмне забезпечення запису та обробки результатів випробувань. 2. Максимальний момент тертя в пусковий період в умовах чистого кочення при підвищенні ко- нтактних напружень з 100 до 140 МПа зростає в 1,46 разів, при подальшому збільшенні контактних на- пружень до 170 МПа даний параметр зменшується в 1,72 рази, що обумовлено високою адаптаційною здатністю граничних адсорбційних шарів до динамічних умов навантаження. 3. Встановлено зниження енергонапруженості контакту при 170 МПа за рахунок ефективних де- мпфуючих властивостей граничних шарів мастильного матеріалу, який набуває в триботехнічному кон- такті властивостей неньютонівських рідин. Література 1. Зозуля В.Д. Словарь-справочник по трению, износу и смазке деталей машин / Зозуля В.Д., Шведков Е.Л., Ровинский Д.Я., Браун Э Д. − К.: Наук.думка, 1990. − 264с. 2. Порохов В.С. Трибологические методы испытания масел и присадок/ Порохов В.С. − М.: Ма- шиностроение, 1983. − 183с. 3. Дмитриченко Н.Ф. Смазочные процессы в условиях нестационарного трения / Дмитриченко Н.Ф., Мнацаканов Р.Г. – Житомир:ЖИТИ, 2002.- 308 с. 4. Адлер Ю.П. Планирование эксперимента при поиске оптимальных условий / Адлер Ю.П., Ма- ркова Е.В., Грановский Ю.В. – М.: Наука, 1971. – 98 с. 5. Райко М.В. Исследование смазочного действия нефтяных масел в условиях работы зубчатых пере- дач: дис. на соискание ученой степени доктора техн. наук: 05.02.04 / М.В. Райко – К.: КИИГА, 1974. – 369с. 6. Павлов В.Н. Исследование смазочного действия масел в зубчатых передачах: дис. на соиска- ние ученой степени кандидата техн. наук: 05.02.04 / Павлов В.Н. – К.: КИИГА, 1974 – 273с. 7. Гоэр Р. Толщина пленки и сопротивление качению в упругодинамическом точечном контакте / Гоэр Р. // Проблемы трения и смазки. – 1971. – № 3. – С. 22 – 26. 8. Кannel G.W. Methods for Determininp Pressure Distributions in Luvricated Rolling Contact / Кannel G.W., Bell I.C., Allen C.M. // ASLE Trans. – 1965. – № 8. – Р. 250 – 263. 9. Земскова И.И. Измерение величины износа с помощью сцинцилляции / Земскова И.И., Матве- евский Р.М. // Вестник машиностроения. – 1969. – № 11. – С. 29–32. 10. Патент на корисну модель №88748, МПК G 01 N 3/56 Пристрій для оцінки триботехнічних характеристик трибоелементів / Мікосянчик О.О. – u 2013 13450, заявл. 19.11.13; опубл. 25.03.14, Бюл. №6 – 4с. 11. Лин Т.Х. Скрытая энергия упругой деформации, обусловленная остаточными напряжениями в пластически деформированном поликристалле / Лин Т.Х., Ито М.// Труды Американского общества инженеров-механиков. – 1967. – С.158 – 169. 12. Фридель Ж. Дислокации // Фридель Ж. – М.:Мир. – 1967. – 643с. Автоматизований триботехнічний комплекс для оцінки змащувальних процесів в парах тертя Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2015, № 4 47 Mikosyanchyk O.O., Zaporozhets O.I., Mnatsakanov R.G. Tribotechnical automated evaluation system for lu- bricating processes in friction fume. The paper presents the results of the research conducted on a device for evaluation of tribotechnical characteristics of the trybocomponets. The software of the device registers and processes in real-time and with graphical presentation of changes - the moment of friction, turnover speed, lubricant temperature, voltage drop in contact lubricant layer. The analysis of the tribotechnical characteristics in contact at the startup moment under conditions of straight rolling and under the gradual increase of contact load has defined the decrease in contact energy load in the kinetics of friction changes due to high carry- ing capacity of the lubricant boundary adsorption layers, which characterized by non-Newtonian properties and demonstrate high anti-friction ability. Keywords: specific work of friction, boundary adsorption layers, rheological properties, lubricants. References 1. Zozulja V.D., Shvedkov E.L., Rovinskij D.Ja., Braun Je D. Slovar'-spravochnik po treniju, iznosu i smazke detalej mashin, Kiev: Nauk.dumka, 1990, 264р. 2. Porohov V.S. Tribologicheskie metody ispytanija masel i prisadok, M.: Mashinostroenie, 1983, 183р. 3. Dmitrichenko N.F., Mnacakanov R.G. Smazochnye processy v uslovijah nestacionarnogo trenija, Zhitomir:ZhITI, 2002, 308 р. 4. Adler Ju.P., Markova E.V., Granovskij Ju.V. Planirovanie jeksperimenta pri poiske optimal'nyh uslovij, M.: Nauka, 1971, 98 р. 5. Rajko M.V. Issledovanie smazochnogo dejstvija neftjanyh masel v uslovijah raboty zubchatyh peredach: dis. na soiskanie uchenoj stepeni doktora tehn. nauk: 05.02.04, K.: KIIGA, 1974, 369р. 6. Pavlov V.N. Issledovanie smazochnogo dejstvija masel v zubchatyh peredachah: dis. na soiskanie uchenoj stepeni kandidata tehn. nauk: 05.02.04, K.: KIIGA, 1974, 273р. 7. Gojer R. Tolshhina plenki i soprotivlenie kacheniju v uprugodinamicheskom tochechnom kontakte, Problemy trenija i smazki, 1971, № 3, рр. 22 – 26. 8. Kannel G.W., Bell I.C., Allen C.M. Methods for Determininp Pressure Distributions in Luvricated Rolling Contact, ASLE Trans, 1965, № 8, рр. 250 – 263. 9. Zemskova I.I., Matveevskij R.M. Izmerenie velichiny iznosa s pomoshh'ju scincilljacii, Vestnik mashinostroenija, 1969, № 11, рр. 29–32. 10. Patent na korisnu model' №88748, MPK G 01 N 3/56 Pristrіj dlja ocіnki tribotehnіchnih harakteristik triboelementіv, Mіkosjanchik O.O., u 2013 13450, zajavl. 19.11.13; opubl. 25.03.14, Bjul. №6, 4р. 11. Lin T.H., Ito M Skrytaja jenergija uprugoj deformacii, obuslovlennaja ostatochnymi naprjazhenijami v plasticheski deformirovannom polikristalle, Trudy Amerikanskogo obshhestva inzhenerov- mehanikov, 1967, рр.158 – 169. 12. Fridel' Zh. Dislokacii, M.:Mir, 1967, 643р. _GoBack