Експериментальна оцінка впливу факторів на зношування та сумісність матеріалів деталей екструдера Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2016, № 1 90 Войтов В.А., Цимбал Б.М. Харківський національний технічний університет с/г ім. П. Василенка, м. Харків, Україна E-mail: tsembalbogdan@ukr.net ЕКСПЕРИМЕНТАЛЬНА ОЦІНКА ВПЛИВУ ФАКТОРІВ НА ЗНОШУВАННЯ ТА СУМІСНІСТЬ МАТЕРІАЛІВ ДЕТАЛЕЙ ЕКСТРУДЕРА УДК 621.891 В роботі представлена експериментальна оцінка негативного впливу активної кислотності рН, абразивності та навантаження на швидкість зношування, силу тертя та сумісність матеріалів робочих деталей екструдера для ви- робництва паливних брикетів з рослинної сировини. Досліджені поверхні тертя трібосистем, які в своєму складі ма- ють сталі та чавуні в залежності від рівня активної кислотності та абразивності та сформована гіпотеза про механізм їх зношування. Ключові слова: трібосистема, швидкість зношування, сила тертя, поверхні тертя, активна кислотність, абразивність, сумісність матеріалів, абразивне-корозійне зношування. Актуальність проблеми В Україні та у Європі виробництво твердого палива з рослинної сировини, яка є відновлюваль- ним джерелом енергії, є перспективним напрямком. Для виробництва твердого палива використовуються рослинні відходи сільськогосподарського та лісного виробництва, до таких відходів можливо віднести: солому, лушпиння соняшнику, рису, гречки, кострицю прядильних культур, не кормові відходи елевато- рного виробництва, стебла кукурудзи та соняшнику, деревинні відходи. З цієї сировини отримають твер- де паливо шляхом пресування шнековим пресом. В зв’язку з тим, що рослинна сировина у своєму вмісті має значний рівень абразивності та кислотності, який призводить до корозійно-механічного зношування шнека та філь’єр екструдера, зменшення ресурсу шнека та філь’єр, терміну експлуатації екструдера, збі- льшенню витрат на виробництво твердого палива, та підвищення зносостійкості екструдерів для вироб- ництва твердого палива з рослинної сировини є актуальним завданням. Аналіз публікацій, присвячених даній проблемі Сировина, яка використовується для виробництва паливних брикетів, така як деревна тирса, лу- шпиння соняшнику, відходи зернового виробництва, солома та ін. біомаса, а також мінеральні частинки (пісок, ґрунт та невелике каміння) [1], при контакті з робочими органами призводять до механічного руйнування поверхонь, які труться, в результаті ріжучого або дряпаючої дії твердих тіл та частинок, що призводить до абразивного зношування [2, 3]. Цей вид зношування характерний для всіх зон екструдера [4]. Для екструдерів воно характерне в зоні стиснення, найбільш схильні до абразивного зносу останні два витки хвостовика екструдера [5]. Коли зусилля притиснення гребня шнека недостатньо високе, або відсутня схильність до заїдання, відбувається абразивне зношування. Метали з яких виробляють гільзи циліндрів мають більшу поверхневу твердість після азотування, ніж метали, з яких виробляють черв’як, при цьому мікрорельєф гільзи здатен абразивно зношувати поверхню гребня черв’яка. Чим більш засмі- чена сировина мінеральними домішками, тим більше буде зношуватися поверхня робочих органів [6]. На поверхні витка шнека виникають зони пластичної деформації та вторинні структури, які спричинені аб- разивними частками матеріалу [7]. Зола, яка утворилася при окислюванні продукту, складається з міне- ральних речовини, які призводять до високого абразивного зношування [5]. При виготовленні паливних брикетів утворюються такі хімічні сполуки, як акролеїн, діоксид азоту, діоксид вуглецю, діоксид кремнію, лігнін внаслідок адсорбції , хемосорбції і дифузії атомів, змі- нюють хімічний склад поверхні робочих органів [8]. Під дією високої температури, звільненої вологи та слабокислому середовищу біомаси, відбувається хімічна реакція з поверхнею металу, яка провокує коро- зійно-механічне зношування [9]. Внаслідок цього виникають нові вторинні структури, товщина яких ко- ливається в межах 0,05-0,1 мкм [10]. Як правило це зношування характерне для зони формування та спі- кання, але найбільш протікає в зоні стиснення. Корозійно-механічне зношування відбувається тільки в трібосистемі пресований матеріал – елемент конструкції [6]. Для підвищення зносостійкості та довговічності екструдерів для переробки фуражного зерна з домішками мінералів В. А. Гончар використав сталь Х12, дослідив інтенсивність зношування після гар- тування та іонного азотування та знайшов оптимальні режими іонного азотування сталі Х12 для кожної з досліджуваних характеристик. Встановивши, що зносостійкість сталі Х12 після іонного азотування в 1,6 рази вища в порівнянні з її зносостійкістю після гартування запропонував, що для забезпечення макси- мальної зносостійкості трібосистем в абразивному середовищі необхідно, щоб поверхневі шари мали ви- Експериментальна оцінка впливу факторів на зношування та сумісність матеріалів деталей екструдера Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2016, № 1 91 соку твердість, яка досягається при температурі гартування 560 - 580 °С, та максимальну товщину азото- ваного шару, яку отримують при дифузійного насиченні протягом 6 - 8 год. [11]. В дослідженні В.А. Гончара не враховане корозійне середовище, високий тиск та температура, які негативно впливають на зносостійкість робочих органів екструдера. Для підвищення зносостійкості циліндрів екструдера В. В. Деркач розробив метод термодифу- зійної біметалізації, який полягає в тому, що у внутрішню порожнину заготовки, яка нагрівається індук- тором та обертається, подають середовище, що цементує. Для системи Fе - С при температурі, близькій до евтектичної (1150 - 1200 °С), відбувається інтенсивне насичення поверхні вуглецем, а при досягненні його евтектичної концентрації поверхня заготовки підплавляється, що ще більше інтенсифікує процес дифузії вуглецю. У результаті товщина оплавленого шару збільшується, досягаючи за короткий промі- жок часу (150 - 200 с) величини 2 - 3 мм. Після остуджування на внутрішній поверхні деталі формується зносостійкий шар чавуну. Суттєвого поліпшення фізико - механічних властивостей та зносостійкості одержаного на циліндрах покриття досягається за рахунок додаткового економного легування різними елементами [4]. На поверхні циліндру формується шар чавуну, який не витримує динамічних наванта- жень, утворює тріщини та має низьку зносостійкість в агресивних середовищах, які призводять до коро- зійного зношування. Тому для експериментального дослідження та уповільнення зношування шнека та філь’єр екст- рудера необхідно враховувати не тільки абразивність сировини, а й активну кислотності. Мета дослідження Експериментально оцінити негативний вплив активної кислотності, абразивності та навантажен- ня на швидкість зношування, силу тертя та сумісність матеріалів шнека і філь’єр екструдера для вироб- ництва паливних брикетів з рослинної сировини. Підібрати найбільш сумісні матеріали та умови при яких буде відбуватися найменше зношування робочих органів екструдера. Дослідити поверхні тертя трі- босистем зі сталей та чавунів в залежності від рівня активної кислотності та абразивності та сформувати висновки про механізм їх зношування. Матеріали та методи дослідження Для дослідження швидкості зношування робочих органів трібосистем екструдера ЕВ-350 при використанні різних середовищ рослинної сировини та визначення сили тертя, було використано спеціа- льну машину тертя, яка представлена на рис. 1. Для того, щоб зменшити витрати та час, необхідний для вивчення тріботехнічних характеристик тих чи інших трібосистем, застосовували методику фізичного моделювання, яка представлена в роботах [12, 13]. Фізичне моделювання – це дослідження подібних процесів на установках (моделях), які зберігають фізичну природу явищ, але відтворюють їх в іншому фізичному або геометричному масштабі. При фізичному моделювання тертя та зношування модель має однакову природу з натурою (натурним об’єктом), тобто використовуються однакові (змінні в масштабі) трібосистеми, матеріали з яких вони виготовлені та робочі середовища [13]. Рис. 1 – Зовнішній вигляд машини тертя При використанні фізичного моделювання вирішуються задачі виявлення залежностей швидкос- ті зношування, сили тертя для натурної трібосистеми за даними досліджень при експерименті. Закон мо- делювання відображається в формі розрахункового масштабного фактора, який є сукупністю масштаб- них коефіцієнтів переходу від моделі до натури для параметрів, що входять в критерії подібності [14]. Приведена машина тертя має можливості визначити швидкість зношування змодельованих в зменшеному масштабі трібосистем з урахуванням конструкційних особливостей, матеріалів робочих ор- ганів та середовища. За допомогою електронного тензодатчику-приладу, який вимірює прикладену силу, Експериментальна оцінка впливу факторів на зношування та сумісність матеріалів деталей екструдера Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2016, № 1 92 і комп’ютера, вона дозволяє визначити силу тертя. Дослідження по визначенню швидкості зношування робили за схемою «кільце - кільце», розміри та форма зразків для модельних тріботехнічних випробу- вань були згідно з ДСТУ 30480-97, при цьому коефіцієнт взаємного перекриття .взk = 0,2. Час дослі- дження склав 10 - 30 хв з попереднім припрацюванням зразків [15]. Гострі кромки дослідних зразків при- туплялися до радіусу 0,5 мм, а шорсткість зразків склала aR ≤ 0,20 та відбувався контроль спряження торцевих поверхонь за величиною контактної площі, яка повинна, бути не менше 90% робочої поверхні будь якого зразка. Вивчивши особливості конструкції та умови експлуатації екструдера ЕВ-350 та ЕВ-350М, для максимального наближення та відтворення процесів тертя, витрати робочої рідини були постійними, то- му що створювалось середовище з постійним рівнем кислотності та абразивності, так як в реальній ма- шині. Під час випробувань контролювали та фіксували силу тертя, за величиною якої характеризували механічні втрати. Під час аналізу роботи [16], де приведено аналіз існуючих методів визначення зносу, найбільш підходящим для рішення поставленого завдання було обрано метод штучних баз, завдяки якому можливо визначити лінійний знос усіх елементів трібосистеми. Даний метод регламентується ГОСТ 23.301-78, сутність визначення зносу описана в роботі [17]. Головною відмінністю методики, яка була використана, від методики, що приведена в роботі [18], є застосування алмазного конуса з кутом при вершині 120° за- мість квадратної алмазної піраміди з кутом при вершині між протилежними гранями 136°. При виконанні відбитка на плоскій поверхні матеріалу за допомогою конуса (рис. 2, а), тоді величина лінійного зносу a можливо визначити за формулою: z cc aaa 2121   , (1) де 1a – глибина відбитка до випробування; 2a – глибина відбитка після випробування; 1c – діаметр проекції відбитка на випробуваній поверхні до випробування; 2c – діаметр проекції відбитка на випробуваній поверхні після випробування; z – коефіцієнт пропорційності, що залежить від кута при вершині конуса. а б Рис. 2 – Принципова схема вимірювання зносу методом штучних баз: а – відбиток після вдавлення; б – відбиток перед початком випробувань і після випробувань При куті 120° z = 3,434, тому: 434,3 21 cca   . (3) Швидкість зношування визначили за формулою: трt a I   , (4) де трt . – час травлення, с. На дослідній поверхні матеріалу утворюється спучування, при вдавлені конуса (рис. 2, б), який спотворює вимір діаметра відбитка. Вимірювання розмірів відбитка, який утворився після вдавлення ал- мазного конуса в поверхню робився після видалення спучування наждаковим папером з наступним при- працюванням. Лунки робились алмазним конусом на твердомірі [16]. Експериментальна оцінка впливу факторів на зношування та сумісність матеріалів деталей екструдера Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2016, № 1 93 Результати дослідження Для визначення впливу активної кислотності рН, абразивності та навантаження, які характерні для рослинної сировини, на швидкість зношування та силу тертя робочих органів екструдера для вироб- ництва паливних брикетів, виникає необхідність проведення трьохфакторного експерименту, вирішення оптимізаційної задачі та підбір сумісних матеріалів шнека та філь’єр екструдера. Таблиця 1 Матриця планування та результати дослідів по визначенню впливу рівня активної кислотності, абразивності та навантаження на трібологічні характеристики шнека та філь’єр екструдера Фактори Функція відгуку трібосистеми сталь 40Х та чавун ЧХ22Н2 Функція відгуку трібосистеми сталь 95Х18 та чавун ЧХ22Н2 Функція відгуку трібосистеми сталь 40Х10С2М та чавун ЧХ22Н2 № е кс пе ри м ен ту рівень рН X1 абразивність %, в масі X2 P, (Н) X3 І, (мкм/год) Y1 Fтер., (Н) Y2 І, (мкм/год) Y1 Fтер., (Н) Y2 І, (мкм/год) Y1 Fтер., (Н) Y2 1 8 0 800 85,62 130,15 48,92 94,94 73,38 112,55 2 8 10 800 146,82 246,65 156,61 218,78 156,61 232,71 3 8 0 1200 257 258,01 146,47 229,13 163,09 243,57 4 8 10 1200 293,53 273,08 246,21 257,15 256,94 265,11 5 4 5 800 207,92 240,05 159,00 262,18 161,07 251,12 6 11 5 800 232,38 347,00 220,15 293,11 220,15 320,05 7 4 5 1200 425,46 284,01 329,57 281,49 366,32 282,75 8 11 5 1200 699,95 441,85 366,07 407,21 402,80 424,53 9 4 0 1000 244,61 228,32 146,76 200,39 175,69 214,35 1 0 11 0 1000 439,42 370,43 195,69 338,27 220,15 354,35 1 1 4 10 1000 293,54 268,32 244,61 290,49 269,07 279,40 1 2 11 10 1000 476,04 399,74 342,46 366,56 366,92 383,15 1 3 8 5 1000 183,46 220,36 171,15 193,41 171,23 206,88 1 4 8 5 1000 190,5 221,06 177,29 194,09 185,42 207,57 1 5 8 5 1000 198,11 221,77 171,15 194,76 180,89 208,27 Для вирішення оптимізаційної задачі було сплановано експеримент, результати якого представ- лено у вигляді матриць в табл. 1 та регресійних рівнянь (7 - 12). Параметрами оптимізації служили: швидкість зношування (Y1) та сила тертя (Y2). Для перевірки можливості використання методу найменших квадратів при обробці отриманих результатів було виконано розрахунок характеристик випадкових величин та перевірка гіпотези норма- льного розподілення. На першому етапі було визначено середнє абсолютне відхилення (Ω) за формулою: n yy j   , (5) де jy – поточне значення відгуку; y – середнє значення відгуку; n – кількість дослідів. Для вибірки, яка має нормальний закон розподілення, повинен бути справедливий вираз: nS 4,0 7979,0   , (6) де S – середньоквадратичне відхилення. Результати перевірки гіпотези нормальності розподілення значень середнього абсолютного від- хилення наведені в табл. 2. Експериментальна оцінка впливу факторів на зношування та сумісність матеріалів деталей екструдера Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2016, № 1 94 Таблиця 2 Результати перевірки гіпотези нормального розподілення Трібологічні характеристики 7979,0  S n 4,0 Сталь 40Х та чавун ЧХ22Н2 I 0,05575 0,10328 Fтер. 0,04214 0,10328 Сталь 95Х18 та чавун ЧХ22Н2 I 0,01837 0,10328 Fтер. 0,02635 0,10328 Сталь 40Х10С2М та чавун ЧХ22Н2 I 0,01918 0,10328 Fтер. 0,04307 0,10328 В результаті математичної обробки експериментальних даних отримані закодовані регресійні рі- вняння, що адекватно описують вплив активної кислотності рН, абразивності та навантаження на швид- кість зношування та силу тертя: - для сталі 40Х та чавуну ЧХ22Н2:  31213211 X 62,5075X+X 3,0775X4,12591,2225,845369,190 XXXY 2 3 2 2 2 132 16,53875X+11,4863X 184,1988X+X 6,1675X  ; (7)  213212 67197263839361087225 2914667 0632221 XX,X,+X,+X,+,=Y 2 3 2 2 2 13231 8,717993X+2,80874X 98,44671X+X 67,29146X+X 25,3574X  ; (8) - для сталі 95Х18 та чавуну ЧХ22Н2: 213211 2307512 95562 5046356 5536330 1965173 XX,+X,+ X,+X,+,=Y 2 3 2 2 2 13231 6,33675+29,979389,163+1,988163256 XXXXX XX,  ; (9) +15,450938,24713+33,7816+46,32513+194,0864= 213212 XXXXXY  2 3 2 2 2 13231 8,990851+3,07704107,919923,955223,69945+ XXXXXXX  ; (10) - для сталі 40Х10С2М та чавуну ЧХ22Н2: 213211 13,34625+72,24188 +52,15263+29,734+179,18= XXXXXY 2 3 2 213232 6,477+23,1505101,9288+2,6555+,649255 XXX XX XX  ; (11) +9,0614137,44276+29,44516+59,80829+207,5748= 213212 XXXXXY  2 3 2 2 2 13231 8,854422+2,94289103,1833+24,656318,21117+ XXXXX XX  ; (12) Проаналізувавши регресійні рівняння (7 - 12) можливо зробити висновок про ступінь впливу фа- кторів на функцію відклику. З рівняння (7) слідує, що на швидкість зношування трібосистеми сталь 40Х та чавун ЧХ22Н2 в першу чергу впливає навантаження, а потім активна кислотність, та в меншій мірі – абразивність. Для трібологічної пари сталь 95Х18 та чавун ЧХ22Н2, рівняння (9): в першу в першу чергу навантаження, потім - небагато менше абразивність, а в останню чергу активна кислотність. Для трібосистеми сталь 40Х10С2М та чавун ЧХ22Н2, рівняння (11): в першу чергу впливає навантаження, потім - небагато мен- ше абразивність, а в останню чергу активна кислотність. На силу тертя для тріболосистеми сталь 40Х та чавун ЧХ22Н2, рівняння (8), в першу чергу впли- ває активна кислотність, потім – навантаження, та в останню чергу абразивність. Для трібосистеми сталь 95Х18 та чавун ЧХ22Н2 та трібосистеми сталь 4010С2М спостерігається така сама тенденція. На рис. 3 зображені залежності швидкості зношування та сили тертя. Дослідження проводили при постійному навантаженні 1000 Н, абразивності 0 % в масі та певному рівні активної кислотності. Ро- слина сировина для виробництва твердого палива має слабокисле середовище та активну кислотність 5 рН. Швидкість зношування підібраної трібосистеми сталь 95Х18 та чавун ЧХ22Н2, на 37,70 % менша ніж швидкість зношування базової трібосистеми сталь 40Х та чавун ЧХ22Н2 та на 16,82 % менша ніж швидкість зношування трібосистеми сталь 40Х10С2М та чавун ЧХ22Н2. Сила тертя трібосистеми сталь Експериментальна оцінка впливу факторів на зношування та сумісність матеріалів деталей екструдера Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2016, № 1 95 95Х18 та чавун ЧХ22Н2, при такій самій абразивності та навантаженні, на 8,24 % менша, ніж сила тертя базової трібосистеми та на 4,30 % менша, ніж сила тертя трібосистеми сталь 40Х10С2М та чавун ЧХ22Н2. Рис. 3 – Залежності швидкості зношування та сили тертя трібосистем від рівня активної кислотності при постійному навантаженні та абразивності: 1 – сталь 40Х та чавун ЧХ22Н2; 2 – сталь 95Х18 та чавун ЧХ22Н2; 3 – сталь 40Х10С2М та чавун ЧХ22Н2 При додаванні до сировини луги - гідроксиду натрію, відбувається зменшення сили тертя та швидкості зношування. При збільшенні рН від 5 до 7,4 сила тертя зменшується на 17,39 - 26,64 % та зме- ншується швидкість зношування на 42,21 - 45,03 %. Сила тертя, при рН 7,4 трібологічної пари сталь 95Х18 та чавун ЧХ22Н2, на 18,52% менша ніж сила тертя базової трібосистеми та на 10,20 % менша ніж сила тертя трібосистеми сталь 40Х10С2М та чавун ЧХ22Н2. Швидкість зношування трібосистеми сталь 95Х18 та чавун ЧХ22Н2 на 40,73 % менша, ніж швидкість зношування базової трібосистеми та на 17,25 % менша швидкісті зношування трібосистеми сталь 40Х10С2М та чавун ЧХ22Н2. При подальшому додаванні луги, створюється сильнолужне середовище, відбувається зворотний процес, при якому зростає швидкость зношування та сили тертя. При збільшенні рН від 7,4 до 11 сила тертя збільшується на 49,36 - 54,37 % та збільшується швидкість зношування на 52,89 - 65,86 %. Сила те- ртя трібосистеми сталь 95Х18 та чавун ЧХ22Н2 при рН 11, на 9,58 % менша ніж сила тертя базової трі- босистеми та менша на 5,03% ніж сила тертя трібосистема сталь 40Х10С2М та чавун ЧХ22Н2. Швид- кість зношування при рН 11 трібологічної пари сталь 95Х18 та чавун ЧХ22Н2 на 54,64% менша, ніж швидкість зношування базової трібосистеми та на 12,60 % менша швидкісті зношування трібосистеми сталь 40Х10С2М та чавун ЧХ22Н2. На рис. 4 представлені залежності швидкості зношування та сили тертя, при постійному наван- таженні 1000 Н, нейтральному рівні активної кислотності, від абразивності. Рис. 4 – Залежності швидкості зношування та сили тертя трібосистем від рівня абразивності при постійному навантаженні та рівня активної кислотності: 1 – сталь 40Х та чавун ЧХ22Н2; 2 – сталь 95Х18 та чавун ЧХ22Н2; 3 – сталь 40Х10С2М та чавун ЧХ22Н2 Експериментальна оцінка впливу факторів на зношування та сумісність матеріалів деталей екструдера Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2016, № 1 96 Рослина сировина для виробництва твердого палива має абразивність близько 10 %. При таких умовах швидкість зношування підібраної трібосистеми сталь 95Х18 та чавун ЧХ22Н2, на 5,81 % менша ніж швидкість зношування базової трібосистеми та на 4,77 % більша ніж швидкість зношування трібоси- стеми сталь 40Х10С2М та чавун ЧХ22Н2. Сила тертя трібосистеми сталь 95Х18 та чавун ЧХ22Н2, при такій самих умовах на 1,37 % менша, ніж базової трібосистеми та на 2,69 % менша, ніж сила тертя трібо- системи сталь 40Х10С2М та чавун ЧХ22Н2. При очищені сировини від абразивних домішок на 5 %, відбувається зменшення сили тертя та швидкості зношування. Так при абразивності 5% в масі сировини сила тертя трібосистем зменшується на 13,25 - 17,47 %, менша ніж при абразивності 10%. Швидкість зношування при абразивності 5 % трібоси- стем на 15,25 - 19,32 % менша ніж при абразивності 10%. Сила тертя трібосистеми сталь 95Х18 та чавун ЧХ22Н2, на 10,54 % менша ніж сила тертя базової трібосистеми та на 5,56 % менша ніж сила тертя трі- босистеми сталь 40Х10С2М та чавун ЧХ22Н2. Швидкість зношування трібосистеми сталь 95Х18 та ча- вун ЧХ22Н2 на 10,29 % менша, ніж швидкість зношування базової трібосистеми та на 5,23 % менша, ніж швидкість зношування трібосистеми сталь 40Х10С2М та чавун ЧХ22Н2. При подальшому очищенні сировини від абразивності до 0 %, відбувається зменшення швидкос- ті зношування та сили тертя. При відсутності абразивності сила тертя трібосистем зменшується на 11,50 - 18,66 % менша ніж при абразивності 5 %. Швидкість зношування трібосистем на 17,90 - 43,86 % менша ніж при абразивності 5 %. Сила тертя трібосистеми сталь 95Х18 та чавун ЧХ22Н2, на 17,78 % ме- нша ніж сила тертя базової трібосистеми та на 9,76 % менша ніж сила тертя трібосистеми сталь 40Х10С2М та чавун ЧХ22Н2. Швидкість зношування трібосистеми сталь 95Х18 та чавун ЧХ22Н2 на 38,66 % менша, ніж швидкість зношування трібосистеми сталь 40Х та чавун ЧХ22Н2 та на 17,52 % мен- ша ніж швидкість зношування трібосистеми сталь 40Х10С2М та чавун ЧХ22Н2. На рис. 5 представлені залежності швидкості зношування та сили тертя, при постійній абразив- ності 0%, нейтральному рівні активної кислотності, від навантаження. При навантаженні 1200 Н швид- кість зношування підібраної трібосистеми сталь 95Х18 та чавун ЧХ22Н2, на 40,38 % менша ніж швид- кість зношування базової трібосистеми та менша на 12,70 % ніж швидкість зношування трібосистеми сталь 40Х10С2М та чавун ЧХ22Н2. Сила тертя трібосистеми сталь 95Х18 та чавун ЧХ22Н2, при таких самих умовах, на 14,28% менша, ніж сила тертя базової трібосистеми та на 7,69 % менша, ніж сила тертя трібосистеми сталь 40Х10С2М та чавун ЧХ22Н2. Рис. 5 – Залежності швидкості зношування та сили тертя трібосистем від навантаження при постійній абразивності та рівня активної кислотності: 1– сталь 40Х та чавун ЧХ22Н2; 2 – сталь 95Х18 та чавун ЧХ22Н2; 3 – сталь 40Х10С2М та чавун ЧХ22Н2 При зменшені навантаження до 1000 Н, відбувається зменшення сили тертя та швидкості зношу- вання. Сила тертя базової трібосистеми при навантаженні 1000 Н на 26,89 % менша ніж при навантажені 1200 Н. Сила тертя при зменшенні навантаження від 1200 до 1000 Н трібосистем зменшується на 29,87 - 46,31 %. При зменшенні навантаження від 1200 до 1000 Н швидкість зношування трібосистем зменшується на 41,53 - 44,76 %. Сила тертя трібосистеми сталь 95Х18 та чавун ЧХ22Н2, на 38,66 % ме- нша ніж сила тертя базової трібосистеми та на 17,52 % менша ніж сила тертя трібосистеми сталь 40Х10С2М та чавун ЧХ22Н2. Швидкість зношування трібосистеми сталь 95Х18 та чавун ЧХ22Н2 на 17,78 % менша, ніж швидкість зношування базової трібосистеми та на 9,76 % менша, ніж швидкість зно- шування трібосистеми сталь 40Х10С2М та чавун ЧХ22Н2. При подальшому зменшені навантаження до 800 Н, відбувається зменшення швидкості зношу- вання та сили тертя. При зменшенні навантаження від 1000 до 1200 Н, сила тертя трібосистем зменшу- ється на 27,13 - 30,49 % та зменшується швидкість зношування на 59,22 - 68,83 %. Сила тертя трібосис- Експериментальна оцінка впливу факторів на зношування та сумісність матеріалів деталей екструдера Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2016, № 1 97 теми сталь 95Х18 та чавун ЧХ22Н2, на 21,57 % менша ніж сила тертя базової трібосистеми та на 12,09 % менша сили тертя трібосистеми сталь 40Х10С2М та чавун ЧХ22Н2. Швидкість зношування трібосистеми сталь 95Х18 та чавун ЧХ22Н2 на 44,06% менша, ніж швидкість зношування трібосистеми сталь 40Х та чавун ЧХ22Н2 та на 33,29 % менша ніж швидкість зношування трібосистеми сталь 40Х10С2М та чавун ЧХ22Н2. В табл. 3 зведені оптимальні значення швидкості зношування та сили тертя при трьох умовах: - при відсутності абразивності та постійному навантаженню 1000 Н найменше значення швидко- сті зношування 86,61 мкм/год. та сили тертя 149,19 Н, має трібосистема сталь 95Х18 та чавун ЧХ22Н2; - при нейтральному середовищу та постійному навантаженню 1000 Н найменше значення швид- кості зношування 90,51 мкм/год. та сили тертя 148,63 Н, має трібосистема сталь 95Х18 та чавун ЧХ22Н2; - при відсутності абразивності і нейтральному середовищі найменше значення швидкості зношу- вання 109,74 мкм/год. та сили тертя 164,69 Н, має також трібосистема сталь 95Х18 та чавун ЧХ22Н2. Таблиця 3 Трібологічні характеристики: швидкість зношування та сила тертя в залежності від активної кислотності, абразивності та навантаження Абразивність 0 % та навантаження 1000 Н рН7,0 та навантаження 1000 Н рН7,0 абр. 0 % Трібосистема І, мкм/год/рН Fтер., Н/рН І, мкм/год/абр., % Fтер., Н/абр., % І, мкм/год/P, H, Fтер., Н / P, H Сталь 40Х та чавун ЧХ22Н2 146,14/7,4 180,91/6,8 147,56/0 180,76/0 53,36/800 131,73/800 Сталь 95Х18 та чавун ЧХ22Н2 86,61/7,4 149,19/7,4 90,51/0 148,63/0 29,85/800 103,31/800 Сталь 40Х та чавун ЧХ22Н2 104,68/7,4 166,14/7,4 109,74/0 164,69/0 44,75/800 117,52/800 Висновки 1. Сплановано та проведено трьохфакторний експеримент по вибору найбільш сумісних матеріа- лів в залежності від їх трібологічних характеристик: швидкість зношування та сила тертя, на які вплива- ють рівень активної кислотності, абразивності та навантаження. За результатами проведеного експери- менту було обрано найбільш сумісну, трібосистему: сталь 95Х18 та чавун ЧХ22Н2. 2. Отримано регресійні рівняння та побудовані залежності впливу рівня активної кислотності, рН на швидкість зношування та силу тертя. Встановлено, що рослина сировина для виробництва твердого палива має слабокисле середовище та активну кислотність 5 рН. Швидкість зношування підібраної трі- босистеми сталь 95Х18 та чавун ЧХ22Н2, на 37,70 % менша ніж швидкість зношування базової трібосис- теми сталь 40Х та чавун ЧХ22Н2. Швидкість зношування трібосистеми сталь 95Х18 та чавун ЧХ22Н2 на 16,82 % менша ніж швидкість зношування трібосистеми сталь 40Х10С2М та чавун ЧХ22Н2. 3. Визначено, що при додаванні до сировини луги - гідроксиду натрію, відбувається зменшення сили тертя та швидкості зношування. Так при рН 7,4 сила тертя сталі 40Х, сталі 95Х18 та 40Х10С2М з чавуном ЧХ22Н2 відповідно на 16,13 %, 18,47 %, та 16,85 % менша ніж при рН 5. 4. При подальшому додаванні луги, створюється сильнолужне середовище, відбувається зворот- ний процес, при якому зростає швидкость зношування та сили тертя. При рН 11 сил а тертя сталі 40Х, сталі 95Х18 та 40Х10С2М з чавуном ЧХ22Н2 відповідно на 60,57 %, 41,74 %, та 42,96% більша ніж при рН 7,4. 5. В трьох різних умовах трібосистема сталь 95Х18 та чавун ЧХ22Н2 має найменшу швидкість зношування та силу тертя, ніж трібоситема сталь 40Х і чавун ЧХ22Н2 та трібоситема сталь 40Х10С2М та чавун ЧХ22Н2. Література 1. Сырье для брикетирования топливных брикетов [Электронный ресурс]: (Сайт) / Топливные брикеты. Оборудование для производства топливных брикетов. – Электорон. дан. – 2016. – Режим дос- тупа: http://briket.zp.ua/sirie/. – Название с экрана. 2. Костецкий Б.И. Сопротивление изнашиванию деталей машин / Б. И Костецкий. – М. : Машгиз, 1959. – 478 с. Експериментальна оцінка впливу факторів на зношування та сумісність матеріалів деталей екструдера Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2016, № 1 98 3. Измалков Л. И. К вопросу об оптимальной чистоте поверхности деталей шнекпрессов / Л. И. Измалков // Пищевая технология. – 1959. – № 3. 4. Гончар В.А. Підвищення зносостійкості і довговічності екструдерів для переробки фуражного зерна з домішками мінералів : автореф. дис. на здобуття наук. ступеня канд. тех. наук : спец. 05.02.04 – «Тертя та зношування в машинах» / В.А. Гончар. – Хмельницький, 2014. – 20 с. 5. Гончар В.А. Дослідження зносостійкості азотованої сталі Х12 в корозійно-абразивному сере- довищі / В.А. Гончар // Інформатика та механіка : тези доповідей VIII українсько-польської конференції молодих науковців. – Хмельницький, 2011. – С. 45-46. 6. Износ оборудования при переработке пластмасс / [Стамбурский Е.А. Бейль А. И., Кар- ливан В. П., Беспалов Ю. А.]. – М.: Химия, 1985. – 208 с. 7. Деркач В.В. Підвищення зносостійкості циліндра екструдера методом термодифузійної біме- талізації : автореф. дис. на здобуття наук. ступеня канд. тех. наук : спец. 05.02.04 – «Тертя та зношування в машинах» / В.В. Деркач. – К.: Наук. думка. – 2000. – 20 с. 8. Ястреба С.П. Підвищення ефективності роботи і довговічності олійних пресів : автореф. дис. на здобуття наук. ступеня канд. тех. наук : спец. 05.18.12 «Процеси та обладнання харчових, мікробіоло- гічних та фармацевтичних виробництв» / С.П. Ястреба. – К.: Наук. думка. – 2012. – 19 с. 9. Briquettes de biomasse de presse [Ressource électronique]: (Site Web) // Anyang Gemco Energy Machinery Co., Ltd. - Mode d'accès: WWW.URL: www.biodiesel-machine.com/fr/biomass-briquette- press.html. - Dernière visite: 2016. - Titre de l'écran. 10. Васильків В.В. Види зношення спіралей гвинтових робочих органів / В.В. Васильків, Д.Л. Ра- дик // Вісник ХНТУСГ. – Харків: ХНТУСГ, 2010. – Вип. 100. – С. 197 – 202. 11. Костецкий Б.И. Сопротивление изнашиванию деталей машин / Б. И Костецкий. – М. : Маш- гиз, 1959. – 478 с. 12. Гончар В.А. Зносостійкість сталі Х12 в водному розчині муки з добавками мінералу сапоніту / В.А. Гончар // Збірник наукових праць Вінницького національного аграрного університету, 2013. – Вип. 12 (75). – С. 6-14. 13. Седов Л. И. Методы подобия и размерности в механике / Л. И. Седов. – М.: Мир, 1981. – 448 с. 14. Обеспечение износостойкости изделий. Метод оценки фрикционной теплостойкости мате- риалов. ГОСТ 23.210-80. – [Введ. 1981-07-01]. – М.: Издательство стандартов, 1981. – 10 с. – (Межгосу- дарственный стандарт). 15. Войтов В. А. Конструктивна зносостійкість вузлів тертя гідромашин. Частина 149. Методо- логія моделювання граничного змащування в гідромашинах / В. А. Войтов. – Х.: Центр Леся Курбаса. – 1997. – 154 с. 16. Борисов М. В. Ускоренные испытания машин на износостойкость как основа повышения их качества // М. В. Борисов, И. А. Павлов, В. И. Постников. – М.: Изд-во стандартов, 1976. – 352 с. 17. Словарь-справочник по трению, износа и смазке деталей машин / [В. Д. Зозуля и др.]. – К.: Наук. думка, 1990. – 259 с. 18. Разработка методики и исследование проявления эффекта Ребиндера при различных смазоч- ных средах / С. В. Венцель, Н. Н. Курманова, В. А. Баздеркин [и др.] // Трение и износ. – 1985. – Т. 6, № 4. – С. 661 – 665. Поступила в редакцію 19.02.2016 Експериментальна оцінка впливу факторів на зношування та сумісність матеріалів деталей екструдера Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2016, № 1 99 Vojtov V.A., Tsymbal B.M. Experimental evaluation of influence factors on wear and materials compatibility of the parts of the extruder. The paper presents an experimental evaluation of the negative impact of active acidity pH, abrasion and wear bur- den on speed, strength and friction material compatibility of working parts the extruder for the production of fuel pellets from plant material. Tribology investigated surface friction pairs steel and iron depending on the active acidity and abrasiveness and formed a theory about the mechanism of wear. Keywords: Tribology steam rate of wear, friction, friction surface active acidity, abrasiveness, compatibility of materials, abrasive-corrosive wear. References 1. Syrye dlya briketirovaniya toplivnykh briketov [Elektronnyy resurs]: (Sayt). Toplivnyye brikety. Oborudovaniye dlya proizvodstva toplivnykh briketov. Elektoron. dan. 2016. Rezhim dostupa: http://briket.zp.ua/sirie. Nazvaniye s ekrana. 2. Kostetskiy B.I. Soprotivleniye iznashivaniyu detaley mashin. M. : Mashgiz. 1959. 478 s. 3. Izmalkov L. I. K voprosu ob optimalnoy chistote poverkhnosti detaley shnekpressov. Pishchevaya tekhnologiya. 1959. № 3. 4. Gonchar V.A. Pіdvishchennya znosostіykostі і dovgovіchnostі ekstruderіv dlya pererobki furazhnogo zerna z domіshkami mіneralіv : avtoref. dis. na zdobuttya nauk. stupenya kand. tekh. nauk : spets. 05.02.04 – «Tertya ta znoshuvannya v mashinakh». Khmelnitskiy. 2014. 20 s. 5. Gonchar V.A. Doslіdzhennya znosostіykostі azotovanoї stalі Kh12 v korozіyno-abrazivnomu sere- dovishchі. Іnformatika ta mekhanіka : tezi dopovіdey VIII ukraїnsko-polskoї konferentsії molodikh naukovtsіv. Khmelnitskiy. 2011. S. 45-46. 6. Iznos oborudovaniya pri pererabotke plastmass.Stamburskiy E.A. Beyl A. I.. Karlivan V. P.. Bespa- lov Yu. A. M.: Khimiya. 1985. 208 s. 7. Derkach V.V. Pіdvishchennya znosostіykostі tsilіndra ekstrudera metodom termodifuzіynoї bіmetalіzatsії : avtoref. dis. na zdobuttya nauk. stupenya kand. tekh. nauk : spets. 05.02.04 – «Tertya ta znoshu- vannya v mashinakh». Kiїv. 2000. 20 s. 8. Yastreba S.P. Pіdvishchennya efektivnostі roboti і dovgovіchnostі olіynikh presіv : avtoref. dis. na zdobuttya nauk. stupenya kand. tekh. nauk : spets. 05.18.12 «Protsesi ta obladnannya kharchovikh. mіkrobіologіchnikh ta farmatsevtichnikh virobnitstv». Kiїv. 2012. 19 s. 9. Briquettes de biomasse de presse [Ressource ?lectronique]: (Site Web). Anyang Gemco Energy Ma- chinery Co.. Ltd. - Mode d'acc?s: WWW.URL: www.biodiesel-machine.com/fr/biomass-briquette-press.html. - Derni?re visite: 2016. Titre de l'?cran. 10. Vasilkіv V.V., Radik D.L. Vidi znoshennya spіraley gvintovikh robochikh organіv. Vіsnik KhNTUSG. Kharkіv: KhNTUSG. 2010. Vip. 100. S. 197 – 202. 11. Gonchar V.A. Znosostіykіst stalі Kh12 v vodnomu rozchinі muki z dobavkami mіneralu saponіtu. Zbіrnik naukovikh prats Vіnnitskogo natsіonalnogo agrarnogo unіversitetu. 2013. Vip. 12 (75). S. 6-14. 12. Sedov L. I. Metody podobiya i razmernosti v mekhanike. M.: Mir. 1981. 448 s. 13. Venikov V.A., VenikovG. V. Teoriya podobiya i modelirovaniya. M.: Vyssh. Shkola. 1991. 419 s. 14. Obespecheniye iznosostoykosti izdeliy. Metod otsenki friktsionnoy teplostoykosti materialov. GOST 23.210-80. [Vved. 1981-07-01]. M.: Izdatelstvo standartov. 1981. 10 s. (Mezhgosudarstvennyy stan- dart). 15. Voytov V. A. Konstruktivna znosostіykіst vuzlіv tertya gіdromashin. Chastina 149. Metodologіya modelyuvannya granichnogo zmashchuvannya v gіdromashinakh. Kh.: Tsentr Lesya Kurbasa. 1997. 154 s. 16. Borisov M. V. Uskorennyye ispytaniya mashin na iznosostoykost kak osnova povysheniya ikh kachestva. M. V. Borisov. I. A. Pavlov. V. I. Postnikov. M.: Izd-vo standartov. 1976. 352 s. 17. Slovar-spravochnik po treniyu. iznosa i smazke detaley mashin.V. D. Zozulya i dr. K.: Nauk. dumka. 1990. 259 s. 18. Razrabotka metodiki i issledovaniye proyavleniya effekta Rebindera pri razlichnykh smazochnykh sredakh. S. V. Ventsel. N. N. Kurmanova. V. A. Bazderkin [i dr.]. Treniye i iznos. 1985. T. 6. № 4. S. 661– 665.