ПРОБЛЕМЫ МАШИНОСТРОЕНИЯ И НАДЕЖНОСТИ МАШИН
< 3, 2004
УДК 655.521.5
© 2004 г. Погодаев Л.И., Кузьмин В.Н., Кондрат 3.
ВЛИЯНИЕ ДОБАВОК К МОТОРНЫМ МАСЛАМ НА МОРФОЛОГИЮ ПОВЕРХНОСТЕЙ ТРЕНИЯ ДЕТАЛЕЙ
Приведены результаты анализа по выявлению влияния добавок различного функционального назначения к базовому моторному маслу Shell X100 на комплекс противоизносных свойств и триботехнических характеристик трибосопря-жения C4-Cr гальванический, работающего в условиях граничной смазки по схеме ролик - ролик. Приводится подробный анализ влияния шероховатости поверхности трения на износ сопряженных деталей, температуру, коэффициент трения и другие характеристики трибосопряжения в связи с масштабными эффектами расслоения опытных данных.
Смазочные композиции (СК) состояли из базового минерального масла Shell X100 и 14 различных добавок. Содержание добавок в СК соответствовало рекомендациям фирм-изготовителей. Для сравнения испытали трибосопряжение при смазке синтетическим маслом Shell Herlix Uttra.
Пару трения составили из низколегированного (втулочного) серого чугуна с HB = = (215, ..., 225) х10- МПа и плотного гальванического хромового покрытия с микротвердостью H50 = 11000 МПа. Испытания проводили на машине трения ИИ-5018 по схеме ролик - ролик. Подвижный ролик 050 мм и шириной 12 мм изготавливали из СЧ (Ra = 0,36 мкм), а неподвижный аналогичных размеров из чугуна с гальваническим хромовым покрытием толщиной 400 мкм и с исходной шероховатостью Ra = 0,54 мкм. Шероховатость измеряли профилографом фирмы Hommel. Выбор пар трения был обусловлен тем, что в настоящее время трибосопряжение СЧ-Сг гальванический является достаточно распространенным в судовых, тепловозных и автотракторных двигателях для изготовления втулок цилиндров из чугуна и хромирования поршневых колец.
Температуру в зоне трения, на расстоянии 1,7, ..., 2,0 мкм от поверхности трения, измеряли с помощью термопары и потенциометра КСП-4. Момент трения измеряли штатным моментомером и трибометром. Нагрузку на трибосопряжение в основных опытах изменяли в пределах от 10 до 50 МПа. В период приработки образцов удельная нагрузка достигала 70 МПа. Сравнительные испытания проводили в течение 5 и 10 ч. По истечении каждого часа испытаний определяли весовой износ чугунного ролика и площадь пятна износа на хромированном образце. Смазку трибосопряжения осуществляли капельным способом (4-6 капель в минуту).
В дополнение к условиям лабораторных испытаний трибосопряжения СЧ-Сг гальванический в присутствии 18 вариантов СК [1-4] остановимся на достоинствах и недостатках оценки работоспособности трибосопряжений по результатам их испытаний по схеме ролик - ролик.
К достоинствам можно отнести сравнительную легкость реализации на трибокон-такте достаточно жестких силовых и температурных условий внешнего нагружения, а также сравнительно легкий визуальный и инструментальный (измерительный) доступ к поверхностям трения: к изнашиваемой поверхности хромированного образца в виде сегмента, вырезанного из натурного поршневого кольца двигателя внутреннего сго-
мм
2,0' 1,6
1,2 1,0
0,8
J_I_I_L_
20
30
50
1,2 1,0 0,8
0,6
0,4 0
\
10
J_I_I_I_I_L_
0,5
0,8
10 8
1,4 2,0 kC
Рис. 1. а - Зависимость ¿л = 3,63 Ул' (Г) после пятичасовых испытаний пары трения СЧ-Сг гальванический при смазке СК с добавками (таблица): 1 - ролик (СЧ), 2 - кольцо (Сг), 3 - износ (пл. Р). б - Соотношения
между ¿С™ и кСт (Г - ¿С™ = 0,97/^С'г33) и между площадью пятна износа РС и относительной износостойкостью хромированных образцов (ГГ - РС = 6,1/&С'г33)
рания (ДВС). К недостаткам следует отнести следующие обстоятельства: неопределенность контактных давлений, уменьшающихся по мере увеличения пятна износа на хромированном образце; непрерывность трибоконтакта и его ограниченность по площади, что не соответствует условиям работы двигателей ЦПГ ДВС (пары трения поршневое кольцо - цилиндровая втулка); возможные погрешности в оценке износостойкости трибосопряжений, связанные с измерением пятна износа лупой Бринелля, а также с перекосами при периодической переустановке образцов (пятно износа может иметь форму прямоугольника и эллипса); неучет раздельного вклада упругой и пластической деформации в формообразование пятна износа (Упругое восстановление пятна контакта после снятия нагрузки, различное при разных СК, может существенно исказить истинную картину контактного взаимодействия образцов и привести к дополнительным погрешностям при оценке их износостойкости). Эти замечания в той или иной степени свойственны любым трибологическим испытаниям материалов и СК, проводимым по схеме ролик - ролик. Повышение достоверности результатов возможно путем привлечения дополнительных методов исследований: микрорентгенос-пектрального анализа, метода измерения микротвердости по глубине изнашиваемого слоя с учетом упругого восстановления отпечатка микротвердомера и т.п.
Схема испытаний трибосопряжения показана на рис. 1, а, из которой следуют упрощенные геометрические построения последовательного измерения увеличивающейся площади износа на боковой поверхности хромированного образца.
График зависимости диаметра лунки износа йл от объемного износа Vn четко указывает на существование кубической зависимости между объемом Vn и основным линейным параметром dn, характеризующим износостойкость трибосопряжений при ширине образца b = const = 12 мм. Это (чисто геометрическая) зависимость имеет вид
(dn)r = const! Iff = 6,0VF,
(1)
где Р - заштрихованная площадь износа на боковой поверхности хромированных образцов (рис. 1, а).
При ширине ролика Ь = 12 мм выражение (1) перепишем в виде
(d л)г = 2,6jiVJr.
(2)
Аналогичные зависимости, полученные при испытаниях образцов на машинах трения, имеют вид
(^)опь:т = 3,633/Щ, И (FCr)опыт = 6,l/ifc
Из (2) и первой зависимости (3) вытекает соотношение
(3)
(d л) = 1,37 (dл)
лл
2
отн
d
FCr, мм
Cr
9
15
16
5
11
13 8
3
12
6
4
80 100 Ул ■ 103, мм
3
Rz, мкм 1,8
0,10 0,12 0,16 0,20 Ra, мкм
Рис. 2. Соотношение между параметрами шероховатости на поверхности ролика из СЧ при трении в паре с гальваническим Сг в присутствии СК с добавками
0г
П
Рис. 3. Кривые опорной поверхности чугунного ролика при граничном трении в течении 5 ч и смазке маслом Shell X100 с добавками: Rz =
constRa , R7 = 3,2 мкм, Rn = 0,8 мкм
a
а вторая зависимость (3) легко преобразуется в формулу
(da) отн = 0,97/3/fc^, (5)
где (^л)отн и kV - относительные значения пятна износа и износостойкости, равной
VjJV^ (таблица [5], рис. 1).
Превышение в (4) опытных значений (dj0 на 37% над (^л)г, измеренными по геометрической схеме контакта, может быть связано с вибрационной активностью три-босопряжений и соответствующим "размазыванием" пятна контакта (износа) по поверхности хромированного образца. В то же время при значительном увеличении (^л)опыт от вибраций будет соответственно возрастать глубина лунки кл, определяемая расчетным путем по значениям (^л)опыт, и может превысить невосстановленное (т.е. с участием упругих деформаций) значение кл. Это в итоге приведет к погрешностям при определении невосстановленного объема VJd^ ^л)опыт и оценке относительной износостойкости трибосопряжений.
В связи с этим целесообразно пользоваться относительными значениями износ-ных характеристик: формулой (5), согласно которой относительная износостойкость трибосопряжений пропорциональна относительному пятну износа в кубе, т.е.
kVn = (dл)отн .
Рассмотрим влияние параметров шероховатости поверхности трения на триботех-нические характеристики и износостойкость трибосопряжений.
Для оценки параметров шероховатости Ra и Rz будем использовать рекомендации ГОСТ 2789-73. Для измерения Ra, Rz и построения опорных кривых использовали про-филограф Hommel W Tester T-500 фирмы Hommel Werke (Германия). На первом этапе исследований были сопоставлены значения Rz и Ra (рис. 2). На рис. 2 четко проявилась основная линия I с линейной зависимостью между Rz и Ra (т. 11, 9, 16, 3, 5, таблица) и два нелинейных ответвления: линия II (т. 1, 4, 12, 8) и III (т. 15, 13, 6, 2, 14, 10, 7). Линии II и III соответствуют квадратичным зависимостям. В общем случае имеем Rz =
= constj, jj, шRna , где n = 1 для линии I и n = 0,5 для линий II и III.
Важно отметить, что только при трех СК (т. 11, 9 и 16) исходная шероховатость поверхности ролика из СЧ Ra = 0,13 мкм уменьшилась до 0,11, ... 0,12 мкм. Во всех других случаях Ra увеличилась от 0,13 до 0,22 мкм.
о
Название № СК на рис. Для ролика (СЧ) ^ЧШМТ (ГОСТ), мм отн. ед. Fa ~ 4ин dn, мм2 мм3 с 2 Л0, мм „отн
смазочной композиции ka кеч к с Утр Ra> мкм мкм FCt износ, мм2, [5] dR, мм 7--ОТН Fa /гл, мм ку
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17
Shell Х100 Shell 1 1 1 200 0,091 0,16 1,16 0,36/1,0 6,67 1,45 6,2 1,0 0,021 0,065 1 230/0,65
Herlix Ultra 2 1,45 0,76 198 0,096 0,18 1,46 0,25 5,85 1,13 5,1 1,21 0,013 0,032 2,03 209/0,56
Унимет 3 0,92 0,98 202 0,084 0,13 1,15 - 6,89 1,45 7,25 0,86 0,022 0,077 0,84 221/0,60
СУРМ 4 1,26 0,57 210 0,094 0,16 1,25 0,26/1,38 5,54 1,45 5,85 1,06 0,022 0,062 1,05 202/0,55
Хадо 5 0,87 1,53 195 0,088 0,14 1,21 0,73/0,49 6,89 1,53 6,91 0,90 0,024 0,080 0,81 236/0,64
Autoplus 6 2,92 2,44 119 0,042 0,17 1,53 0,36/1,0 4,68 1,05 4,65 1,33 0,01 0,022 2,95 335/0,91
Униплак 7 1,84 1,67 215 0,080 0,22 1,70 0,39/0,92 5,29 1,21 5,46 1,13 0,015 0,040 1,63 289/0,78
Е3000 8 0,84 0,56 219 0,106 0,20 1,37 0,29/1,24 7,53 1,58 7,25 0,86 0,026 0,091 0,71 197/0,53
Lubrifilm Diamond 9 0,88 2,32 220 0,097 0,12 1,03 0,36/1,0 6,55 1,69 7,51 0,83 0,029 0,106 0,61 201/0,54
xer2 10 2,63 2,77 117 0,057 0,19 1,59 0,36/1,0 4,62 1,21 5,0 1,24 0,015 0,038 1,71 299/0,81
Xeramic PM 11 0,54 1,95 233 0,105 0,11 0,90 0,42/0,86 8,34 1,69 7,78 0,80 0,029 0,109 0,60 165/0,45
abro 12 0,96 0,14 190 0,095 0,19 1,34 0,31/1,24 6,71 1,45 6,32 0,98 0,022 0,067 0,97 155/0,42
Mannol 13 0,92 0,14 218 0,096 0,17 1,53 0,28 0,38 1,29 ' 0,95 6,93 1,60 7,54 0,82 0,026 0,095 0,68 210/0,57
pbx2 14 1,31 0,57 180 0,067 0,18 1,55 0,29/1,24 5,84 1,37 5,54 1,12 0,019 0,051 1,27 256/0,69
er 15 0,49 0,86 164 0,05
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.