научная статья по теме КРИТЕРИИ РАБОТОСПОСОБНОСТИ И ВЫБОР МАТЕРИАЛОВ ДЛЯ ОПОР СКОЛЬЖЕНИЯ С УЧЕТОМ СВОЙСТВ СМАЗОЧНЫХ МАТЕРИАЛОВ Машиностроение

Текст научной статьи на тему «КРИТЕРИИ РАБОТОСПОСОБНОСТИ И ВЫБОР МАТЕРИАЛОВ ДЛЯ ОПОР СКОЛЬЖЕНИЯ С УЧЕТОМ СВОЙСТВ СМАЗОЧНЫХ МАТЕРИАЛОВ»

ПРОБЛЕМЫ МАШИНОСТРОЕНИЯ И НАДЕЖНОСТИ МАШИН

№ 5, 2013

УДК 621.785.796

© 2013 г. Поляков С.А., Куксенова Л.И., Лычагин В.В., Гончаров С.Ю.,

Черторыльский И.С.

КРИТЕРИИ РАБОТОСПОСОБНОСТИ И ВЫБОР МАТЕРИАЛОВ ДЛЯ ОПОР СКОЛЬЖЕНИЯ С УЧЕТОМ СВОЙСТВ СМАЗОЧНЫХ МАТЕРИАЛОВ

Рассмотрены критерии работоспособности опор скольжения и влияние на формирование соответствующих показателей составов конструкционных и смазочных материалов. Показано, что использование активных смазочных материалов может повысить такой показатель работоспособности как грузоподъемность в несколько раз.

Основным критерием работоспособности для опор скольжения считается износостойкость, поскольку по причине износа выходят из строя большинство деталей машин, работающих в условиях трения скольжения [1]. Однако это общее положение недостаточно для выбора конкретных материалов тех или иных узлов машин и механизмов, поскольку само по себе понятие "износостойкость" не является характеристикой только конструкционного материала, например, твердость. Показатели, которые позволяют оценить износостойкость, такие как интенсивность изнашивания, обозначаемая обычно I, получают экспериментальным путем для конкретных сочетаний конструкционных и смазочных материалов и конкретных условий нагружения и смазывания. Изменение этих условий, как и составляющих сопряжение материалов, влечет за собой изменение соответствующих показателей.

Одним из факторов, наиболее существенно влияющих на интенсивность изнашивания (и, соответственно, на износостойкость), является нагрузка на сопряжение. В связи с этим условия износостойкости как основного критерия работоспособности часто записывают в форме неравенства, ограничивающего эксплуатационное давление в сопряжении с некоторой допустимой величиной. Такие критерии используются для шарниров цепных передач, подшипников скольжения в условиях граничной смазки и др. [1, 2]. Однако выбор такого допустимого давления, которое можно было бы назвать грузоподъемностью, как правило, проводится путем ссылки на экспериментальные данные, но никаких расчетов и моделей для подобного выбора не предлагается [2].

В то же время, понятие "грузоподъемность" может быть введено для опор скольжения более обоснованно.

Одна из основных закономерностей, позволяющая связать условия эксплуатации и конструктивные особенности опор скольжения, выражается с помощью диаграммы Герси—Штрибека (рис. 1). Теоретические и экспериментальные основы этой диаграммы были разработаны в эпоху создания гидродинамической теории смазки. В частности, ряд экспериментальных данных, обосновывающих эту закономерность, содержится в справочнике [2]. Для разъяснения смысла этой закономерности здесь и далее использована интерпретация, данная в работах [3, 4, 5].

Суть этой закономерности состоит в следующем. В результате взаимного перемещения поверхностей с относительной скоростью и и гидродинамического сопротив-

ления смазочного материала этому перемещению, характеризуемого динамической вязкостью п, в смазочном слое возникает внутреннее давление q, которое обуславливает несущую способность смазочного слоя. В сочетании с внешним давлением в сопряжении p, которому сопротивляется внутреннее давление в смазочном слое q, три величины (и, п, Р) дают основной критерий перехода сопряжения в гидродинамический режим — параметр Зоммерфельда Z = (и • п/p). Критическое значение Z определяется при построении диаграммы Герси—Штрибека. Эта диаграмма представляет собой экстремальную зависимость коэффициента трения f от параметра Зоммерфельда Z. При этом область минимума f соответствует критическому значению Z, т.е. переходу в область образования гидродинамического слоя смазки, обладающего достаточным внутренним давлением q для разделения поверхностей (рис. 1).

Наиболее важным аспектом данной закономерности является ее экстремальный характер — наличие минимума коэффициента трения. Физический смысл этой закономерности раскрывается в результате анализа параметра Z, который имеет размерность длины при использовании в нем динамической вязкости п (Па • с). Таким образом, диаграмма показывает зависимость коэффициента трения от величины, пропорциональной толщине смазочной пленки. При достаточном внутреннем давлении толщина пленки такова, что трущиеся поверхности гарантированно разделены смазочным материалом.

Для характеристики минимально допустимой толщины смазочной пленки устанавливают коэффициент запаса толщины пленки Gh, который определяется следующим образом: Gh = hmin/hr, где hmin — минимальная толщина смазочной пленки, hr = Rz1 + Rz2 — сумма высот шероховатостей вала и вкладыша. Считается [2, 4, 5], что жидкостной режим существует в области Gh > 1.

Именно эта величина предлагается в [2] в качестве основного критерия работоспособности опор скольжения. Таким образом, для расширения области реализации жидкостного режима смазывания необходимо уменьшать высоту микронеровностей. Иллюстрация этой закономерности дана в табл. 1 [5]. Уменьшение толщины пленки ни-

1 1

V \ f

Граничное Жидкостной

трение режим

Z

Рис. 1

Таблица 1

Взаимосвязь параметров шероховатости, толщины смазочной пленки и грузоподъемности сопряжения вал — вкладыш [5]

Вид обработки поверхности шейки вала Суммарная высота, микронеровностей hkr Критическая толщина пленки, мкм Критическое число Зоммерфельда Грузоподъемность пленки q, отн. ед.

Точение 3,5 15,74 0,38 13,5

Шлифование 1,98 8,91 0,25 22,4

Шлифование 1,47 6,62 0,06 25,7

Шлифование 0,55 2,51 0,0017 616

Шлифование 0,53 2,31 0,0013 870

Полирование 0,4 1,82 0,0012 894

Суперфиниш 0,22 1,6 0,001 880-1220

Примечание. Грузоподъемность определяли по формуле q = к(р/ц\) = (к/^ ), где к — коэффициент пропорциональности (размерный), — критическое значение параметра Зоммерфельда, определяемое по минимуму коэффициента трения.

же критической ведет к переходу в область смешанной и граничной смазки, что приводит к контактированию трущихся поверхностей через слой граничной (адсорбированной) смазки. Последствия такого контактирования (деформация приповерхностных слоев конструкционных материалов) ведут к увеличению коэффициента трения, износу и заеданию, а также основным причинам выхода из строя опор скольжения.

В связи с приведенными обстоятельствами возникает вопрос: каким образом нужно подбирать конструкционные и смазочные материалы, чтобы обеспечить максимальную грузоподъемность опор скольжения или, что эквивалентно, минимальное значение критического параметра Зоммерфельда, поэтому целью настоящей статьи является определение требований к свойствам конструкционных материалов и сочетаниям их со смазочными материалами, которые могут обеспечить максимальную грузоподъемность для опор.

Механические и триботехнические свойства конструкционных материалов, необходимые для обоснования выбора конкретных видов материалов в конкретных узлах, зачастую или неизвестны, или неоднозначно характеризуют материал в условиях трения. Подбор машиностроительных материалов в аспекте объемной прочности осуществляют, как правило, на основе известных показателей механических свойств, таких, например, как предел текучести, предел выносливости, твердость и т.д. Для оценки пригодности материала эти показатели сравнивают с известным критерием работоспособности, например, допустимым напряжением [1]. Материалы для сопряжений скольжения трудно охарактеризовать каким-либо одним механическим свойством. Это связано, в первую очередь, с возможностью реализации тех или иных условий смазывания.

Тем не менее, у машиностроительных материалов имеются свойства, которые способствуют уменьшению шероховатости. Эти механические свойства — пластичность и склонность к релаксации напряжений. Они наиболее ярко проявляются у подшипниковых материалов в таком важном триботехническом свойстве как прирабатывае-мость, которые формирует, в свою очередь, грузоподъемность [6].

Важно, что для ряда материалов эти свойства могут быть усилены подбором активного смазочного материала. Обычно свойства смазочного материала рассматривают в аспекте вязкости, что позволяет увеличить грузоподъемность ценой увеличения потерь на трение. Однако, если смазочный материал, благодаря своей активности, позволяет уменьшить шероховатость, то подобное (релаксационное) действие смазки ведет к повышению несущей способности сопряжения. Это связано с известным критерием — порогом внешнего трения, на основе которого была разработана теория холодного заедания [7]. Одним из итогов этой теории было выявление роли фрикционного упрочнения как фактора, провоцирующего заедания. В частности, для оценки нагрузки заедания в [7] была предложена формула

Рс = (НВ/ут), (1)

где — степень деформационного упрочнения, определяемая в соответствии с ГОСТ 23. 213-83; Рс — нагрузка заедания; НВ — твердость (объемная) более мягкого материала.

На основе данного критериального соотношения можно сделать оценку нагрузки заедания для конкретных материалов, для которых известны значения у. Очевидно, что подобный подход к расчету нагрузки заедания носит приблизительный, оценочный характер, но он правильно отражает тенденцию изменения несущей способности материалов в связи с изменением их антифрикционных свойств. В то же время, в таком расчете использованы приповерхностные характеристики материалов, определяемые при контактных взаимодействиях. Они существенно отличаются от объемных характеристик, например, степень упрочнения при объемном деформировании никогда не достигает многократной величины. Это связано с особыми механическими свойствами приповерхностных слоев, исследованных в работах [7—10].

Таблица 2

Сравнение механических свойств материалов в объеме и на поверхности

Материал Объемное упрочнение Относительное удлинение, % Фрикционное упрочнение в инактивной среде [5, 7, 8] Фрикционное упрочнение в активной среде [9, 10]

Баббит Б88 1,5 60 1 —

Медь 3 75 6 1

Бронза 2 65 2 1

Чугун 1 2 1 1

АО20 1,5 30 1 1

30ХГСА 1,3 20 6 —

12Х18Н9Т 1,5 30 2 —

Кроме того, фрикционные характеристики существенно зависят от физико-химического воздействия на поверхность, например, степень фрикционного упроч

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.

Показать целиком