ПРОБЛЕМЫ МАШИНОСТРОЕНИЯ И НАДЕЖНОСТИ МАШИН
№ 4,2009
УДК 621.891:621.822
© 2009 г. Болденко А.А., Лаптева В.Г., Пичугин В.Ф.
УЛУЧШЕНИЕ ТРИБОТЕХНИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ПОДВИЖНЫХ СОПРЯЖЕНИЙ В МОТОРНЫХ МАСЛАХ
Представлены результаты исследований процессов трения и изнашивания металлических пар в моторном масле М14В2 с оловосодержащей смазочной композицией. Оловосодержащая смазочная композиция разработана в РГУ нефти и газа им. И.М. Губкина на основе современных представлений об эффекте безызносности при трении. Показано, что введение в моторное масло оловосодержащей смазочной композиции способствует улучшению триботехнических характеристик металлических трибосопряжений.
Развитие современного автотракторостроения и транспортного машиностроения неразрывно связано с совершенствованием конструкции и ростом мощностей двигателей внутреннего сгорания (ДВС).
Работоспособность тракторов, бульдозеров, трубоукладчиков, экскаваторов, которые широко используются при сооружении скважин и строительстве газонефтепроводов, а также подвижного состава железнодорожного транспорта, судов речного и морского флота, легковых и грузовых автомобилей во многом определяется износостойкостью материалов, из которых изготовлены тяжелонагруженные трибосопряжения. В ДВС — это прежде всего износ поршневых колец и гильз цилиндров, вкладышей, кулачков распределительных валов, толкателей и др. деталей. Двигатели внутреннего сгорания весьма часто выходят из строя в связи с задиром пар трения. Повышение срока службы ДВС, экономия горючесмазочных материалов и защита окружающей среды является важной технической задачей. Одним из основных факторов при этом является работоспособность трибосопряжений, зависящая не только от металлофизи-ческих характеристик поверхностей трения, но и от свойств смазочного материала.
В результате исследований, проведенных в области физико-химии контактных взаимодействий российскими учеными Гаркуновым Д.Н. и Крагельским И.В. установлено явление избирательного переноса при трении — эффект безызносности [1]. Сущность его состоит в том, что при изнашивании пары "медный сплав—сталь" на поверхностях трения формируется медьсодержащая пленка. Наличие на контактирующих поверхностях мягкой пленки (особой структуры и свойств), лежащей на упрочненной подложке, обеспечивает локализацию процесса трения в тончайшем поверхностном слое и препятствует вовлечению в процесс деформации более глубоких слоев материала [2]. При этом низкий коэффициент трения и высокая износостойкость материалов подвижных сопряжений значительно зависит от свойств смазочной среды. На основе явления избирательного переноса разработаны новые направления в триботехнике для повышения срока службы механизмов и машин [3].
В условиях физико-химического взаимодействия смазочного материала с поверхностью металла при трении одним и способов повышения работоспособности сопряжений является трибомодификация поверхностей трения за счет формирования металлсодержащих антифрикционных и противоизносных пленок.
Целью настоящей работы являются экспериментальные исследования процессов трения и изнашивания металлических пар в моторном масле М14В2 с новой оловосодержащей смазочной композицией применительно к подвижным сопряжениям двигателей внутреннего сгорания.
Материалы и методика исследований. Исследования контактной выносливости тел качения в моторных маслах проводили на 4-х шариковой машине трения Plint. Эксперименты выполняли при нагрузке на шпиндель машины 4000 Н, частоте вращения верхнего шара 10 ■ 103 об/мин. В качестве критерия влияния моторных масел на контактную выносливость шаров из стали ШХ 15 диаметром 12,7 мм принято число циклов нагружений до появления усталостных выкрашиваний на дорожке качения верхнего шара. Время наступления усталостных разрушений фиксировалось на световом табло, а машина трения автоматически отключалась. В качестве объектов исследований были приняты моторное масло М14В2, которое используется в тепловозах и судовых дизелях, а также масло "Shell Helix Super", кинематическая вязкость которого соответствует маслу М14В2. Кроме того, были использованы медьсодержащая присадка "Валена" [4, 5], а также маслорастворимая оловосодержащая смазочная композиция, основу которой составляет эфир C6, соединение олова и другие компоненты.
Были проведены исследования процессов трения и изнашивания металлических пар применительно к цилиндро-поршневой группе ДВС. Испытания выполняли на восьмипозиционной машине трения с возвратно-поступательным движением сопрягаемых образцов, имеющих цилиндрические поверхности трения [6]. В испытываемых парах образец, имитирующий поршневое кольцо, является неподвижным, а к нему прикладывается нагрузка. Подвижный образец, имитирующий гильзу, имеет большую поверхность трения и совершает возвратно-поступательное движение относительно неподвижного образца со средней скоростью скольжения 0,19 м/с. Различие диаметров колец и гильз обеспечивает контакт кольца с гильзой в середине рабочей поверхности. Каждая рабочая позиция машины оснащена устройством для измерения силы трения.
Перед испытаниями пары трения прирабатывали при нагрузках 2—5 МПа, 7 ч. Испытания проводили в ванночках с испытываемыми маслами при полном погружении рабочих поверхностей в смазочные материалы. После приработки и работы при каждом давлении образцы снимали, промывали в бензине и просушивали. На образцах-кольцах с помощью светового микроскопа измеряли длину и ширину площади контакта, образовавшейся при трении.
Для определения сравнительных триботехнических характеристик масел пары трения испытывали при ступенчато повышаемых давлениях: с 10 до 60 МПа через 5 МПа, а с 60 до 140 МПа через 10 МПа в течение 3,5 час на каждом из них. Предельно допустимые давления для каждого из испытываемых масел определяли по повышению значений коэффициентов трения, повышению износов или по появлению вибраций и скрипов.
Образцы для исследований вырезали из материала реальных деталей. Материал компрессионных колец — сталь 50ХФА с покрытием хромом, материал гильзы цилиндра — чугун СЧ24. В качестве критерия износостойкости принята интенсивность изнашивания I = h/L, где h — величина изношенного слоя за путь трения L. Характеристики микрогеометрии тел качения, работавших в смазочных материалах, оценивали на приборах "Цензор" и "Тейлеронд".
Для выявления и оценки микродефектов, сформировавшихся в зоне трения тел качения в процессе взаимодействия триады трения, а также изучения элементного состава защитных пленок, сформировавшихся на поверхности трения при изнашивании тел качения в моторных маслах, был использован растровый электронный микроскоп "Carl Zeiss Leo-430i" с рентгеноспектральным микроанализатором "Oxford Instruments" с энергодисперсионным детектором.
Результаты исследований. В табл. 1 представлены данные о влиянии смазочных материалов на контактную выносливость тел качения, а также на износостойкость обоих
Триботехнические характеристики
Смазочный материал Контактная выносливость Интенсивность изнашивания Интенсивность изнашивания
тел качения, N ■ 10-3, циклов образцов-колец, I1 ■ 1010 образцов-гильз, I2 ■ 109
Масло моторное М14В2 96 1,1 7,88
Масло М14В2 + 0,1% медьсодержащей присадки "Валена" 102 0,18 1,71
Масло Shell Helix Super 125 - -
Масло М14В2 + 2,5% оловосодержащей 135 0,13 0,5
смазочной композиции
образцов пары "поршневое кольцо—гильза цилиндра". Из исследованных моторных масел наименьшей контактной выносливостью характеризуются тела качения, работавшие в масле М14В2. Введение в масло М14В2 медьсодержащей присадки "Валена" в количестве 0,1% от объема способствует повышению числа циклов нагружения до усталостных разрушений на дорожке качения верхнего шара с 90 ■ 103 до 102 ■ 103 циклов. Эксперименты показали, что масло "Shell Helix Super" способствует увеличению контактной выносливости шаров из стали ШХ 15 по сравнению с моторным маслом М14В2, а число циклов нагружений до усталостных разрушений составило 125 ■ 103 циклов. Из табл. 1 видно, что введение в моторное масло М14В2 2,5% от объема оловосодержащей смазочной композиции обеспечивает повышение контактной выносливости тел качения в 1,4 раза по сравнению с работоспособностью узла трения в базовом моторном масле; в 1,3 раза по сравнению с работой в масле М14В2 с 0,1% "Валена" и в 1,1 раза по сравнению с работой узла в масле "Shell Helix Super".
При экспериментальных исследованиях износостойкости образцов-колец и образцов-гильз в различных моторных маслах выявлено (табл. 1), что в базовом моторном масле M14B2 интенсивность изнашивания образцов-колец составила 1,1 ■ 10-10. Введение в моторное масло М14В2 медьсодержащей присадки "Валена" в количестве 0,1% от объема способствует снижению интенсивности изнашивания образцов-колец в 6 раз. Интенсивность изнашивания образцов-колец в смазочном материале с оловосодержащей смазочной композицией снизилась до 0,13 ■ 10-10, что ниже, чем в базовом масле, а также в масле с медьсодержащей присадкой "Валена". В базовом моторном масле М14В2 интенсивность изнашивания образцов-гильз составляет 7,88 ■ 10-9. Введение в моторное масло М14В2 медьсодержащей присадки "Валена" способствует снижению интенсивности изнашивания образцов-гильз и достигает значения 1,71 ■ 10-9, что в 4 раза ниже, чем в базовом масле. При добавлении в масло М14В2 2,5% оловосодержащей смазочной композиции интенсивность изнашивания образцов-колец снизилась до 0,5 ■ 10-9, что ниже в 16 раз по сравнению с базовым маслом, а также в 4 раза ниже, чем в масле с медьсодержащей присадкой "Валена".
На рисунке представлена зависимость изменения коэффициента трения пары кольцо—гильза от давления. Исследования показали, что при давлении 15 МПа коэффициент трения при работе пары в моторном масле равен 0,097. Введение в моторное масло М14В2 медьсодержащей присадки "Валена" приводит к снижению коэффициента трения при данном давлении до значения 0,055, а наименьшее значение коэффициента трения пары кольцо—гильза, равное 0,045, отмечалось при работе в смазочном материале с оловосодержащей смазочной композицией. Повышение дав
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.