научная статья по теме ВЗАИМОСВЯЗЬ ИЗНОСОСТОЙКОСТИ ТРИБОСОПРЯЖЕНИЙ С МОРФОЛОГИЕЙ ПОВЕРХНОСТЕЙ ТРЕНИЯ И С МАСШТАБНЫМИ УРОВНЯМИ ИЗНАШИВАНИЯ Машиностроение

Текст научной статьи на тему «ВЗАИМОСВЯЗЬ ИЗНОСОСТОЙКОСТИ ТРИБОСОПРЯЖЕНИЙ С МОРФОЛОГИЕЙ ПОВЕРХНОСТЕЙ ТРЕНИЯ И С МАСШТАБНЫМИ УРОВНЯМИ ИЗНАШИВАНИЯ»

ПРОБЛЕМЫ МАШИНОСТРОЕНИЯ И НАДЕЖНОСТИ МАШИН

< 4, 2004

УДК 655.521.5

© 2004 г. Погодаев Л.И., Кузьмин В.Н., Качински Р., Кондрат 3.

ВЗАИМОСВЯЗЬ ИЗНОСОСТОЙКОСТИ ТРИБОСОПРЯЖЕНИЙ С МОРФОЛОГИЕЙ ПОВЕРХНОСТЕЙ ТРЕНИЯ И С МАСШТАБНЫМИ УРОВНЯМИ ИЗНАШИВАНИЯ

Приведены результаты сравнительных испытаний пары трения чугун с гальваническим хромовым покрытием (поршневое кольцо дизеля) - СЧ25 (втулочный серый чугун ДВС) на машине трения ИИ 5018 по схеме ролик - ролик при капельной смазке моторными маслами и смазочными композициями с 14 вариантами различных добавок. Установлены зависимости износа образцов от параметров шероховатости поверхностей трения, площадей под кривыми опорных поверхностей и масштабных уровней нагружения. Результаты испытаний сопоставлены с данными тестов на четырехшариковой машине трения.

Условия испытаний пары трения поршневое кольцо-втулка цилиндра ДВС подробно изложены в [1, 2]. Результаты испытаний пар трения при смазке маслами Shell X100, Shell Herlix Ultra и смазочными композициями (СК) с различными добавками приведены в табл. 1: kCr, кСЧ - относительная износостойкость образцов из серого чугуна с гальваническим хромовым покрытием и без него; Тк, °С - температура на поверхности хромированного образца в конце опыта; f - среднее значение коэффициента трения при ступенчатом изменении контактного давления в пределах от 10 до 50 МПа; ¿Чшмт, da - диаметр лунок износа при тестах на четырехшариковой машине трения и на машине ИИ5018 (по схеме ролик - ролик) соответственно; FCr, ha - площадь пятна износа и глубина лунки на поверхности хромированного образца соответственно; Ул, kV - объемный износ и относительная износостойкость образ-

(,0TH

ца с покрытием соответственно; S0 - относительная площадь под кривой опорной поверхности.

Переходя к анализу влияния СК на износостойкость трибосопряжений по зависимостям площади пятна износа на поверхности хромированного образца FCr от Ra и Rz (рис. 1, а, б), нетрудно [1, 2] убедиться в проявлении масштабных уровней в данной работе, а также в [1, 3], непосредственно при изнашивании. Действительно, степенная аппроксимация опытных данных (рис. 1, а, б) дает

(-n; +n1)

FCr = constl_3Ra (1)

(-п; + 2п{)

= , (2)

где в (1): п = -1,4 (I); щ = 0,35 (I) и щ = 0,5 (III); в (2): п = -1,4 (I); 2щ = 0,71 (II) и 2щ = = 1,0 (III); сош^ _6 - опытные постоянные. Если линии II и III (рис. 1, а, б) продлить вправо _ вверх, то в точках пересечения параметры шероховатости окажутся равны-

и

Таблица 1

Название № СК ka кеч ТК,°С Утр Для ролика (СЧ) ^чшмт (ГОСТ), мм/отн.ед. ^Сг dR, мм , .отп Сг /гл, мм с 2 ¿Q, ММ

СК на рис. Ra, мкм Rz, мкм износ, мм2 [5] мм2 мм3 Ку „отн

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17

ShellX 100 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

Shell Helix 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 0,80 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 2,95 235/0,91

Униплак 7 1,84 1,67 215 0,80 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 1,059 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 0,058 0,17 1,46 0,30/1,2 6,55 1,60 7,02 0,88 0,026 0,088 0,74 226/0,61

Феном 16 0,35 0,93 217 0,083 0,12 1,08 0,33/1,09 9,47 1,85 8,67 0,72 0,034 0,142 0,46 197/0,53

оо Для СК (№ 13) 0,28/0,38 - для СК с добавкой Маппо! в кол-ве 10%/5%; /шн - фактическая длина пятна износа, мм.

Рис. 1. Зависимость площади пятна износа от Яа (а) и ^ (•); взаимосвязь параметра с диаметром пятна

износа (в) + 3% РиМЕТ

износа (е) и с относительной площадью пятна износа на образце с гальв. Сг (г); 2' - СК: масло (2) +

ми Ra = 0,8 мкм и Rz = 3,2 мкм. При параметрах шероховатости, превышающих указанные значения, действие добавок к СК на износостойкость трибосопряжений прекращается. Важно отметить, что наименьший износ соответствует оптимальным значениям шероховатости R°nT = 0,14,...,0,17 мкм (рис. 1, а) и R°nT = 1,2, ..., 1,45 мкм (рис. 1, б). Существование оптимумов на кривых FCr(Ra, Rz) связано с действием конкурирующих механизмов контактного взаимодействия и двойственной (адгезионно-деформационной) природой процессов трения [4].

Установленная достаточно высокая степень корреляции износа хромированного образца с критерием S0 (коэффициент корреляции 0,8 для зависимости S0(dCr) и 0,87

для S0 (FC™)) (рис. 1, в, г соответственно) является одним из наиболее важных результатов настоящего анализа. Оказывается, что чем менее сглажен стохастический пилообразный профиль поверхности чугунного ролика, тем интенсивнее изнашивается хромированный образец. Поэтому при повышенных значениях критерия S0, т.е. при более сглаженном (заполненном) профиле тонкого поверхностного слоя контртела (чугуна), износ высокотвердого гальванического Cr покрытия существенно ниже (линии I, рис. 1, в, г). Миграция точек 2, 4 и 12 с основной зависимости I на более крутую линию II (рис. 1, в, г) видимо связана с повышенной прочностью смазочных пленок: с повышенным модулем сдвига пленки из синтетического масла Shell Herlix Ultra (т. 2) в жестких условиях внешнего нагружения.

Лучшая корреляция S0 с площадью пятна износа FCr, чем с диаметром лунки износа dn связана с тем, что в первом случае учитывается короткая и длинная стороны пятна износа, а во втором только короткая. Это обстоятельство отражается в нелинейности, вытекающей (рис. 1, в, г) в виде соотношения FC™ = const7(dn)1,2.

1,8 dл, мм

0,8 0,6

0,4

0,2 —1

I

п = 0,075

В

э 1 13 Ж

' N 1

II >'4 Б

п = 0,5 ' ®2\

_|_I_I_I_|_

0,01 0,014

0,03 Нл, мм

dчшмI, ММ

6

А

Рис. 2. Сопоставление результатов испытаний СК с добавками на ЧШМТ с диаметром (а) и глубиной (•) лунки износа на хромированных образцах при испытании на машине трения ИИ 5018

0,7 0,5

0,3

0,2 ¿4

п = 0,14 9

2'У^П = 0,83 ±Л_I_1111

6 8

1 п = 0,056

п = 0,33

_1_I_I_1111_I_1111

17 10 6

1

0,6

- п = 0,3316 16а

0,3 0,4

0,8 1,4 2,0 кСг 0,4 0,6 1,0

2 3 кп

Рис. 3. Сопоставление результатов тестирования трибосопряжений на истирание с площадью лунки износа ^сг (а) с относительной износостойкостью хромированного образца (•) и с относительной износостойкостью СЧ (е)

к

14

5

5

2

Зависимости I на рис. 1, в, г соответствуют формуле 50 = сош%/"]'2 = сошЦ/^С™, где сот18 = 1,0; сош19 = 0,66; для линий II постоянные сош!10 = 0,68, сош!п = 0,45.

Ранее выполненные исследования показали, что после 5 ч испытаний износостойкость гальванического Сг покрытия при использовании СК, состоящей из синтетического масла (т. 2) с добавлением 3% реметаллизанта РиМЕТ, увеличивается в 1,5 раза [1]. Такой СК на (рис. 1, в, г) будет соответствовать т. 2'. Полагаем, что добавки (т. 6, 10 и 7; рис. 1, в, г) к маслу (т. 2) также снизят износ Сг в 1,5, ..., 2,0 раза.

Практический интерес представляет сопоставление полученных результатов испытаний СК с ускоренными тестами на других машинах трения - на четырехшарико-вой машине (ЧШМТ) по ГОСТ 9490. Такие сопоставления выполнены на рис. 2 и 3. В соответствии с ГОСТ 9490 испытания СК на ЧШМТ проводятся при нагрузке 200 Н в течение часа. Результаты испытаний оценивают по диаметру пятна износа "ЧШМТ на закаленном шаре диаметром 12,7 мм из стали ШХ15.

Все зависимости "ЧШМТ ("л, йл, ^Сг, кСг), приведенные на рис. 2 и 3, а, б, не являются однозначными. Однако все они указывают на существование взаимосвязи между износами трибосопряжений: ШХ15-ШХ15 и СЧ-Сг гальв. в виде степенных соотношений

. ,п т.п/2 гА8п ,, 0,33«

"ЧШМТ ~ "л ~ "л ~ ^Сг ~ 1/кСг • (3)

Особенностью графиков зависимостей йЧШМТ(йл, ^Сг, кСг) (рис. 2; 3, а, б) в отличие от износных зависимостей, полученных при испытании образцов по схеме ролик -ролик (рис. 1), является инверсия в расположении точек: СК (т. 6, 10 и 7) утратили свое лидирующее положение и при испытании на ЧШМТ заняли (рис. 2, 3, а, б) весьма невыгодное положение на линиях I, соответствующих повышенным износам. В жестких условиях нагружения при точечном контакте смазочные пленки при использовании СК, соответствующих т. 6, 10 и 7, продавливаются, а пластифицирующее действие добавок разупрочняет поверхностный слой закаленных шаров. Это

повышает диаметр пятна износа: для т. 6, 10 и 7 йЧШмт = 0,37 мм, для остальных СК й чшмт = 0,3 мм.

Наименьшие значения й Чшмт были обнаружены при использовании синтетического масла (т. 2) и СК с добавкой СУРМ (т. 4; рис. 2, рис. 3, а, б). Выгодное положение т. 2 и 4 на графиках можно объяснить хорошей смазывающей способностью, износостойкостью и термостойкостью смазочных материалов в жестких условиях внешнего нагружения.

На рис. 2, а, б пунктирными линиями III и IV выделены зоны А, Б и В, в которых при испытаниях на машинах трения можно реализовать условия полужидкостного, граничного и полусухого трения (смазки) соответственно.

Несмотря на то, что параметр определен по кривым опорной поверхности роликов из чугуна с перлитной основой, а при тестах на ЧШМТ используется сталь со структурой мартенсита, была проанализирована зависимость (йЧШМТ). Новое положение опытных точек на графике зависимости (йЧШМТ) кардинально отличается от

их положения на рис. 1, в, г, где построены

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

Пoхожие научные работыпо теме «Машиностроение»