НАЦІОНАЛЬНИЙ АВІАЦІЙНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

Левченко Олександр Вікторович

УДК 621.891

Дослідження СуМІСНОСТІ МОТОРНИХ ОЛИВ З МАТЕРІАЛАМИ ТРИБОСИСТЕМ ДВИГУНІВ ВНУТРІШНЬОГО ЗГОРЯННЯ НА ОСНОВІ ПРИНЦИПІВ ФІЗИЧНОГО МОДЕЛЮВАННЯ

Спеціальність: 05.02.04 - Тертя та зношування в машинах

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Київ - 2001

Дисертація є рукопис.

Робота виконана в Харківському національному автомобільно-дорожньому університеті Міністерства освіти і науки України.

Науковий керівник: доктор технічних наук, доцент, Войтов Віктор Анатолійович, директор науково-дослідного технологічного інституту (Харківський державний технічний університет сільського господарства).

Офіційні опоненти:

доктор технічних наук, член-кор. НАН України, професор Аксьонов Олександр Федотович, радник ректорату, Національний авіаційний університет, м. Київ.

доктор технічних наук, професор Тихонович Вадим Іванович, старший науковий співробітник, Фізико-технологічний інститут металів і сплавів НАН України.

Провідна установа:

Технологічний університет Поділля Міністерства освіти і науки України, м. Хмельницький

Захист відбудеться 20.12.2001 року о 14 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 26.062.04 в Національному авіаційному університеті за адресою: 03058, м. Київ, пр.Космонавта Комарова, 1 (1 учбовий корпус).

З дисертацією можна ознайомитись в бібліотеці Національного авіаційного університету за адресою: 03058, м. Київ, пр.Космонавта Комарова, 1 (8 учбовий корпус).

Автореферат розісланий 19.11.2001 року.

Вчений секретар спеціалізованої

вченої ради, к.т.н., доцент О.Л. Матвєєва

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Вступ. На всіх етапах: проектування, виготовлення та експлуатації двигуна внутрішнього згоряння (ДВЗ) інженери намагаються оптимізувати параметри процесів тертя й зносу, як складового робочого процесу, у залежності від заданих умов. Моторна олива в ДВЗ є його конструктивним елементом, основною властивістю якого є зниження зносу і механічних втрат на тертя. Кожному типу ДВЗ, що характеризується конструктивно-технологічними особливостями, а отже, і трибосистемами (ТС), повинний відповідати свій тип моторної оливи, що володіє своїм ступенем сумісності.

Актуальність роботи. Загальноприйняте, що моторну оливу підбирають до ДВЗ по групі експлуатації, яку встановлюють за результатами випробувань на еталонних двигунах або підбирають його під конкретний двигун за спеціально розробленою методикою, що заснована на раціональному циклі випробувань. Скорочення часу й вартості таких випробувань є актуальною проблемою. Вибір моторної оливи, насамперед, повинний визначатися його сумісністю з матеріалами ТС ДВЗ. Вона визначає зносостійкість, задиростійкість робочих поверхонь і механічні втрати на тертя, а, отже, надійність і довговічність ТС. Моделюванням процесів тертя і зношування в ТС ДВЗ у лабораторних умовах можна оцінити сумісність моторних олив із матеріалами ТС та рекомендувати його для наступного етапу раціонального циклу - експлуатаційних випробувань. У процесі експлуатації ДВЗ моторну оливу періодично необхідно змінювати. Унаслідок цього виникає питання: як поведуться основні ТС ДВЗ при зміні марки і сорту моторної оливи та застосуванні промивної оливи, чи викличе це підвищення або зниження ресурсу двигуна.

Таким чином, розробка методики оцінки сумісності моторних олив із матеріалами ТС ДВЗ та методики моделювання перехідних процесів у ТС ДВЗ при зміні типу моторної оливи в лабораторних умовах є актуальною задачею.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами.

Робота виконувалася відповідно до перспективного плану науково-дослідної роботи Харківського державного автомобільно-дорожнього технічного університету на 1998 - 2003 рік по пріоритетному напрямку, за замовленням АТ “Харківський тракторний завод ім. С.Орджонікідзе”, відповідно до договору про співробітництво між ним і ХДАДТУ та трьома госпдоговорчими роботами на тему “Подбор отечественного моторного масла для эксплуатации на двигателях фирмы DEUTZ”.

Мета і задачі дослідження. Метою роботи є розробка методики фізичного моделювання сумісності моторних олив із ТС ДВЗ і методики перехідних процесів при зміні сорту і марки моторної оливи у ТС двигуна. Відповідно до поставленої мети в роботі вирішувалися наступні основні задачі:

1. Провести аналіз стану питання по застосуванню фізичного моделювання процесів тертя, зношування при граничному мащенні та нестаціонарних режимах у трибосистемах.

2. Провести аналіз факторів і критеріїв, що визначають сумісність матеріалів ТС при граничному мащенні і перехідних процесах тертя.

3. Розробити методику оцінки сумісності моторних олив з матеріалами ТС ДВЗ і методику фізичного моделювання перехідних процесів тертя при зміні сорту і марки моторної оливи.

4. Вивчити перехідні процеси тертя в ТС ДВЗ при зміні моторної оливи з застосуванням і без застосування промивної оливи.

5. Вивчити закономірності утворення й зношування вторинних структур на поверхнях ТС у процесі зміни моторних олив.

6. На підставі отриманих результатів розробити практичні рекомендації з вибору моторної оливи до ТС ДВЗ з обґрунтуванням особливостей застосування промивної оливи.

Об'єкт дослідження - процеси сумісності моторних олив із матеріалами ТС ДВЗ.

Предмет дослідження - трибосистеми ДВЗ, що визначають його ресурс і надійність.

Методи дослідження - фізичне моделювання сумісності моторної оливи з матеріалами ТС ДВЗ, експериментальне дослідження перехідних процесів тертя і зношування з використанням методу акустичної емісії (АЕ), Оже-спектроскопія поверхонь тертя і методи математичної статистики.

Наукова новизна отриманих результатів:

·

· на основі теорії подоби і моделювання з урахуванням критерію оцінки трибологічних властивостей розроблено метод оцінки сумісності моторних олив із матеріалами трибосистем. Дана методика дозволила вивчити перехідні процеси в трибосистемах при зміні сорту і марки моторної оливи. Встановлено, що зміна сорту й марки моторної оливи (зміна службових властивостей) приводить до змін складу вторинних структур на поверхнях тертя, що викликає вторинне приробляння трибосистем.

Практична значимість отриманих результатів. Розроблені фізичні моделі сумісності моторних олив із матеріалами ТС ДВЗ і перехідних процесів при зміні сорту і марки моторної оливи дозволять підібрати моторні оливи до ТС ДВЗ, спрогнозувати ресурс ДВЗ і рекомендувати їх для наступного етапу експлуатаційних випробувань зі значною економією матеріальних ресурсів і витрат часу.

Особистий внесок здобувача. Дисертація містить лише ті наукові результати, що були здобуті особисто дисертантом. Постановка задач і обговорення результатів дослідження виконані разом з науковим керівником.

Апробація результатів дисертації. Основні положення роботи та основні результати доповідалися на VI міжнародній науково-технічній конференції “Информативные технологии: наука, техника, технология, образование, здоровье” (Харків, 1998 р.), науково-технічній конференції “Напрямки розвитку тракторобудування в Україні на 1999 - 2000 р.” (Харків, 1998 р.), міжнародній науково-технічній конференції “Наука и техника” (Харків, 1999 р.), міжнародній науково-технічній конференції “Зносостійкість і надійність тертя машин (ЗНМ-2000)” (Хмельницький, 2000 р.).

Публікації. Основні результати дисертаційної роботи викладені в 4-х статтях фахових видань.

Структура й обсяг дисертації. Дисертація складається з введення, п'яти розділів, висновків, списку використаних джерел і додатка. Робота виконана на 125 сторінках машинописного тексту, вміщає 28 рисунків, 15 таблиць, список використаних джерел зі 175 найменувань, 1 додатка. Загальний обсяг дисертації - 186 сторінок.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

Вступ містить обґрунтування актуальності теми, мету і завдання дослідження, відображає наукову новизну і практичну цінність отриманих результатів, містить відомості про структуру роботи.

У першому розділі розглядаються особливості застосування фізичного моделювання і теорії подоби при рішенні триботехнічних задач, приведений аналіз методик фізичного моделювання процесів зношування ТС при граничному мащенні і перехідних режимах. Огляд літературних джерел, присвячених принципам сумісності матеріалів у ТС, показав, що для досягнення оптимальних триботехнічних параметрів ТС необхідно: розробити фізичну модель процесу на основі теорії системного аналізу, дослідити трибохімічні явища на поверхнях тертя, реологічні властивості матеріалів. Показано, що фізична модель, яка розроблюється, повинна ґрунтуватися на положеннях структурно-енергетичної теорії тертя і зношування Б.І. Костецького.

Були визначені фактори, що обумовлюють протікання процесів у трибологічному контакті: вантажно-швидкісний фактор, масштабний фактор спряження, фізико-механічні властивості матеріалів, мастильні властивості середовища, витрата мастильного середовища. Пророблено аналіз основних напрямків, що базуються на різних теоріях і положеннях, на вибір критеріїв сумісності. Як критерії сумісності були обрані: швидкість зношування, сила тертя, температура, склад і структура вторинних структур.

Вивченню основних положень і окремих аспектів сумісності тертьових пар присвячені роботи Б.І. Костецького, Д.Н. Гаркунова, М.О. Буше, Л.І. Бершадського, Р.М. Матвєєвського, В.В. Шевелі, І.І. Карасика та ін. Питання мастильної здатності, вивчення трибологічних властивостей мастильних матеріалів і трибохімічних реакцій викладені в роботах О.Ф. Аксьонова, І.О. Буяновського, Л.С. Рапопорта, Г.І.Фукса, Л.І. Куксьонової, Л.М. Рибакової, Р.Г. Мнацаканова, Г. Хайніке, Ю.С.Заславського, О.Б. Виппера, В.Л. Лахши, С.В. Венцеля та ін. Великий внесок у створення і розвиток методології фізичного моделювання трибологічних процесів внесли В.А. Веніков, А.В. Чічінадзе, Е.Д. Браун, Ю.А. Євдокімов, Д.Я. Стадніков, С.М. Захаров.

Висока сумісність і пристосовуваність матеріалів ТС ДВЗ, що спостерігається на практиці, здобувається ними в процесі тертя або при припрацюванні, залежить від мастильної здатності моторної оливи. Проведений аналіз робіт з дослідження впливу присадок у мастильному матеріалі на трибологічні процеси показав, що для оцінки сумісності моторної оливи з матеріалами ТС ДВЗ необов'язково знати хімічну формулу комплексних з'єднань, які до нього входять, а необхідно вивчити динаміку утворення і зношування вторинних структур (ВС), що утворилися на цих з'єднаннях у процесі тертя, їхній склад, властивості і структуру.

В другому розділі дисертації описуються об'єкт дослідження, установка, методика проведення експериментів і порядок обробки їхніх результатів. Розглядається методичний підхід (рис.1), заснований на теорії системного аналізу, що застосовувався при розробці методики оцінки сумісності моторної оливи до ТС ДВЗ і методики дослідження вторинного припрацювання ТС ДВЗ, дослідженні трибохімічних реакцій, що визначають перехідні процеси тертя в його ТС при зміні моторної оливи різної якості. Підхід містить у собі: вхідний параметр - тип моторної оливи; попередню оцінку трибологічних властивостей моторних олив на чотирьохкульковій машині; лабораторні випробування на малогабаритних зразках трибоспряжень, що моделюють основні ТС ДВЗ; вивід критеріїв подоби; прогнозування ресурсу ТС ДВЗ при підборі і зміні мастильного середовища. Трибологічні дослідження проводилися на серійній та удосконаленій машинах тертя 2070 СМТ-1, що реалізує в ході дослідження схеми випробувань: “кільце - кільце”, “диск - площина”, “площина - куля”, чотирьохкулькова схема. У процесі експерименту, відповідно до вимог ГОСТ 30480-97 до контрольованих параметрів при моделюванні на малогабаритних зразках, у часі реєстрували: момент тертя, який перераховували в силу тертя, за величиною якої судили про механічні втрати в трибовузлах, температуру зразків у безпосередній близькості від зони тертя і швидкість зношування за сигналами акустичної емісії (АЕ) при перехідних режимах тертя.

Методика визначення трибологічних параметрів моторних олив проводилася згідно методики ГОСТ 9490-75. Вимір моменту тертя для оцінки антифрикційних властивостей моторних олив на чотирьохкульковій схемі випробувань показав, що для даної схеми серійна машина 2070 СМТ -1 обладнана недостатньо чуттєвими датчиками, - момент тертя виміряється безконтактним індукційним моментомером. У серійної чотирьохкулькової машині тертя (ЧКМ) вимір моменту тертя не передбачено. Тому коефіцієнт тертя для чотирьохкулькової схеми визначали на парі “диск-кулька”, дотримуючи при цьому однакові матеріали тертьових зразків і умови навантаження: відносну швидкість переміщення і питоме навантаження за Герцем.

Виходячи з аналізу літературних джерел, найбільш прийнятним методом визначення зносу для стаціонарних режимів є метод штучних баз, що дозволяє визначати лінійну інтенсивність зношування кожного зі зразків пари тертя. По величині швидкості зношування оцінювали ресурс вузла ковзання. Лунки наносилися на твердомірі алмазним конусом. Вимір відбитків конуса проводилися на мікроскопі МЕТАМ Р-1. Оже-спектральні дослідження поводилися на оже-спектрометрі ДЖАМП-10S (Jamp-10S). Вимір температури в зоні тертя здійснювалося за допомогою хромель-копелевої термопари ХК-7.

При дослідженні швидкоплинних перехідних процесів, що зв'язані зі зміною сорту мастильного середовища у працюючій трибосистемі, застосовувався метод акустичної емісії. Обґрунтування джерел акустичної емісії і вибір інформативних параметрів акустичної емісії для діагностування перехідних процесів у трибосистемах машин здійснювався на підставі робіт В.В. Запорожця, О.В. Холоділова, О.І.Свірідьонка, М.К. Мишкіна, І.Г.Носовського, М.Г. Стадніченко, В.М. Щавеліна, Л.І. Бершадського та ін. Джерелом АЕ сигналів варто вважати процес руйнування і відновлення вторинних структур при терті, що відбувається періодично. Частотний спектр механічних ударів не перевищує 200 кГц, а спектр акустичних сигналів, що виникають при нормальному режимі тертя, досягає 2 МГц. Велика кількість проведених експериментів припрацювання трибосистем, зазначених у літературних джерелах, показали, що при оцінці інтенсивності або швидкості зношування найкраще використовувати спектральну потужність - WA, m2/c, АЕ випромінювання, що визначалася по формулі:

, (1)

де - сумарне значення квадрата амплітуд за час реєстрації tp.

Блок-схема експериментального устаткування для реєстрації й обробки сигналів АЕ представлена на рис.2. Сигнал АЕ випромінювання, що виникає від нерухомого елемента трибосистеми через хвилевід приймався за допомогою п'єзоелектричного перетворювача ЦТС-19, що має постійну чутливість у смузі від 0,2 до 2МГц. Після п'єзоелемента сигнал АЕ підсилювався попереднім підсилювачем і передавався на основний підсилювач, акустико-емісійний прилад АФ-15 і осцилограф ОСЦ С4-8. При цьому вихідними параметрами АФ-15 були - вимір амплітуди сигналів у часі, зміна квадрата сумарної амплітуди. Дані параметри сигналів АЭ у виді амплітуди, що змінюється в часі, подавався на самопис ЛКСН-338 і на графобудівник КСП-4, на якому будувалася залежність . Маючи графічну залежність, по формулі (1) визначали WA. Час реєстрації tp визначався експериментально й оцінювався по відтворюваності результатів при рівнозначних повторах.

Шляхом експериментальних досліджень був визначений функціональний взаємозв'язок між швидкістю зносу і спектральною потужністю сигналу АЕ для пар тертя “кільце-кільце” при зміні навантаження у вузлі від 300 Н до 1500 Н. За допомогою функціональної залежності показано, що за величиною спектральної потужності сигналу можна визначити величину швидкості зношування. Результати досліджень представлені у виді тарувальних графіків. Коефіцієнт кореляції між величиною зношування і спектральною потужністю АЕ склав 0,82. Чисельне значення максимальної швидкості зношування Ivmax (у вищій крапці перехідного процесу) визначають за формулою, отриманої завдяки лінійному характеру залежності швидкості зносу від WA :

. (2)

Величина швидкості зношування Ivуст визначається з експерименту для кожної випробуваної пари тертя і для кожного зразка моторної оливи.

У третьому розділі розроблена й обґрунтована методика оцінки сумісності моторних олив з матеріалами трибосистем ДВЗ, що включає в себе попередню оцінку трибологічних властивостей олив на чотирьохкулькової машині за допомогою інтегрального критерію. Викладено результати експериментальних досліджень, проведених за допомогою цієї методики. Методика (рис.3) враховує конструкційно-технологічні особливості ДВЗ, - матеріали і геометричні параметри його трибосистем, умови їхньої експлуатації. Суть методики складається в розробці раціонального циклу випробувань (ГОСТ 30480-97, DIN 50 322), при якому ієрархічно побудовані відбіркові етапи випробувань передбачають використання кращих результатів на попередньому етапі при проведенні випробувань на наступних етапах. Перший етап - лабораторні випробування зразків олив на визначення трибологічних властивостей за ГОСТ 9490-75. Ціль випробувань - проранжирувати випробувальний ряд олив за показниками трибологічних властивостей. Другий етап - лабораторні випробування моторних олив на малогабаритних зразках, які виготовлені з матеріалів реального вузла тертя ДВЗ із дотриманням відповідних вимог. Ціль випробувань - за допомогою методики фізичного моделювання процесів тертя і зношування при граничному мащенні виявити ті зразки моторної оливи, що показали найкращу сумісність з матеріалами зразків основних трибосистем ДВЗ і спрогнозувати їхній ресурс на цих оливах в експлуатації. Це дозволить знизити вартість і час експлуатаційних випробувань.

На першій стадії раціонального циклу випробувань мастильного матеріалу в лабораторних умовах перевагу варто віддати чотирьохкульковій машині тертя через простоту і високу відтворюваність експерименту, що зв'язано з винятково низьким розкидом по розмірах зразків, їхньої твердості і хімічному складу. В усьому світі ця методика стандартизована і має широке застосування (ГОСТ 9490-75, ASTM D 2783, DIN 51350).

Згідно ГОСТ 9490-75, трибологічні властивості моторних олив оцінюються чотирма показниками: показником зносу - DИ, критичним навантаженням - РК, навантаженням зварювання - РЗ, індексом задиру - ИЗ. Кількість показників якості моторних олив, передбачених ГОСТ 9490-75, подає повну інформацію матеріалу, однак утрудняє вибір пріоритету. Згідно ГОСТ 9490-75 в акредитованій лабораторії були випробувані 18 моторних олив та 2 трансмісійних оливи вітчизняного та закордонного виробництва. Отримані результати дозволили зробити наступний висновок: ГОСТ 9490-75 не дозволяє однозначно визначити трибологічні характеристики мастильного матеріалу, на передбачена оцінка їх антифрикційних властивостей. Крім цього, спільне використання цих показників у математичних і фізичних моделях при модельних випробуваннях бачиться дуже скрутним. Виходячи з цього, необхідним з'явилася розробка інтегрального критерію оцінки трибологічних характеристик мастильних матеріалів, який повинний відповідати 3-м обов'язковим умовам: 1)Враховувати чотири характеристики мастильної здатності моторної оливи: РК, РЗ, DИ і коефіцієнт тертя - m. 2)Мати чіткий фізичний зміст. 3)Мати здатність подальшого його використання для оцінки ефективності роботи протизносних і протизадирних присадок у мастильному матеріалі при випробуваннях на модельних зразках. Як критерій роботи присадок у моторній оливі може виступити енергетичний критерій, - щільність енергії тертя.

За своєю фізичною суттю, ГОСТ 9490-75 являє собою встановлення залежності діаметра плями зносу еталонних зразків - кульок (сталь ШХ15) від навантаження. У результаті проведених досліджень було встановлено, що характер зміни цієї залежності, з незначним наближенням у межах погрішності випробувань, однаковий для всіх моторних олив, рис.4. З графіка D=f(P) (рис.4) стає видно, що його перша частина до крапки РК має лінійний характер, і визначає несучу здатність протизносних присадок при малих навантаженнях. Друга частина графіка визначає характер опірності з'єднань, що утворилися на поверхні під дією протизадирних присадок. Стрибок між прямими порозумівається тим, що при навантаженні, яке слідкує після критичного, протизносні присадки утрачають свою працездатність, і адсорбована плівка змащення під дією температури руйнується. У роботу вступають протизадирні присадки, які до цього не брали участь у процесі тертя через недостатні для вступу в реакцію з поверхнею тертя значень температури в системі. Протизадирні присадки запобігають задиру матеріалів, але при цьому збільшують показник зносу. Дана схема дії мастильного матеріалу носить умовний характер, вона цілком прийнятна для пояснення фізичної сутності роботи мастильного матеріалу у вузлах тертя механізмів і машин. Трибологічна характеристика мастильного матеріалу є його індивідуальна якість, що визначає мастильну здатність. Чим менший кут нахилу прямих і більше крайні значення прямих по осі абсцис (навантаження), тим краще змащувальна здатність мастильного матеріалу і тім вище його службові властивості.

У якості енергетичного інтегрального критерію оцінки трибологічної характеристики мастильного матеріалу в трибосистемі у роботі пропонується величина щільності енергії, витраченої на розрив адгезійних містків і видалення одиничного об’єму матеріалу в процесі зношування. Даний критерій математично можна виразити у виді:

, (3)

де L1 - шлях тертя при визначенні значення DИ, постійна величина, яка дорівнює 1,748 Ч103 м; P1 - діюче навантаження при визначенні значення DИ, згідно до ГОСТ 9490-75 Рi дорівнює 196 Н; m1 - коефіцієнт тертя при визначенні показника зносу; Pi - i-те навантаження, його значення беруться по першому навантажувальному ряду (ГОСТ 9490-75) від 196 Н до значення, що відповідає критичному навантаженню PК; Di - середній діаметр плями зносу нижніх кульок при Pi, м; mi - коефіцієнт тертя у вузлі тертя при дії Pi; L2 - шлях тертя при визначенні індексу задиру, постійна величина, яка дорівнює 4,854 м; a і b - кути нахилу прямих, рис.4, що характеризують швидкість падіння протизносних (ліва частина графіка) і протизадирних властивостей (права частина графіка) мастильного матеріалу, визначаються геометрично за графіком трибологічної характеристики, тангенси цих кутів у рівнянні є ваговими коефіцієнтами; Pj - j-те навантаження, його значення так само беруться по першому навантажувальному ряду від величини навантаження, яке є наступним після критичного PK+1, до значення навантаження РЗ-1, що передує навантаженню зварювання; Dj -середній діаметр плями зносу нижніх кульок при Pj, м; mj - коефіцієнт тертя у вузлі тертя при дії Pj.

Величина щільності енергії є інтегральною величиною і складається з трьох складових: 1)Питома робота зношування, величина якої характеризує собою протизносні властивості мастильного середовища, тобто наявність протизносних присадок у мастильному матеріалі. 2)Питома робота зношування, величина якої характеризує межу несучої здатності протизносних присадок у виді ПАРів у мастильному середовищі і швидкість падіння протизносних властивостей. 3)Питома робота, величина якої характеризує наявність у мастильному середовищі протизадирних присадок у виді ХАРів, межа їх працездатності та мастильного матеріалу цілком, швидкість падіння протизадирних властивостей. У ДВЗ, протизадирні властивості моторної оливи, в основному необхідні для циліндро-поршневої групи. Задири поверхонь цих деталей (катастрофічні види зношування), що виникають унаслідок тяжких умов роботи, повинні бути виключені. При дії протизадирних присадок задир поверхонь запобігається, але при цьому величина зносу деталей вище, ніж при взаємодії протизносних присадок. Тому найбільш значимою складовою енергетичного інтегрального критерію Еу для моторної оливи варто вважати питому роботу зношування, величина якої характеризує собою протизносні властивості мастильного середовища. Чим вище значення суми перерахованих складових, тим краще трибологічна характеристика мастильного матеріалу.

Згідно запропонованого критерію можна провести ранжирування олив по трибологічним властивостям і використовувати цей критерій у фізичному моделюванні при прогнозуванні ресурсу трибосистем двигуна. Проведений етап відбіркових випробувань моторних олив, запропонованих до експлуатації у двигунах DEUTZ, на ЧКМ показав, що усі вітчизняні тестуємі оливи: “Маст-Экстра”, “Азмол Турбо 1”, “Леол-Премиум” перевищують за своїми трибологічними характеристиками і величині щільності енергії моторну оливу DEUTZ і можуть бути рекомендовані до наступного етапу модельних випробувань.

При рішенні задачі по розробці методики оцінки сумісності в якості ТС були обрані три трибосистеми дизельного двигуна фірми DEUTZ (Німеччина) моделі - BF6M1013E, який встановлюється на тракторах виробництва АТ “ХТЗ”: ХТЗ-17021 і ХТЗ-16131: верхнє компресійне поршневе кільце - гільза циліндра; шатунна шийка колінчастого валу - вкладиш; кулачок приводного валу форсунки - штовхальник. Об'єктом дослідження є процеси сумісності моторних олив з матеріалами цих ТС. Під сумісністю мастильного середовища з матеріалами вузла тертя розуміють сполучення перерахованих вище матеріалів, при яких забезпечується мінімальний знос, задиростійкість і механічні втрати. При цьому не повинно спостерігатися процесів корозії на матеріалах вузлів тертя.

Для проведення модельних випробувань були виготовлені модельні ТС, обов'язковою умовою для яких з'явилася відповідність матеріалів ТС, кінематичної схеми і виду зношування. Другий етап випробувань носить порівняльний характер. Остаточними і самими об'єктивними показниками є результати експлуатаційних випробувань, але, використовуючи структуру запропонованої методики, можна оцінити ресурс ТС ДВЗ зі значною економією матеріальних втрат і витрат часу.

При розробці фізичної моделі роботи основних вузлів тертя ДВЗ у режимі граничного мащення використовувався критеріальний підхід, заснований на теорії розмірностей. Визначальними параметрами моделі з'явилися: відношення потужності, яка підводиться до вузла тертя, до масштабного фактора; коефіцієнт загасання ультразвукових хвиль (внутрішнього тертя) у матеріалах трибоспряження, що враховує структуру матеріалів; величина щільності енергії, витраченої на розрив адгезійних містків і видалення одиничного об’єму матеріалу в процесі зношування, витрата моторної оливи в трибосистемі, які характеризують здатність оливи виявляти свої трибологічні властивості за одиницю часу.

В основу моделі лягли критерії подоби (на їх підставі отримані масштабні рівняння) виведені В.А. Войтовим, Д.І. Ісаковим для визначення швидкості зношування, сили тертя реальних вузлів тертя машин у режимі граничного мащення. Для розрахунку швидкості зношування:

, (4)

де індекси “н” і “м” визначають параметри натури і моделі відповідно; Iv - швидкість об'ємного зношування матеріалів трибоспряження, м3/с; N - навантаження в трибоспряженні, Н; v - швидкість ковзання, м/с; КФ - коефіцієнт форми трибоспряження, 1/м; aВТ - параметр, що враховує релаксаційні властивості структури сполучених матеріалів, тобто сумісність, дБ/м; Q - витрата моторної оливи повз трибоспряження, кг/с.

Для сили тертя:

. (5)

Результати випробувань моторних олив на модельних зразках і перерахування за допомогою розробленої фізичної моделі на реальні трибосистеми двигуна ДОЙТЦ представлені в табл.1 і 2. Визначення передбачуваного ресурсу двигуна BF6M1013E на різних марках моторної оливи вироблялося за допомогою величини гранично-припустимого зносу в ЦПГ.

Табл. 1

Значення триботехнічних параметрів для модельних пар тертя

при випробуваннях на різних марках моторної оливи

Моделююча пара тертя Триботехнічні параметри Марка оливи

Маст-Экстра Леол-Премиум Азмол Турбо 1 Олива DEUTZ

Гільза - поршневе кільце Швидкість зношування, IvМ, 10-14, м3/с 1,030 1,111 1,172 1,317

Сила тертя, FМ, Н 167 170 172 191

Колінчастий вал - вкладиш Швидкість зношування, IvМ, 10-13, м3/с 1,481 1,597 1,747 2,039

Сила тертя, FМ, Н 105 108 123 142

Кулачок - штовхач Швидкість зношування, IvМ, 10-14, м3/с 2,172 2,173 2,174 2,175

Сила тертя, FМ, Н 101 96 90 87

Табл. 2

Значення швидкості зношування та сили тертя у реальних вузлах тертя

двигуна BF6M1013E для різних марок моторної оливи

Пара тертя Триботехнічний параметр Марка оливи

Маст-Экстра Леол-Премиум Азмол Турбо 1 Олива DEUTZ

Гільза - поршневе кільце Швидкість зношування, IvН, 10-14, м3/с 4,488 4,839 5,105 5,734

Сила тертя, FН, Н 304 310 314 348

Колінчастий вал - вкладиш Швидкість зношування, IvН, 10-13, м3/с 3,395 3,662 4,006 4,675

Сила тертя, FН, Н 1388 1427 1625 1876

Кулачок - штовхач Швидкість зношування, IvН, 10-14, м3/с 3,692 3,694 3,696 3,698

Сила тертя, FН, Н 131 125 117 113

Порівняльний аналіз передбачуваних ресурсів, отриманих на різних марках моторної оливи (за базу бралося значення менше значення моторесурса на оливі DEUTZ) представлений у дисертації. Відповідно до результатів фізичного моделювання найбільший ресурс (на 28 % більше) двигуну BF6M1013E забезпечить вітчизняна моторна олива “Маст-Экстра”.

У четвертому розділі розроблена методика фізичного моделювання перехідних процесів у трибосистемах двигуна при зміні сорту і марки моторної оливи і застосуванні промивної оливи. Критерієм нестаціонарних процесів тертя і зношування може стати інтенсивність трибохімічних реакцій на поверхнях тертя деталей двигуна.

Для дослідження перехідних процесів у ДВЗ було обрано два його основних вузла тертя: гільза - поршневе кільце і колінчастий вал - вкладиш. Навантаження, швидкість і витрата мастильного матеріалу на модельних зразках вибиралися з умови забезпечення режиму граничного мащення, сталого режиму зношування і припрацювання на різних оливах. Швидкість, навантаження, а так само витрата моторної оливи в реальних вузлах тертя ДВЗ є змінними величинами. Для лабораторних досліджень узяті їхні критичні величини, при яких забезпечуються найбільш жорсткі режими роботи пар тертя ДВЗ. Тому варто очікувати, що в реальному двигуні режим припрацювання основних вузлів тертя носить стохастичний характер і більш розтягнутий у часі експлуатації.

У ході досліджень наявність перехідних процесів у ТС при зміні типу оливи без зупинки ТС встановлювалася одночасно за триботехнічними параметрами (моментом тертя і температурою) та сигналам акустичної емісії (блок-схема апаратури представлена на рис.2), що дозволяє реєструвати швидкість зношування при перехідних процесах тертя на модельних зразках у лабораторних умовах. У результаті отримані криві швидкості зношування зразків для пар тертя “гільза-кільце” і “вал-підшипник” при зміні сорту і марки моторної оливи і застосуванні промивної оливи, відображені на рис.5 і рис.6 на прикладі пари “вал-підшипник”. Характер зміни кривих при зміні сортів (марок) моторних олив піддається однієї закономірності. Після стабілізації параметрів тертя і виходу трибосистеми на сталий режим зношування, відразу після зміни оливи, спочатку відбувається зношування “старих” вторинних структур, що утворилися на попередній моторній оливі, а потім, організація “нових” структур, у результаті взаємодії інших присадок, що знаходяться в новій оливі, з поверхнею тертя. Даний нестаціонарний процес вторинного припрацювання, що характеризується часом зношування вторинних структур і величиною швидкості зношування, обумовлений конкуруючими здібностями присадок, тобто їх трибохімічною активністю.

Аналіз представленої інформації дозволяє зробити висновок, що зміна типу моторної оливи, яка має інші службові властивості, чим у попередньої, викликає вторинне припрацювання трибосистеми. Площа під кривою (рис.5) характеризує знос за припрацювання. При цьому знос за припрацювання більше там, де відбувається перехід з оливи високої групи експлуатації на низьку, а також з мінерального на синтетичне. Крім цього, був досліджений вплив промивної оливи при зміні типу олив (рис.6). Результати досліджень показали, що промивна олива скорочує час перехідного процесу, а отже вторинної обкатки, при цьому збільшується швидкість зношування зразків при перехідному процесі.

У п'ятому розділі приведені результати Оже-спектральних досліджень поверхонь тертя на мікроаналізаторі JAMP-10S, що дозволяють судити про наявність перехідних процесів, що супроводжуються зміною складу і структури вторинних структур.

Для кожного зразка поверхні тертя робили: а) електронно-растрові мікроскопічні дослідження, фотографування найбільш характерної ділянки; б) реєстрацію повного Оже-спектру вихідної поверхні на обраній характерній ділянці, визначення її елементного складу і розрахунок концентрацій елементів; в) реєстрацію профілю розподілу виявлених елементів у поверхневих шарах зразка; г) реєстрацію повного Оже-спектру після остаточного розпилення поверхні іонами Аr+ визначення елементного складу обновленої в результаті розпилення поверхні і розрахунок концентрацій елементів.

Аналіз Оже-спектрів і мікрофотографій поверхонь тертя дозволяють зробити наступні висновки. Поверхневі шари зразків бронзи видозмінені на глибину більш 1-1,5 мкм: збіднені "рідним" компонентом сплаву Pb і збагачені елементами мастильного середовища Zn, Ca, О, S, Р, С, N, а також елементом контртілу Fe, тобто матеріалом зразка сталі, що моделює роботу колінчастого валу. Даний факт говорить про наявність на поверхні тертя ВС, різного складу і структури, судячи з фотографій і спектрів розподілу хімічних елементів по глибині поверхневого шару. Кожній оливі відповідає своя ВС, що підтверджує раніше висунуте припущення про зміну (утворення і зношування) ВС при зміні типу мастильного середовища в працюючій ТС.

На поверхні тертя зразка, що відробив на промивній оливі сформована досить об'ємна (порядку 1 мкм по товщині) плівка оксидів і сульфідів кальцію. Плівки, що утворилися на МП-8 мають “пухкий”, нетвердий характер. Зростання концентрації елементів заліза (Fe) на границі розділу з поверхнею БрС30 свідчить про первісне мікросхватування (мікрозадир) поверхонь бронзового і сталевого зразків модельної ТС, що підтверджує встановлений у четвертому розділі факт різкого підвищення швидкості зношування при використанні промивної оливі.

ВИСНОВКИ

1. Проведений аналіз стану питання по застосуванню фізичного моделювання сумісності показав, що розроблювальна фізична модель повинна ґрунтуватися на положеннях структурно-енергетичної теорії тертя, сінергетики, системного аналізу. У результаті аналізу факторів і критеріїв, що визначають сумісність матеріалів ТС при граничному змащенні і перехідних процесах тертя, визначені наступні фактори: вантажно-швидкістний параметр, масштабний фактор ТС, матеріали ТС, трибологічні властивості мастильного середовища; критерії: швидкість зношування, сила тертя, температура, склад і структура вторинних структур.

2. Запропоновано нову трибологічну характеристику мастильних матеріалів - величину щільності енергії, що відслідковує зміну як протизносних, так і протизадирних властивостей олив, швидкість погіршення цих властивостей і діапазони працездатності протизносних і протизадирних присадок; чисельне значення характеристики оцінюється по отриманому рівнянню. Даний критерій має фізичний сенс і має здатність подальшого його використання при фізичному моделюванні як критерій оцінки трибологічної активності протизносних і протизадирних присадок у моторній оливі.

3. Розроблена методика оцінки сумісності моторної оливи з матеріалами ТС ДВЗ, що враховує конструктивно-технологічні особливості ТС двигуна та умови їхньої експлуатації, дозволяє оцінити швидкість зношування і механічні втрати в трибосистемах ДВЗ. Запропонована методика й отримані з її допомогою результати модельних випробувань дозволили рекомендувати моторні оливи для експлуатаційних випробувань зі значним скороченням часу у 10...12 разів і матеріальних витрат приблизно у 20 разів та спрогнозувати ресурси двигуна BF6M1013E, виробництва фірми DEUTZ.

4. На основі теорії подоби і моделювання з урахуванням критерію оцінки трибологічних властивостей розроблена методика фізичного моделювання перехідних процесів при зміні сорту і марки моторної оливи в трибосистемах ДВЗ. Встановлено, що зміна моторної оливи з мінеральної на синтетичну, і навпаки, різних груп експлуатації, викликає в ТС ДВЗ вторинне припрацювання. Установлено, що застосування промивної оливи в ТС, скорочує час припрацювання, але підвищує швидкість зношування.

5. Результати Оже-спектроскопії поверхонь тертя зразків доводять наявність перехідних процесів у ТС при зміні типу моторної оливи, що підтверджується зміною складу вторинних структур. При використанні промивної оливи, були виявлені сліди мікросхватування зразків, що моделюють пару “вал - вкладиш”, що підтверджує факт наявності великої концентрації атомів заліза в складі ВС, що утворилися на промивній оливі. Це доводить раніше висунуту гіпотезу про швидке зношування ТС під час змащування промивному оливою.

6. Проведені випробування на ЧКМ моторних олив, пропонованих до експлуатації в двигунах DEUTZ, показали, що усі вітчизняні тестуємі оливи: “Маст-Экстра”, “Азмол Турбо 1”, “Леол-Премиум” перевищують за своїми трибологічними характеристиками і величині щільності енергії моторну оливу за специфікацією фірми DEUTZ. Результати тесту на сумісність показали, що найбільший ресурс двигуну BF6M1013E, виробництва фірми DEUTZ, відповідно до розрахунків за допомогою фізичного моделювання, забезпечить олива “Маст-Экстра” (+28%), потім “Леол-Премиум” (+19%), і потім “Азмол-Турбо 1” (+12%). Отже, усі перераховані вітчизняні марки можуть бути рекомендовані до експлуатаційних випробувань. Допускається застосування у двигуні моторних олив різних груп експлуатації і різної базової основи (мінеральне, синтетичне), тому що знос за припрацювання ТС знизить їхній ресурс на 1...2%. При зміні марки і сорту моторної оливи доцільно використовувати промивну оливу. Однак, при експлуатації ДВЗ на тому самому типі моторної оливи, застосування промивної оливи викликає підвищений знос ТС двигуна, унаслідок їхнього вторинного припрацювання. Ефективність застосування промивної оливи досягається при збільшенні термінів зміни моторної оливи.

СПИСОК ОБУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1.Войтов В.А., Левченко А.В. Алгоритм подбора моторного масла к двигателям внутреннего сгорания. - Вестник ХГАДТУ, 1998, № 7, с.27 - 30.

2. Войтов В.А., Левченко А.В., Мурашко А.А. Выбор информативных параметров акустической эмиссии для диагностирования переходных процессов в трибосистемах машин. - Вестник ХГАДТУ, 1998, № 8, с. 93 - 95.

3. Войтов В.А., Левченко А.В. Особенности методики подбора моторного масла к двигателям внутреннего сгорания. Структура и обоснование методики. - Проблемы трибологии, 2000, № 2, с. 154 - 157.

4. Войтов В.А., Левченко А.В. Исследование процессов трения и изнашивания в узлах трения ДВС при смене сорта и марки моторного масла. - Вестник ХГАДТУ, 2000, № 12 - 13, с. 72 - 74.

АНОТАЦІЇ

Левченко О.В. Дослідження сумісності моторних олив з матеріалами трибосистем двигунів внутрішнього згоряння на основі принципів фізичного моделювання. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеню кандидата технічних наук за спеціальністю 05.02.04 - Тертя та зношування в машинах. Національний авіаційний університет, Київ, 2001 р.

Розроблено методику оцінки сумісності моторних олив з матеріалами трибосистем ДВЗ, яка включає до себе попередню оцінку трибологічних властивостей олив на чотирьохкульковій машині за допомогою інтегрального критерію, та фізичне моделювання на модельних зразках.

Запропоновано нову трибологічну характеристику мастильних матеріалів - величину щільності енергії. Даний інтегральний критерій відслідковує зміну трибологічних властивостей олив, швидкість погіршення цих властивостей і діапазони працездатності протизносних і протизадирних присадок.

На основі теорії подоби і моделювання з урахуванням величини щільності енергії розроблена методика фізичного моделювання перехідних процесів при зміні сорту і марки моторної оливи в трибосистемах ДВЗ.

Встановлено, що зміна моторної оливи з мінеральної на синтетичну, і навпаки, різних груп експлуатації викликає у трибосистемах ДВЗ вторинне припрацювання. Встановлено, що застосування промивної оливи в ТС, скорочує час припрацювання, але підвищує швидкість зношування.

Розроблено практичні рекомендації до вибору моторної оливи до ДВЗ з обґрунтуванням особливостей застосування промивної оливи.

Ключові слова: трибосистема, моторна олива, сумісність, фізичне моделювання, величина щільності енергії, вторинне припрацювання, вторинні структури.

Levchenko A.V. Research of motor oils friction compatibility with the materials of the internal combustion engines tribosystem on the basis of physical modeling. - Manuscript.

Thesis applying for candidate of engineering science degree on a specialty 05.02.04 - Friction and wear in machines, National University of Aviation, Kiev, 2001.

There has been developed a method of the estimation of motor oils friction compatibility with the materials of the internal combustion engines tribosystem, that includes a preliminary estimation of the tribological properties of oils by a four-ball friction machine using the integrated criterion and a physical modeling on the model samples. There has been offered a new tribological characteristic of lubricant materials; that is the value of the energy density. The given integrated criterion traces a change in tribological properties of oils, the rate of the deterioration of these properties, as well