dг – діаметр плями пружної деформації за Герцем, розрахований за формулою[45], для однієї кульки:

(2.16)

де Е=206010[Н/мм2] – модуль пружності Юнга сталі ШХ-15,

Ni, N в [Н], d в [мм].

Знос сталі визначали за dз [мм], ?d=(dз – dг) [мм] та безрозмірним показником зносу J4 за 60 с випробувань на навантажувальну здатність:

, (2.17)

де dзі, dгі брали від N=200 Н до Nкр. через Ni=100Н плюс dзкр. і dГкр. при Nкр.; dкр.– діаметри плями зносу або пружної деформації при Nкр..

Оцінку протизношувальних властивостей мастильних плівок здійснювали також за діаметром плями зносу при N=200 Н (Nі=82 Н) за 4 год. випробувань при 1470 обертів горішньої кульки за хвилину (f=24,5с-1), що відповідало лінійній швидкості у зоні контакту х=0,5653 м/с, при цьому температура за ~3 мм від зони контакту, що визначена термопарою ХК і вторинним приладом – потенціометром КСП-4, становила 45±5єС в межах 0,5-4 год. випробувань різних мастильних олив.

2.3. Методика оцінки гідродинамічних ефектів та розрахунку товщини плівки

Проблемою при вивченні процесів тертя та зношування, розробки вузлів тертя, прогнозування їх роботоздатності є методи розрахунків товщини масляної плівки на суміжних поверхнях. Труднощі у рішенні проблеми значно зростають при переході від низьконавантажених і малошвидкісних вузлів тертя до тяжконавантажених і високошвидкісних, так як в таких вузлах тертя виникають високі і надвисокі тиски, швидкості зсуву і градієнти температур [6].

При цьому треба врахувати, що товщини мастильних плівок визначаються за фізико-хемічними і реологічними характеристиками вихідних мастильних матеріалів. Ці характеристики, що отримані на віскозиметрах та інших приладах у звичайних умовах, значно відрізняються від характеристик, що реально мають місце при контакті твердих тіл [6]. Результати експерименту при дослідженні навантажувальної здатности та зношування металополімерних та метал-металевих пар тертя при наявності на їх поверхнях тонких мастильних плівок не мають достатньої інформації для прогнозування працездатності вузлів тертя без урахування гідродинамічних ефектів, які виникають на окремих ділянках поверхонь тертя. Можна припустити, що на поверхнях твердих тіл у залежності від властивостей мінеральних та синтетичних олив, режимів тертя і температури виникає стан мастильних плівок від граничного до еластогідродинамічного та гідродинамічного, так і перехідних режимів тертя. Стан самих плівок при високих навантаженнях – від квазітвердого до правдиво твердого стану [6].

Висока чутливість точкового контакту до процесів, що виникають і супроводжують тертя та зношування [49], спонукала вибрати для дослідження схему контакту суміжних поверхонь «сфера- площина».

1. Трипальчикова машина тертя (рис.2.2) [14, 49] мала три циліндричних пальця діаметром 10±0,1 мм і висотою 15±0,05 мм зі сферичною кінцівкою радіусом rс =6,35 мм, що отримана фасонним різаком на токарному верстаті, які ковзали торцями по поверхні сталі 40Х (HB 5,14 ГПа; Ra0 =0,3±0,05 мкм), при швидкості на ділянці шляху тертя 50 км. Полімерні зразки – пальці були виконані з ароматичного поліаміду фенілон С-2 (продукт поліконденсації метафенілендіаміну і дихлорангідридів ізофталевої (60%) та терефталевої (40%) кислот) [51]. Вихідний фенілон С-2 мав такі властивости [51]: с=1335±5кг/м3 – густина; ур= 130±6 МПа, узг =200±20 МПа, ус =230±10 МПа – міцності при розтягуванні, згині і стиску відповідно; Ес=3160±30 МПа – модуль пружності при стиску; А=52±5 кДж/м2 – питома ударна в’язкість; HB= 240±5МПа – твердість за Бринеллем; Тв = 550±1 К – теплостійкість за Віка; Ткр = 193±1 К –температура крихкості; Тм= 551±1 К – температура початку м’якшення; Тт= 618 К – температура початку топлення; б=(3,5-3,9)?10-5 К-1 – коефіцієнт лінійного термічного розширення; л=0,28±0,02Вт/(м•К)– коефіцієнт теплопровідності.

2. Контртіло зі сталі 40Х було виконано у вигляді тіла діаметром 60 мм і висотою 45 мм з порожниною, в якій були розміщені термічні елементи. В процесі експерименту температура поверхні контртіла становила 423±5 К, яка була виміряна на відстані ~1,5-2 мм від поверхні зони тертя.

Зразки отримували за технологією переробки ароматичних поліамідів [48, 51].

Рис.2.2. Схема фрикційних випробувань «сфера-площина»: 1 – палець з сферичною кінцівкою; 2 – площина контртіла

3. За схемою навантаження сфера полімеру-площина сталі питомі навантаження змінювалися від начального тиску р0?НВу (де НВу – пружна твердість полімеру) [2] до тиску рК.

4. Обмежена витрата мастильного матеріалу – авіаційної оливи МС-20 – становили m0=1-10% від номінальної mH, яка розраховувалася для всієї поверхні тертя контртіла за нормами номінальної витрати для мащення поршневих ущільнень компресорів високого тиску за формулою [8]:

, (2.18)

де mH – номінальна витрата оливи;

Dц – діаметр дзеркала циліндра або штока компресора;

F – описана поверхня циліндра або штока;

L – довжина поверхні тертя;

n – частота обертів вала компресора;

ф – час, за який розраховується необхідна кількість мастила;

g – питома витрата мастила [8].

5. Питомий знос визначали за формулою:

, (2.19)

де ?Vіj – об’єм зносу і-го зразка, визначеного за діаметром плями зносу на j-ділянці тертя;

Nі – нормальне навантаження на і-зразок.

Для оцінки гідродинамічних ефектів використали критерій Ланкастера [26, 27, 47]:

, (2.20)

, (2.21)

де з0t, н0t – динамічна і кінематична в’язкість мастильної рідини при нормальному тиску і температурі t в герцівському контакті (при прикладанні навантаження і часі ф0=0);

зt, нt – теж саме в кінці зношування;

сt – густина мастильної рідини при нормальному тиску і температурі t.

Використовуючи співвідношення [35], запишемо:

, (2.22)

звідки знайдемо

, (2.23)

звідки

, (2.24)

(2.25)

де h0, hф – товщина мастильної плівки на початку тертя (герцівський контакт) і в кінці тертя відповідно.

РОЗДІЛ 3

РЕЗУЛЬТАТИ ТА ОБГОВОРЕННЯ

3.1. В’язкісно-температурна характеристика олив

Відомо, що в’язкісно-температурна характеристика олив, які використовуються в компресорах надвисокого тиску, є однією з важливих службових властивостей мастила.