Общая характеристика работы
МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ УКРАЇНИ
Київський міжнародний університет цивільної авіації
ФИлИпп Фернанд Саад
удк 621.891.2(043.3)
МАСТИЛЬНА ДІЯ МАСЕЛ ТА МАСТИЛ В УМОВАХ ВПЛИВУ ЗОВНІШНІХ ФАКТОРІВ
Спеціальність 05.02.04 “ Тертя та зношування в машинах ”
АВТОРЕФЕРАТ
дисертації на здобуття наукового ступеня
кандидата технічних наук
Київ 1999
Дисертацією є рукопис
Робота виконана на кафедрі технології ремонту, виробництва літальних апаратів та авіаційного матеріалознавства Київського міжнародного університету цивільної авіації Міністерства освіти України
Науковий керівник: доктор технічних наук, професор
Дмитриченко Микола Федорович
завідувач кафедрою технології
ремонту, виробництва літальних
апаратів та авіаційного матеріалознавства
Київского міжнародного університету цивільної авіації
Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор
Кіндрачук Мирослав Васильович
професор кафедри металознавства , обладнання та
технології термічної обробки металів Національного .
технічного університету "Київський політехнічний
інститут";
кандидат технічних наук, доцент
Івщенко Леонід Йосипович
доцент кафедри металорізальних верстатів та
інструменту Запорізького державного технічного
університету.
Провідна установа: Київський інститут військово-повітряних сил (КІ ВПС)
Міністерства оборони України.
Захист відбудеться “17” лютого 2000 р. О 15 год. на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 26.062.03 при Київському міжнародному університеті цивільної авіації
Адреса: 252058, м. Київ-58, проспект Космонавта Комарова, 1
3 дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Київського міжнародного університету цивільної авіації
Автореферат розісланий "29" грудня 1999 р.
Вчений секретар
спеціалізованої вченої ради, д-р. тех. наук. Запорожець 0.І.
Загальна характеристика роботи
Актуальність проблеми: Процес зношування спряжених поверхонь приводить до зміни довговічності та працездатності трібомеханічних систем, від яких в багатьох випадках залежить їхня надійність. Тому виявлення основних показників працездатності, які залежать від ступеня зношеності пар тертя, і визначення допустимих величин зміни цих показників є необхідною умовою для прогнозування технічного стану трібоспряжень.
Якісні залежності процесів тертя і зношування не дають можливості розрахунковим шляхом оцінити очікуваний знос, особливо в умовах впливу зовнішніх факторів. Тому питання отримання необхідної зносостійкості вирішують шляхом дослідного підбору матеріалів, масел та інших параметрів, які впливають на знос, використовуючи при цьому ряд рішень, які виправдали себе раніше. Звичайно, такий емпіричний шлях підвищення зносостійкості вимагає більших витрат часу, засобів і не завжди приводить до позитивних результатів.
Зв'язок роботи з науковими програмами. Тема дисертації с продовженням розвитку науково-дослідних тем, що виконуються на кафедрі технології ремонту, виробництва літальних апаратів та авіаційного матеріалознавства КМУЦА.
Мета і основні задачі роботи: Мета роботи полягає у комплексному вивченні швидкоплинних фізико-механічних процесів в локальному фрикційному контакті тертя і розробці методики оцінки тріботехнічних характеристик на перехідних режимах роботи для рішення задач, пов'язаних з підвищенням надійності та довговічності вузлів тертя машин і механізмів.
Для виконання поставленої мети вирішувалися наступні задачі:
·
комплексне дослідження механізму змащувальної дії в умовах граничного змащування для масел і мастил на перехідних режимах роботи і в режимі масляного голодування, з урахуванням реологічної поведінки мастила в контакті;
·
встановлення закономірностей динаміки зношування поверхневого шару металу в процесі рівноваги і руйнування товщини змащувального шару при змінних зовнішніх факторах;
·
розробка математичної моделі, яка описує складні функціональні нелінійні зв'язки між характеристиками змащувального шару і незалежними параметрами в умовах впливу зовнішніх змінних факторів;
·
розробка засобу оцінки протизносних і антифрикційних властивостей змащувальних матеріалів при варіюванні зовнішніми факторами на перехідних режимах роботи.
Наукова новизна роботи полягає в наступному:
·
визначено особливості механізму змащувального процесу і встановлені закономірності динаміки зміни тріботехнічних параметрів змащувальних матеріалів різного класу при змінних зовнішніх факторах;
·
встановлено кількісні та якісні показники змащувального шару, його реологічні характеристики і вплив хімічно-активних присадок в умовах постійних і змінних контактних напружень;
·
встановлено характер змащувальної дії при масляному голодуванні для умов ковзання, кочення і кочення з ковзанням;
·
визначено особливості зміни динаміки товщини змащувального шару в залежності від твердості контактних поверхонь, роботи тертя, швидкості ковзання, сумарної швидкості кочення, реологічних показників і встановлено вплив цих параметрів на навантаження заїдання;
·
визначено основні закономірності динаміки зношування контактних поверхонь в залежності від процесів, які визначають руйнування, відновлення і динамічну рівновагу граничної складової товщини змащувального шару на перехідних режимах роботи;
·
розроблено математичну модель, яка описує складні нелінійні функціональні зв'язки між характеристиками змащувального шару і незалежними параметрами в умовах впливу зовнішніх змінних факторів;
·
розроблено метод оцінки тріботехнічних характеристик змащувальних матеріалів за параметрами, які реєструються на перехідних режимах роботи, в умовах граничного змащування для локальних контактів тертя.
Практична значимість роботи:
·
розроблено метод оцінки тріботехнічних характеристик змащувальних матеріалів за параметрами, які реєструються на перехідних режимах роботи при граничному режимі змащування і який може бути використано для вибору змащувальних матеріалів для трібомеханічних систем;
·
встановлено основні тріботехнічні параметри, що характеризують протизносні та антифрикційні властивості змащувальних матеріалів різного класу, закономірності структурних змін змащувального шару від зовнішніх параметрів, які можуть бути використані для лабораторної оцінки тріботехнічних характеристик пар тертя на перехідних режимах роботи.
Особистий внесок автора. Дисертаційна робота є узагальненням результатів теоретичних та експериментальних досліджень, виконаних автором особисто. Розроблена математична модель, яка описує змащувальну дію від зміни незалежних параметрів в умовах впливу зовнішніх змінних факторів. В роботі 1 автора запропована методика проведення експерименту і метод теоретичної оцінки властивостей. Участь автора складає 25 відсотків. В роботі 2 автора розроблена програма неусталених режимів досліджень і підбір мастильних матеріалів. Участь автора складає 30 відсотків. В роботі 3 автором розроблена і запропована серія критеріальніх параметрів. Участь автора складає 30 відсотків.
Достовірність результатів. Підтверджується теоретичними розрахунками, застосуванням існуючих і розроблених методик, даними математичної обробки результатів на ПЕОМ, значним обсягом проведених експериментальних досліджень.
Апробація роботи: Основні наукові положення дисертації доповідались та обговорювалися на науково-технічних конференціях КМУЦА у 1996…1999 рр., “Четвертому Міжнародному симпозіумі Українських інженерів-механіків у Львові” (1999), “Другій Американо-Східно-Європейській конференції Мінськ, Гродно, Варшава” (1997), та Міжнародній науково-технічній конференції "АВІА-99" (1999).
В повному обсязі робота доповідалась на об'єднаному засіданні кафедр механічного факультету та факультету авіаційної наземної техніки КМУЦА (1999).
Публікації: За темою дисертації опубліковано 4 наукові статті та 3 тези доповідей.
Структура і обсяг роботи: Дисертаційна робота складається з вступу, п'яті розділів, висновків, списку літератури. Обсяг роботи складає 187 сторінки машинописного тексту, має 90 малюнків і 14 таблиць.
Зміст дисертаційної роботи
У вступі показана важливість і значимість проблеми, яка вирішується, обгрунтована актуальність роботи, визначені основні положення, які складають наукову новизну і практичну значимість роботи.
В першій розділі виконано огляд наявних відомостей українських і зарубіжних авторів з питань, пов'язаних з дослідженням змащувальних процесів, змащувальних матеріалів різного класу в умовах впливу зовнішніх змінних факторів на несталих режимах роботи трібоспряжень сучасних машин і механізмів, які характеризуються високими швидкостями відносного переміщування та значними термомеханічними навантаженнями в умовах впливу різних агресивних середовищ. Ці фактори, знаходячись у складному взаємозв'язку, виявляють безпосередній вплив на виникнення задирів поверхонь пар тертя, як в процесі припрацювання, так і в експлуатації.
У зв'язку з цим зростають вимоги до точності і надійності засобів дослідження і прогнозування працездатності вузлів тертя в широкому діапазоні зміни швидкостей, температур і навантажень.
В другій розділі виконано аналіз методичного і технічного забезпечення експериментальних досліджень. У відповідності з поставленими в роботі задачами дослідження проводилися на автоматизованому тріботехнічному комплексі (АТК), призначеному для відтворення несталих і екстремальних режимів експлуатації трібоспряжень в умовах моделювання роботи різних пар тертя для оцінки тріботехнічних характеристик змащувальних матеріалів в цих умовах.
Поряд з використанням традиційних при дослідженні змащувальної дії параметрів, таких як товщина змащувального шару, момент тертя, температура змащувального матеріалу та ін., використовувалось ряд додаткових параметрів, які були необхідні для пояснення механізму змащувальної дії в умовах локального контакту тертя.
У відповідності з методикою проведення експерименту програмою визначається початок і кінець циклу, режим запуску-зупинки, максимальні значення моменту тертя і товщини змащувального шару, контрольні точки циклу. Результати обробки інформації заносяться у базу даних експерименту, і представляються у вигляді таблиць, графіків і файлів даних для подальшої статистичної та математичної обробки.
В третій розділі наводяться результати експериментальних досліджень змащувальної дії масел, пластичних і напіврідких мастил із застосуванням присадок в умовах впливу змінних зовнішніх факторів. Дослідження змащувальної дії в умовах постійних контактних напружень проводилося для двох рівнів контактних напружень 250 МПа і 500 МПа для мінеральних масел МК-8 та И-20А. На першому рівні (н=250 МПа) динаміка зміни граничної складової товщини змащувального шару параметру hn носить явно коливальний характер і середнє значення hn зросло на 30% (hn.ср=2.4-2.6 мкм), При виході на другий рівень (н=500 МПа), динаміка зміни параметра hn носить тривкий, не коливальний характер. Середнє значення параметру hn.ср знаходиться в межах 1.8…2.0 мкм (див.рис.1).
Рис.1 Зміна товщини змащувального шару для різних контактних напружень
для масла И-20А: 1- при н = 250 МПа; 2- при н = 500 МПа
Як видно з рис. 1, процес формування і руйнування змащувальних шарів при н=250 МПа можна умовно поділити на 2 етапи. На першому етапі період утворення і руйнування цих шарів дуже нетривалий і складає, в середньому, в одиницях напрацювання Nц.ср=50, а другий етап зміни параметру hn (Nц ) характеризується збільшенням періоду утворення і руйнування граничних змащувальних структур до Nц=150…200 (в 3…4 рази).
Зміна параметру hmin носить також коливальний характер і може бути умовно поділена на 2 етапи. На першому етапі відбуваються значні зміни параметру hmin. Як для н=250 МПа так і для н=500 МПа, перший етап має конкретні кордони 0ц1эт …320. На другому етапі при постійній амплітуді зміни параметру hmin відбувається помітне збільшення періоду цих змін. При н=500 МПа і напрацюванні Nц=327 спостерігається збільшення параметру hmin, що на наш погляд, пов'язано з різким збільшенням частоти обертання зразків.
При збільшенні контактної напруги значно зростає ефективна в'язкість. Так для н=250 МПа середнє значення параметру еф=9…11106 МПас тоді як для н=500 МПа еф=14…16106 МПаc (збільшення більш ніж на 50%). При Nц=327 (н=500 МПа) відбувається різке зменшення параметру еф0, що співпадає з терміном руйнування граничного змащувального шару, вказує на адекватну реакцію параметра еф і на аномальні процеси, які протікають в контакті тертя.
При введенні присадки ИХП%) динаміка зміни параметру hn набуває різко коливального характеру з амплітудою зміни, яка складає hn1.5…2.0 мкм, що перевищує аналогічне значення параметру hn без присадки приблизно на 200%. Це свідчить про різке збільшення енергії активації тонкого поверхневого шару при введенні присадки ИХП і значному збільшенні швидкості, як руйнування, так і утворення граничного змащувального шару.
Зміни лінійного зносу И якісно і кількісно корелюють з комплексом тріботехнічних параметрів, які оцінювались в процесі експерименту. Збільшення контактної напруги для масла И-20А з 250 МПа до 500 МПа, призвело до збільшенню показника И з 0.38 мкм до 0.42 мкм, а введення присадки ИХП в масло ИТД-68 при незмінному контактному напруженні н=500 МПа привело також до збільшення И з 0.31 мкм до 0.38 мкм, що пояснюється модифікуючою дією присадки.
Динаміка зміни гідродинамічної складової змащувального шару в цілому показує, що при змінному контактному напруженні параметр hp має тенденцію до збільшення, причому більш інтенсивного, ніж при н=const.
Кращий показник за параметром hp має масло ИТД-68 з присадкою “Dura Lube” (1%). Для цього масла значення параметр hp=4.8 мкм. Параметр hp більш чутливий до областей переходу на новий рівень контактної напруги у порівнянні з параметром hn. Так, для масла ИТД-68 встановлене збільшення параметру hp, а для масла ИТД-68 з присадкою ИХП, навпаки зменшення параметру hp. При наступному збільшені н до 750 МПа реакція параметр hp однакова (відбувається інтенсивне зменшення з наступним відновленням товщини). Виняток складає лише масло ИТД-68 з присадкою “Dura Lube”.
При введенні присадки спостерігається різке коливання параметру E протягом всього експерименту, що вказує на різку активізацію трібопроцесів, які протікають в зоні контакту. Причому реакція параметра E адекватна змінам інших тріботехнічних параметрів. Значення параметру tyst з боковим витоком масла на 15…18% перевищує аналогічне значення параметру без бокового витоку. Характер зміни питомої роботи тертя Е для випадків з боковим витоком масла і без нього практично співпадає. Кінцеві значення лінійного зносу за наявності бокового витоку із зони контакту на 30% перевищують значення параметру И для цього ж масла і з тими ж умовами експерименту. Наявність бокового витоку має суттєвий вплив на характер руху часток зносу по доріжці тертя і в зоні контакту. Дослідження на мікроскопі мікроаналізаторі “Camscan–4DV” показали, що на протязі всього часу роботи трібоспряження присутні дві зони, які розрізняються характером рельєфу поверхні тертя:
1. Центральна згладжена зона доріжки тертя з невеликою кількістю часток зносу;
2. Бокова зона з дільницями доріжки тертя з грубим рельєфом, куди відбувається відтиснення часток зносу.
Наявність присадки MoS2 (1%) змінила динаміку деяких тріботехнічних параметрів. Параметр hn зменшується приблизно на 35% при відсутності бокового витоку і на 20% при наявності бокового витоку. Звідси видно, що кількість змащувального матеріалу який надходить до зони контакту в значній мірі залежить від умов змащування. В точках переходу контактної напруги різниця у значеннях параметру hmin залишається незмінною як для випадку з боковим витоком так і без нього і складає 0.025 мкм (для масла Shell Helix при н=500 МПа hmin0.025 мкм, а при н=750 МПа hmin0). Максимально встановлені значення питомої роботи тертя відповідають випадку без бокового витоку (Еmax=155725 Дж/м2), а не при наявності бокового витоку (Еmax=136504 Дж/м2). Проте, в цілому характер зміни параметру Е носить тривкий характер без різких всплесків і спадів. При наявності бокового витоку для масла Liqui Molly з присадкой MoS2 (1%) лінійний знос на 15% більше у порівнянні зі зносом в умовах без бокового витоку (відповідно И=0.24 мкм і И=0.19 мкм).
В точках переходу на нову контактну напругу для мастила ВНИИНП_М характерно значне зниження (до 35%) як параметру hn, так і параметру hp. Середнє максимальне значення параметру hmin для мастила LM-47 складає приблизно 1 мкм, тоді як для мастила ВНИИНП-286М параметр hmin складає 0.05 мкм (більше у 2 рази).
Аналізуючи динаміку зміни параметру маломасштабної пластичної деформації mmin при запуску, встановлено, що для мастила LM-47 частка пластичної деформації, безупинно зростає (mmin0). Після переходу до рівня контактної напруги н=500 МПа параметр mmin послідовно зменшується і, починаючи з Nц=500, mmin0, що вказує на те, що частка пластичної деформації в зоні контакту досягає майже 100% при запуску контактних поверхонь.
Граничні змащувальні шари, утворені мастилом LM-47 мають більш тривку структуру. Твердість створених шарів для мастила LM-47 в середньому в 5.5…6 раз перевищують твердість граничних шарів, створених мастилом ВНИИНП-286М.
В четвертій розділі визначені антифрикційні та протизадирні характеристики при достатньому змащуванні і в умовах масляного голодування для змащувальних матеріалів широкого класу з використанням присадок і індивідуальних вуглеводів. Припрацювання в умовах фрикційного кочення показало, що товщина змащувального шару, яка встановлюється, для більш твердої сталі 12ХН3А (HRC 55…60) на 30…40% перевищує товщину шару для більш м'якої сталі Ст-45 (HRC 30…35). Коли масло витиралось тільки з доріжок тертя, час існування змащувального шару до настання зхватування перевищував аналогічний час, коли масло витиралось з доріжок тертя і прилеглих зон, більш ніж в 5 разів. Тривалість процесу руйнування змащувального шару складає 15 хвилин. Якщо ж масло витиралось і з зон які прилягають до доріжок тертя, то при переході до режиму ковзання відзначається різке зростання товщини шару до величини, яка дорівнює значенню товщини шару в період припрацювання. Далі відбувається аналогічний зрив змащувального шару і схоплення контактних поверхонь. Тривалість цього процесу складає всього 3 хвилини.
При переході до масляного голодування в режимі ковзання товщина змащувального шару різко зменшується. Після переходу до фрикційного кочення і подачі свіжої порції масла МС-20 товщина шару стала збільшуватися і досягла значень h=0.62…0.64 мкм. Це значення товщини змащувального шару зберігалося ще на протязі 30 хвилин експерименту, що стало підставою для висновку про стабілізацію тріботехнічних характеристик і процесу тертя в цілому. Як і для більш твердої сталі (12ХН3А) при переході до режиму ковзання на сталі Ст-45 відзначається таке ж різке зменшення товщини змащувального шару. Різниця полягає у меншому значенні товщини змащувального шару для Ст-45. В подальшому товщина змащувального шару почала зростати і процес тертя супроводжувався коливаннями її величини, значно меншими за амплітудою, ніж при аналогічних дослідах для сталі 12ХН3А. Напевно більш м'яка Ст-45 спільно зі змащувальним шаром поглинають коливальний процес, завдяки цьому зменшується амплітуда коливань. Цілком певно й те, що на Ст-45 більш інтенсивно протікають процеси пластифікації тонкого поверхневого шару. Для сталі 12ХН3А час повного руйнування змащувального шару і схоплення контактних поверхонь в 2 разу перевищує час для Ст-45. Зрив змащувального шару на Ст-45 відбувається практично миттєво, на більшій частині доріжок тертя, тоді як на сталі 12ХН3А цей процес розтягнуто до 15 хвилин.
Аналізуючи динаміку зміни товщини змащувального шару в умовах масляного голодування, для сталей 12ХН3А (HRC 55...60) і Ст-45 (HRC 30...35) чітко прослідковується визначальний вплив твердості поверхневого шару контактних поверхонь на динаміку трібологічних процесів і, зокрема, на динаміку зміни товщини змащувального шару. Загальна картина зміни динаміки товщини змащувального шару в умовах масляного голодування для сталей різної твердості показана на рис.2.
Аналіз зміни динаміки тріботехнічних параметрів в період масляного голодування у всьому спектрі випробувань змащувальних матеріалів показав, що наближення періоду вичерпання працездатності змащувального матеріалу супроводжується різким зменшенням параметру Е.
Рис. 2 Загальний характер зміни динаміки товщини змащувального шару в
умовах масляного голодування:
1 Ст-45 (HRC 30...35); 2 12ХН3А (HRC 55...60)
Різниця між гідродинамічної та граничної складовими товщини змащувального шару грає, як показують проведені досліди, дуже важливу роль в процесі масляного голодування. Цей показник впливає на працездатність контактних поверхонь в умовах недостатньої подачі мастила в зону контакту.
Близькість за абсолютними значеннями товщини гідродинамічної і граничної складових змащувального шару свідчить про задовільну працездатність трібоспряжень в даних конкретних умовах роботи. Збільшення різниці між цими складовими, навпаки свідчить про кращу адаптованість змащувального шару до жорстких умов масляного голодування і, як наслідок, більшої працездатності трібоспряжень до повного руйнування змащувального шару і настання схоплення, як це показане на рис.3.
Дослідження протизадирної стійкості виконувалися на автоматизованому тріботехнічному комплексі з використанням зразків із сталі 45 з твердістю HRC 30…35 і вхідною шорсткістю робочих поверхонь Ra=0.32…0.35 мкм. В якості змащувальних матеріалів використалось синтетичне масло 36/1 (100 С=3.0 мм2/с), трансмісійне масло ТАП-15В (100 С=15 мм2/с) і ТАД-17И (100 С=17.5 мм2/с).
Рис. 3 Працездатність масел і мастил як функція параметру h
Отримані результати показують, що збільшення значень відносного ковзання в області невеликих значень (10…12%) призводить до послідовного збільшення значення коефіцієнта тертя, досягнення його максимального значення і зменшення при подальшому збільшенні величини . Максимум цієї залежності знаходиться в області відносного ковзання =4…6%. Збільшення в'язкості змащувального матеріалу приводить до збільшення значення коефіцієнта тертя f, який ми можемо реєструвати за 1…2 цикли до настання задиру. На найбільш напруженому режимі №1 для масла 36/1 встановлене навантаження заїдання Р3=72 кН/м і коефіцієнт тертя f=0.074. Менш напружені умови в контакті (V=1.5 м/с, =10%, t3=6.0) в режимі №3 приводять до більш високих значень навантаження заїдання Р3=300 кН/м і коефіцієнта тертя f=0.102.
В'язкість у значній мірі корегує зі значенням параметру Р3. Так, якщо для масла 36/1 з в'язкістю 100 С=3.0 мм2/с Р3=72 кН/м, то для масла ТАД_И (100 С=17.5 мм2/с) значення параметру Р3=142 кН/м.
В сталих умовах роботи, несуча спроможність трібоспряжень збільшується з підвищенням швидкості кочення. В умовах несталого режиму, збільшення параметру V призводить до різкого зменшення параметру Р3. Суттєвий вплив в'язкості виявляється передусім у різниці між значеннями параметру Р3 при однаковому значення параметру V. В середньому, для всього діапазону зміни сумарної швидкості кочення, різниця у значеннях параметру Р3 для масел 36/1 і ТАД-17И складає 100…160 кН/м. Пов'язано це передусім з нестійким значенням товщини змащувального шару в період пуску контактних поверхонь, коли є окремі розриви змащувального шару. Вірогідніше за все в'язке масло формує змащувальний шар з мінімумом розривів, що підвищує несущу спроможність і в кінцевому підсумку, навантаження заїдання. Це підтверджується даними, які характеризують взаємозв'язок навантаження заїдання і товщини змащувального шару.
Зі збільшенням сумарної швидкості кочення різниця в значеннях товщини змащувального шару зростає. Практично при однакових значеннях параметру h на грані заїдання різниця у величині навантаження заїдання для масел ТАД-17И і 36/1 75 кН/м, а для режиму №3 (=10%) 95 кН/м тобто збільшенням тривалості пуску (параметру t3) експериментально визначені значення параметру Р3 менше розрахункових на 50…75 кН/м і зі збільшенням сумарної швидкості кочення і ковзання ця різниця ще більш збільшується. Треба відзначити, що в умовах несталих режимів роботи парафінові та нафтенові вуглеводи формували на контактних поверхнях тертя граничні шари неадсорбційного походження.
Оцінка ефективності змащувальної дії індивідуальних вуглеводів проводилася за двома показниками:
·
максимальній товщині змащувального шару, зареєстрованої в процесі нагріву hmax;
·
температурі початку руйнування змащувального шару tр.
Значення питомої роботи тертя для кожного вуглеводу корелює з товщиною змащувального шару.
В п'ятій розділі встановлені реологічні та протизносні характеристики змащувальних матеріалів і дано математичний опис залежності товщини змащувального шару від ряду змінних факторів для умов локального контакту тертя трібоспряжень. Отримані експериментальні дані характеризують змащувальні матеріали в діапазоні зміни Герцевських напружень від 300 до 1000 МПа, сумарної швидкості кочення до 2.4 м/с, ковзання 10, 15 і 20%, температур від 20 до 130 С. З отриманих в ході експериментів результатів видно, що за спроможністю утворювати граничний змащувальний шар, мастило LM-47 поступається всім змащувальним середовищам, які досліджувались. Характерно, що відмінності у втратах на тертя при змащуванні мастилом LM-47 і маслом И_А при ковзанні 10% складають 12…17%, а при ковзанні 20% ця відмінність складає 8…12% (приблизно в 1.5 разу менша). Товщина змащувального шару, утвореного маслом И-50А в області ковзання 10% перевищує товщину змащувального шару, утвореного мастилом LM-47 приблизно в 3 рази, а в області ковзання 20% в 6…8 раз. Порівняння наведених даних зі зміною моменту тертя в залежності від ковзання дає підставу вважати, що поведінка змащувального шару, утвореного як маслом И-50А, так і мастилом LM-47 в зоні тертя носить неньютонівський характер.
Вивчення антифрикційних властивостей мастила LM-47 було продовжено в умовах навантаження, яке забезпечує значний знос зразків як при припрацюванні, так і на режимі сталого тертя. При цьому проводилося порівняння з маслами яки широко використаються в машинобудуванні – ІТС_, И-50А. З порівняння цих даних, видно, що в залежності від умов припрацювання зразків при змащуванні їх LM-47 величина сталого моменту тертя коливається від 0.8 до 1.1 Нм, а товщина змащувального шару від 0.22 мкм до 1.32 мкм. При цьому температура мастила на вході в зону тертя змінювалася від 81С до 90С. З розглянутих варіантів режимів припрацювання, мастило LM-47 забезпечувало змащувальну дію на рівні масла И-50А.
За протизносними властивостями у випадку періодичного вилучення насиченою продуктами зносу частини мастила LM-47 знаходиться на рівні сортів рідких масел, які були досліджені. Взаємозв'язок між величиною зносу і товщиною змащувального шару відсутній, що можна пояснити впливом самогенеруючої органічної плівки (СОП), яка має високі протизносні властивості змащування. При цьому більш інтенсивній за товщиною СОП відповідає менша величина зносу.
Математична модель змащувальної дії побудована у вигляді рівняння, яке зв'язує товщину змащувального шару з параметрами (факторами) впливу на вихідну характеристику. Для побудови такого роду моделей використовуються різноманітні методи аналітичного детермінованого і ймовірного опису залежностей, в тому числі методи регресійного дисперсійного або факторного аналізу, апроксимації та багаторядної селекції.
В даній роботі для опису параметричних залежностей пропонується спеціальний метод, який реалізовано в пакеті прикладних програм і який базується на селекції (направленому відборі) і апроксимації моделей оптимальної складності, які описують вхідні дані найкращим чином. Використання цього методу зумовлене тим, що між характеристиками товщини змащувального шару та іншими незалежними параметрами в загальному випадку існують достатньо складні нелінійні функціональні зв'язки, вигляд яких заздалегідь невідомий. А метод, що пропонується, дозволяє крім оцінки параметрів рівнянь підбирати вигляд функціональних залежностей і визначати рівень значимості кожного незалежного фактора.
В якості приватних описів моделей використовуються узагальнені поліноми від декількох незалежних змінних, наведених у вигляді лінійних, відносно коефіцієнтів, що визначаються, координатних функцій. В загальному вигляді така модель описується рівнянням
, (1)
де aj невідомі коефіцієнти; координатні функції; x,y,…,t незалежні параметри.
В якості координатних функцій можуть використовуватися як звичайні степеневі, тригонометричні та експоненціальні функції або їхні комбінації, так і спеціальні функціональні перетворення. Комбіновані координатні функції _, це частіше всього, добуток елементарних функцій від незалежних змінних. Для оцінки параметрів моделей використовується метод найменших квадратів, в рамках якого задача запишеться у вигляді:
,
де xi,yi,…,ti,fi значення вхідних параметрів в i-й точці,; fрi=fз(xi,yi,…,ti)= розрахункове значення вихідного параметру в i-й точці, n - число точок (дослідів); x,y,…,t незалежні змінні, k число незалежних змінних; aj невідомі коефіцієнти, які треба визначити.
Кількість невідомих коефіцієнтів m дорівнює кількості координатних функцій, які завжди більше числа незалежних змінних. В загальному випадку нелінійну відносно незалежних змінних модель (1) шляхом перетворень j=gj(x,y,…,t) можна звести до лінійної з m незалежними змінними, що в матричній формі запишеться в наступному виді:
F=a+ (2)
де
F=(fi), i=1…n вектор значень незалежної змінної;
=(ij) матриця значень незалежною змінної з вимірністю nm;
=(i) вектор помилок;
а - (аj), j=1…m вектор невідомих параметрів, які треба оцінити.
Для суми квадратів відхилень можна записати
T=(F-a) T (F-a)=FTF - aTTF - FTa+aTTa=
= FTF - 2aTTF+aTTa
Продиференціювавши S за а отримаємо
-2TF+2(T)a
Прирівнюючи результат до нуля, приходимо до системи нормальних рівнянь
TF=(T)a
Звідки одержуємо рішення системи нормальних рівнянь
a=(T)-1TF
Для кожної групи змащувальних матеріалів проводилося не менше 3 експериментів, загальна кількість яких складає 45. В групу мінеральних масел входять: МК-8, И-20А, ИТД-68; синтетичних: 36/1, Б-3В; водно-гліколевих: Этіленгліколь, Гідропол; масел з присадками: ИТД-68 з присадкою ИХП, МК-8 з присадкою DURA LUBE Transmission, ИТД-68 з присадкою DURA LUBE Transmission, Shell Helix Super, Liqui Molly з присадкою MoS2; пластичних і напіврідких: Liqui Molly (LM-47), ВНИИНП_М (Ера). За тривалістю кожний експеримент проводився до напрацювання у 1016 циклів. При цьому кількість точок які брали участь у математичному аналізі у кожному експерименту складала від 30 до 70.
На першому етапі обробки експериментальних даних була проведена апроксимація товщини змащувального шару (h) для мінеральних масел з одним контактним напруженням від напрацювання (Nц), моменту тертя (M), чистота обертання (n), швидкості ковзання (Vск), напруги зрушення (), ефективної в'язкості (еф), питомої роботи тертя (Е) і лінійного зносу (И) з використанням узагальненого полінома із заданими координатними функціями (другого порядку), приклад якого представлено рівняннями 3 і 4.
Краща модель 8 порядку
ST=0.0833644275 OST=0.00261789 OMO=0.00939135
h = Nц2(-1.69913M2+6.2484910-7)+Nц(-3.2643210-9E+0.00131007M2)
+3.3770713910-6+(4.171206Vск-3,658810-6.) (3)
Краща модель 20 порядку
ST=0.0372357866 OST=0.00116931 OMO=0.00268334
h = Nц2(2.7847310-7 – 1.522110-6)+Nц [0.00159202M2 –
0.01489401VскMln(n)+0.00302171ln(n) – 0.01553396+0.01047371И –
4.9689510-9E]+(5.4744510-6Vск+1.023410-13E+5.4644Nц – 9.8955.10-11
н+1,05040410-7)+[-0.04297523Vск+0.00259856M+0.00086482ln(n)]+
ln(n) [2.57230541 ln(n) – 21.7340573 – 19.4055233 M+48.7330212 (4)
На другому етапі обробки експериментальних даних була проведена апроксимація товщини змащувального шару (h) для мінеральних масел зі ступеневим збільшенням контактної напруги н від 250 МПа до 500 МПа і від 500 МПа до 750 МПа, напрацювання (Nц), моменту тертя (М), швидкості ковзання (Vск), напруги зрушення (), ефективної в'язкості (еф), питомої роботи тертя (Е) і лінійного зносу (И) з використанням узагальненого полінома із заданими координатними функціями (другого порядку), приклад якого наведено на рис.4 та рівняннями 5 і 6
Рис.4 Апроксимація товщини змащувального шару для масла МК-8 при
ступеневому збільшенню контактної напруги модель 9-го порядку:
точка А перехід від 250 на 500 МПА, точка В від 500 на 750 МПа
Краща модель 9 порядку
ST=0.0319723407 OST=0.00164659 OMO=0.00322358
h = 3.22679121И2 – 0.00294704M2Nц+(4.9470410-6Vск+2.2466.10-11Nц] -
2.70231914ИM-0,0006325-7,73856.10-5M-0,00012341M +1.516942 (5)
Краща модель 22 порядку
ST=0.0126469724 OST=0.00065132 OMO=0.00150479
h = - 0.77624587И2+1.863410-152 – 2.815.10-12E2 – 0.02307275ln(н)2+
0.00107205NцM2+[5.04249.10-6Vск – 3.1158.10-11Nц+2,82239.10-7 -
1.367510-10 - 4.2088410-9ln(н)]+И[-0.42068255M +
0.00148304Nц+10.4098Vск]+[0.00204234M-0.00181675+
0.00025449ln(н)]+Vск[27.3574298 - 71.091855M – 1.43832.10-5E –
0.0038582NцMln(н)]-0.44673346Mln(н)+1.00797494 (6)
Апроксимація даних з використанням фіксованих поліномів містить значні відхилення, тому на другому етапі обробки даних використовувався описаний метод багаторядної селекції (рівняння 3, 4) для одного рівня контактної напруги, а для ступеневого збільшення контактної напруги описаний засіб багаторядної селекції (рівняння 5, 6) де середньо квадратичне відхилення (С.К.О.) для моделей такого порядку, як і при апроксимації на 30…70% нижче. На рис.4 наведені кращі моделі 9-го порядку. З характеристичними параметрами ST (С.К.О.), OST (відносна точність апроксимації), OMO (максимальне відносне відхилення).
В якості прикладу нижче наведено розрахунок товщини змащувального шару для масла МК-8, який дозволяє підібрати змащувальні матеріали для трібомеханічних систем.
де
И=0.58 мкм; M=5.59 Нм; hэ=3.12 мкм; E=93452 Дж/м2;
Vск=0.049 м/с; =15181308 МПас; =244.997 МПа; Nц=1016
h = 1,516942+3,22679121 И2+4,9470910-6Vск-0,00012341M-
0,00294704NцM2-2,70231914ИM+2,246610-11Nц0,00063250
hр = 1,516942+3,226791210,582+4,9470910-6151813080.049-
0.000123412449.970.559-0.002947040,160,5592-
2,702319140.580.559+2.246610-111181308.1016-
0,000632542449,97=3.098524
hср = hэ – hр = 3.12 - 3.098524 = 0.021476 мкм.
Основні висновки
1.
На підставі проведеного аналізу і систематизації можливих шляхів підвищення зносостійкості трібоспряжень в умовах впливу змінних зовнішніх факторів встановлено загальні закономірності зміни змащувальної спроможності масел, мастил та індивідуальних вуглеводів.
2.
Пояснено протизносну та антифрикційну дії змащувальних матеріалів на підставі отриманих результатів застосування комплексного підходу до механізму змащувальної дії як з позицій гідродинаміки (еластогідродинаміки) так і граничної змащувальної дії.
3.
Встановлено, що в умовах масляного голодування зміни тріботехнічних показників стану контакту носять несталий характер. При цьому зміна товщини змащувального шару має явний коливальний характер.
4.
Доведено, що зміна характеру режиму роботи трібоспряження від сталого режиму масляного голодування завжди супроводжується зменшенням товщини змащувального шару, і якісно однакова як для масел і мастил, так і для індивідуальних вуглеводів.
5.
Встановлено, що при вилученні змащувального матеріалу з доріжки тертя час до повного руйнування змащувального шару і заїдання скорочується в 5 разів. При цьому збільшення твердості матеріалу поверхонь тертя приблизно в 2 рази, час до повного руйнування змащувального шару зростає приблизно на 35…40%, а зменшення твердості сприяє збільшенню пластичної деформації та підвищеному зношуванню контактних поверхонь.
6.
Зміни параметру змащувального шару tyst і енергетичного показника питомої роботи тертя (Е) носять явно несталий характер, що пояснюється складними фізико-хімічними процесами які відбуваються у контакті тертя.
7.
В умовах впливу зовнішніх змінних факторів збільшення значень швидкості кочення Vк та відносного ковзання приводить до зменшення значень навантаження заїдання Рз і меншим значенням коефіцієнт тертя f на грані заїдання, а зі збільшенням кінематичної в'язкості в 5 разів навантаження заїдання зростає в 2 рази. При однакових значеннях градієнту швидкості зрушення () ефективна в'язкість у контакті (еф) більше для більш в'язких масел.
8.
Встановлено, що в умовах впливу змінних зовнішніх факторів маслами, мастилами та індивідуальними вуглеводами на поверхнях тертя формується самогенеруюча органічна плівка (СОП), яка в значній мірі захищає контактні поверхні від зносу і збільшує граничні значення навантаження заїдання. Результати досліджень індивідуальних вуглеводів виявили залежність працездатності від їхньої молекулярної ваги у різних температурних діапазонах. При цьому товщина СОП, яка утворюється в цих умовах переважає товщину СОП яка утворюється на сталих режимах роботи.
9.
Застосування методу направленої багаторядної селекції і апроксимації моделей оптимальної складності, дозволило розробити математичну модель, яка описує складні функціональні нелінійні зв'язки між товщиною змащувального шару, як характеристикою змащувальної дії і незалежними параметрами (Nц, M, Vск, E, И, н, , еф) в умовах впливу зовнішніх змінних факторів.
10.
Проведені дослідження дозволяють підбирати змащувальні матеріали для трібомеханічних систем з локальним контактом тертя в умовах впливу змінних зовнішніх факторів виходячи з позицій гідродинамічної та граничної змащувальної дії.
Список опублікованих праць
1.
Dmitrichenko. N. F. Mnatsakanov R.G. Stanislaw Pytko. Steven Dnyluk Philipe Fernand Saad. Experimental-theorical model of wear intensity in high dynamic load condition,- //Tribologia teoria I praktyka.- issn 0208-7774 year xx1x nr 2/98 (158) – warsaw – poland 1998, С. 193-206.
2.
Дмитриченко Н.Ф., Мнацаканов Р.Г., Саад Ф.Ф., Т. Аль-Куран Триботехнические свойства смазочных материалов при неустановившихся режимах работы, - //проблеми експлуатації та надійності авіаційної техніки. Збірник наукових праць, Київ КМУЦА, 1998, С.99-102.
3.
Дмитриченко Н.Ф., Мнацаканов Р.Г., Саад Ф.Ф., Т. Аль-Куран, Золотарева Е.П. Критерий относительной оценки противоизносных и антифрикционных свойств смазочных материалов в условиях динамического нагружения, //ПРОБЛЕМИ ТЕРТЯ ТА ЗНОШУВАННЯ, науково-техничний збірник, заснований у 1971 році. ISSN 0370-2197.Пробл. тертя та зношувания. Вип. 44; Київ КМУЦА, 1-156, 1998, С.38-44
4.
Дмитриченко Н.Ф., Мнацаканов Р.Г., Л.С. Братица, Саад Ф.Ф., Т. Аль-Куран, Золотарева Е.П. Эмпирический подход к расчёту напряжений и деформаций в локальном контакте трения, //ПРОБЛЕМИ ТЕРТЯ ТА ЗНОШУВАННЯ, науково-техничний збірник, Випуск, 44, Київ КМУЦА 1998, С.11-18.
5.
Saad Philipe Fernand, El Kouraan Tarik Investigation of lubricating process in the time of revealing signs of damage //4-th International Symposium of Ukrainian Mechanical Engineers in Lviv. 1999, С.138.
6.
N. F. Dmitrichenko, R. G. Mnatsakanov, Saad Philipe Fernand evaluation and prediction of durability of tribomechanical systems in non-stationary friction. //New Materials and Technologies in Tribology. Second Joint American-Eastern European Conference. NMTT-97, Minsk. Grodno. Warsaw, 1997 С.18.
7.
М. Ф. Дмитриченко, Р. Г. Мнацаконов, Ф. Ф. Саад, Т. Аль Куран. Критерій відносної оцінки протизносних та антифрикційних властивостей змащувальних матеріалів. //XVII Звітна науково-технічна конференція університету за 1996. тези доповідей, Київ КМУЦА, 1997, С.35.
АНОТАЦІЯ
Філіпп Фернанд Саад. Мастильна дія масел та мастил в умовах впливу зовнішніх факторів. – Рукопись.
Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.02.04. _Тертя та зношування в машинах . _Київський міжнародний університет цивільної авіації, Україна, Київ, 1999.
В дисертації визначені особливості змащувального процесу і встановлено закономірності зміни динаміки тріботехнічних параметрів, кількісні та якісні показники змащувального шару. Визначені основні закономірності динаміки зношування контактних поверхонь в залежності від процесів які визначають руйнування, відновлення і динамічну рівновага граничного змащувального шару на перехідних режимах роботи.
Комплексно вивчено швидкоплинні фізико-механічні процеси в локальних зонах фрикційного контакту і змащувальному шарі в умовах граничного мастила.
Визначено характер змащувальної дії при масляному голодуванні для умов ковзання, кочення і кочення з ковзанням, особливості зміни динаміки товщини змащувального шару в залежності від твердості роботи поверхні тертя і реологічних характеристик.
Виявлені основні показники працездатності, які залежать від ступеня зношеності пар тертя і визначені допустимі величини зміни цих показників, що є необхідною умовою для прогнозування технічного стану трібоспряжень і розробки методів їх прискорених випробувань на зносостійкість.
Представлено метод оцінки тріботехнічних характеристик змащувальних матеріалів широкого класу за параметрами, які реєструються в умовах впливу зовнішніх змінних факторів для локальних контактів при несталому режимі роботи трібоспряжень. Розроблена нелінійна математична модель, яка описує залежність товщини змащувального шару в умовах впливу зовнішніх змінних факторів від ряду незалежних параметрів в умовах граничного змащування.
Ключові слова: змащувальна дія, несталий режим роботи, зовнішні змінні фактори, протизносні, антифрикційні та протизадирні характеристики, масляне голодування.
АННОТАЦИЯ
Филипп Фернанд Саад. Смазочное действие масел и смазок в условиях воздействия внешних переменных факторов. – Рукопись.
Диссертация на соискание научной степени кандидата технических наук по специальности 05.02.04 – трение и износ в машинах. – Киевский международный университет гражданской авиации, Украина, Киев, 1999.
В диссертации определены особенности смазочного процесса и установлены закономерности изменения динамики триботехнических параметров, количественные и качественные показатели смазочного слоя. Определены основные закономерности динамики изнашивания контактных поверхностей в зависимости от процессов определяющих разрушение, восстановление и динамическое равновесие граничного смазочного слоя на переходных режимах работы.
На основании проведенного анализа и систематизации возможных путей повышения износостойкости трибосопряжений в условиях влияния переменных внешних факторов установлены общие закономерности изменения смазочной способности масел, смазок и индивидуальных углеводородов (УГВ).
Комплексно изучены быстропротекающие физико-механические процессы в локальных участках фрикционного контакта и смазочном слое в условиях граничной смазки.
Объяснение противоизносного и антифрикционного действий смазочных материалов является результатом комплексного подхода к механизму смазочного действия как с позиций гидродинамики (эластогидродинамики) так и граничного смазочного действия.
Определен характер смазочного действия при масляном голодании для условий
