Національний авіаційний університет

Сидоренко Олександр Юрійович

УДК.621.891.(043.3)

Метод формування конфігурації робочих поверхонь

для підвищення надійності трибосистем

Спеціальність 05.02.04 – Тертя та зношування в машинах

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Київ – 2006

Дисертацією є рукопис.

Роботу виконано в Національному авіаційному університеті

Міністерства освіти і науки України.

Науковий керівник доктор технічних наук, професор

член - кореспондент НАН України,

Аксьонов Олександр Федотович,

радник ректорату НАУ.

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор

Євдокімов Вадим Дмитрович, Одеський Національний морський університет, завідувач кафедри судоремонту;

кандидат технічних наук, Селезньов Едуард Леонідович, Луцький Державний технічний університет, завідувач кафедри машин легкої промисловості.

Провідна установа: мельницький Національний університет Міністерства освіти і науки України, м.Хмельницький

Захист відбудеться “ 18 ” травня 2006 р. о “ ” годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 26.062.04 в Національному авіаційному університеті за адресою: 03680, м.Київ, просп. Космонавта Комарова, 1, аудит. 1.002.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Національного авіаційного університету за адресою: 03058, м. Київ, просп. Космонавта Комарова, 1, корпус 8.

Автореферат розіслано “ ” квітня 2006 р.

Учений секретар спеціалізованої вченої ради,

кандидат технічних наук, оцент О. Л. Матвєєва

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. У різних галузях техніки для зниження тертя и підвищення надійності трибосистем широко використовують змащувальні композиції, у яких наявні присадки конкретного функціонального призначення. Надійна та ефективна робота трибосистем залежить не тільки від присадок і їх ефективності, але і від якості базових мастил, матеріалів деталей трибосполучень, мікро- та субмікрогеометричних параметрів поверхневого шару, передусім шорсткості.

Просторова конфігурація поверхонь пар тертя, разом з головними споживчими характеристиками змащувального середовища є визначальною для ефективної і довготривалої роботи трибосполучень. Поява нового класу присадок, так званих речовин організаторів „безадгезійного” тертя (РОБТ), розроблених Т. В. Терновою, механізм взаємодії яких з поверхнями деталей трибосполучень і мастильним середовищем принципово відрізняється від тих, що існували раніше, ставить завдання дослідити та максимально ефективно використати їх нові властивості. На сьогодні істинними й об'єктивними вважаються результати стендових і натурних випробувань, але вони пов'язані з великими труднощами через їх дороговизну і довготривалість. Тому короткотривалі випробування існуючих товарних і розроблюваних нових паливно-мастильних матеріалів (ПММ) й конструкційних матеріалів поверхонь (КМП) на тертя і зношення на приладах з якісно новими можливостями і за новими лабораторними методиками, на підставі яких можна значно скоротити терміни та кількість стендових і натурних випробувань – єдине альтернативне вирішення цієї проблеми.

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

Дослідження в процесі виконання роботи були проведені та використовувались під час виконанні тем: 929-Х99 „Розробка і створення трибологічного комплексу "ДЕДАЛ" по експериментальному визначенню протизносних і антифрикційних властивостей мастильних матеріалів та присадок до них, а також конструкційних матеріалів і покрить поверхонь тертя в умовах граничного змащення”; 012-ДБ01 „Розробка триботехнічних основ суттєвого підвищення ефективності процесів контактної металообробки, зносостійкості металорізального інструменту та якості обробки поверхонь деталей машин” (№0101U002731), використовуються при виконанні теми 142-ДБ04 „Дослідження впливу джерела змінного магнітного поля на деталі підшипників кочення” (№0104U003739).

Мета і завдання досліджень. Мета дисертації – підвищення експлуатаційних властивостей трибосистем урахуванням впливу просторової мікрогеометрії поверхонь під час тертя в умовах граничного змащення.

Завдання досліджень:

- розробити методику для проведення експрес-випробувань усіх параметрів трибосистем на протизносні та антифрикційні властивості під час тертя в умовах граничного змащення з урахуванням просторової конфігурації поверхонь тертя;

- розробити математичну модель, яка б ураховувала конфігурацію поверхонь та визначала фактори, які впливають на ресурс вузла тертя, що дозволило б підвищити ресурс трибосистем завдяки оптимізації характеристик поверхонь тертя;

- провести експериментальні дослідження впливу просторової конфігурації поверхонь трибосистем на їх експлуатаційні трибохарактеристики;

- розробити методику порівняльної оцінки різних класів мастильних матеріалів та їх композицій;

- розробити рекомендації щодо підвищення протизносних та антифрикційних властивостей трибосистем.

Об’єкт досліджень процес тертя в умовах граничного змащення за різноманітної просторової конфігурації робочих поверхонь.

Предмет досліджень конфігурація поверхонь тертя.

Методи досліджень: метод лабораторних випробувань на тертя та зношення в умовах граничного змащення, диференційно-фазовий метод безконтактної лазерної профілометрії-профілографії, метод математичного моделювання.

Наукова новизна отриманих результатів.

1. Запропоновано методику оцінювання впливу просторової мікрогеометрії поверхонь тертя на характеристики трибосистем і методи для порівняльної оцінки протизносних і антифрикційних властивостей ПММ для різних класів мастильних матеріалів з використанням диференційно-фазового методу безконтактної лазерної профілометрії-профілографії.

2. Запропоновано математичну модель контакту поверхонь, яка дозволяє прогнозувати реалізацію „безадгезійного” тертя за різних умов контактування.

3. Уперше експериментально доведено й запропоновано механізм впливу просторової мікрогеометрії поверхонь тертя на експлуатаційні властивості трибосистем в умовах граничного змащення, зокрема під час реалізації „безадгезійного” тертя.

4. Уперше науково обґрунтовано й експериментально підтверджено існування критичних параметрів конфігурації поверхонь, які за інших рівних умов тертя поверхонь визначають інтервал переходу від „безадгезійного” тертя в умовах граничного змащення до процесу різання.

Практичне значення одержаних результатів.

Експериментально доведено, що за однакової шорсткості поверхонь тертя, але за різної просторової мікрогеометрії, поверхні можуть контактувати як у режимі „безадгезійного” тертя, так і в режимі різання. Ці залежності можна використовувати в процесі виробництва, конструювання та оптимізації трибосистем.

Запропоновані методи порівняльної оцінки протизносних та антифрикційних властивостей ПММ для кожного класу мастильних матеріалів дозволяють вирішувати ряд практичних завдань із забезпечення ефективності трибосистем і використовуються органом сертифікації нафтопродуктів „УЦАХ-СЕПРО”, підтверджено на малому науково-виробничому підприємстві “Присадки” та використовуються в навчальному процесі Національного авіаційного університету.

Особистий внесок здобувача. Установлено вплив та розглянуті теоретичні й експериментальні залежності впливу конфігурації поверхонь на характеристики тертя в умовах граничного змащення, розроблено методику для порівняльної оцінки протизносних та антифрикційних властивостей ПММ залежно від класу мастильних матеріалів з урахуванням реальних умов їх роботи, зокрема просторової мікрогеометрії поверхонь, установлено існування критичних параметрів конфігурації поверхонь, за яких „безадгезійне” тертя в умовах граничного змащення переходить в режим різання.

Апробація результатів дисертації. Основні положення та результати дисертаційної роботи доповідались на II – VI міжнародних науково-технічних конференціях “Авіа” (м. Київ, 2000 – 2004 рр.); ІІІ Міжнародному симпозіумі “ЭЛМАШ-2000” (м. Москва, 2000 р.); міжнародній науковій конференції студентів та молодих учених “Наука та молодь” (м. Київ 2001 р.); на міжнародній спеціалізованій виставці вимірювального і випробувального обладнання “Еталон – 2001” (м. Москва, 2001р.); IV Міжнародному авіакосмічному салоні “АВІАСВІТ – XXI” (м. Київ 2004 р.)

Публікації. За результатами основних досліджень опубліковано 6 статей у наукових журналах.

Структура та обсяг дисертації. Робота складається зі вступу, чотирьох розділів, основних висновків, списку використаних джерел із 118 найменувань та шести додатків. Загальний обсяг дисертації становить 130 сторінок комп’ютерного тексту, який включає 6 таблиць та 38 рисунків.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі розкрито важливість обраної проблеми, обґрунтовано актуальність теми, мету та завдання дослідження, сформульовано наукову новизну отриманих результатів, наведено практичну цінність упровадження результатів дослідження, зазначено джерела апробації та публікації основних положень дисертації.

У першому розділі виконано аналіз методів та лабораторних пристроїв, за допомогою яких визначаються триботехнічні характеристики вузлів тертя. Показано, що натепер немає лабораторної методики, яка б давала змогу оцінювати вплив просторової мікрогеометрії контактуючих поверхонь на ресурс та ефективність трибосистем і, водночас давати рекомендації щодо їх поліпшення.

Показано, що механізм взаємодії деяких нових присадок з матеріалами поверхонь деталей принципово відрізняється від використовуваних сьогодні. Так, речовини РОБТ, розчинені в товарних ПММ, приводять до принципово нового стану трибосистеми, а саме: до реалізації „безадгезійного” тертя в умовах граничного змащення, що має експериментальні ознаки й докази: двостадійну структуру зношування (I стадія – латентний період, що супроводжується початковим зношуванням, який на порядки менший, ніж у товарних середовищах, і ІI – стадія незмірно низької інтенсивності зношування); відсутність ознак адгезійної взаємодії поверхонь: постійне в часі, неосцилювальне поводження коефіцієнта тертя і температури граничного шару середовища; неутворення „оптимальної” шорсткості. Усі ці властивості вказують на відсутність зовнішніх ознак адгезійної взаємодії поверхонь у процесі роботи з речовинами РОБТ, тому для скорочення використовується термін „безадгезійне”.

З огляду на це припускається, що так звана „оптимальна” шорсткість, яка утворюється під впливом тертя відповідно до режиму роботи трибосистеми, під час використання таких присадок утворюватись не буде. Досліджень впливу мікрогеометрії на ефективність трибосистем в умовах граничного змащення під час реалізації „безадгезійного” тертя не проводилось. Об’єктивна поява речовин РОБТ, що забезпечують беззносний режим роботи трибосистем, робить такі дослідження потрібними. У попередніх роботах, які були проведені Т. В. Терновою разом з В. Т. Масловим, І. Н. Башкевичем, О. У. Стельмахом під час дослідження механізму роботи цих присадок не розглядались питання впливу на експлуатаційні характеристики трибосистем таких характеристик контакту, як величина шорсткості та її конфігурація, зокрема вплив висоти зубів шорсткості та кута їх нахилу і питання впровадження речовин РОБТ у реальні вузли та механізми з урахуванням реальних умов роботи цих трибосистем.

Таким чином, наукова проблема полягає у визначенні впливу конфігурації та величини шорсткості поверхонь на експлуатаційні характеристики трибосистем в умовах граничного змащення під час реалізації „безадгезійного” тертя.

У другому розділі для вирішення завдань даної дисертаційної роботи автором запропоновано методику досліджень впливу просторової конфігурації робочих поверхонь трибосистем та протизносних і антифрикційних властивостей ПММ на експлуатаційні властивості трибосистем, за якою можна визначати: протизносні й антифрикційні властивості мастильних матеріалів з урахуванням дії утворених вторинних структур; вплив просторової мікрогеометрії поверхонь тертя на інші характеристики контакту (силу тертя, величину зносу, час утворення вторинних структур) та ефективність роботи трибосполучень. Методика має забезпечувати відтворення початкових умов випробувань, а саме: відтворення КМП за фізико-хімічними й механічними властивостями (хімічний склад, твердість і т.ін.), відтворення геометрії контакту і кінематики тертя, відтворення початкового геометричного стану поверхонь тертя, відтворення початкових умов тертя: швидкості навантаження та прискорення на етапі виходу трибосистеми до сталих значень швидкості випробувань і навантаження.

Суть методу полягає у випробуваннях ПММ та КМП на протизносні й антифрикційні властивості за допомогою випробувально-вимірювальної системи за таких умов тертя, які існують в реальних вузлах та механізмах, і виборі найефективнішого з випробовуваних ПММ для конкретного вузла тертя.

Необхідно визначити, до якого класу належить ПММ, що підлягає випробуванню (трансмісійне, моторне, холодильне, індустріальне масла, змащувально-охолоджувальна речовина, присадка і т.ін.), а також в яких вузлах тертя буде використовуватись нове масло. Виходячи з цього, потрібно визначити зазначені початкові умови тертя – ті, в яких буде працювати мастильне середовище в реальному вузлі тертя: швидкість ковзання, осьове навантаження (з конструкторської документації); матеріали пари тертя (з конструкторської документації); параметри просторової мікрогеометрії поверхонь тертя (визначити на лазерному сканувальному профілографі-профілометрі (ЛСПП)); об'ємна температура (з конструкторської документації). Таким чином визначається, яка саме програма випробувань потрібна для виявлення триботехнічних властивостей масла.

Випробування на модулі тертя проводили таким чином: ковзання створюється обертанням ролика (контрзразка), закріпленого перпендикулярно до нерухомого плоского зразка (контакт контрзразка зі зразком – лінійний). Доведений до шорсткості, яка визначається і перевіряється на ЛСПП після визначення її на реальних деталях, зразок розміщували в камері, заповненій мастильним середовищем, протизносні властивості якого потрібно визначити. Під час випробувань швидкість обертання контрзразка підтримували постійною (вона дорівнювала швидкості тертя ковзання в реальних вузлах тертя). Осьове навантаження підводили з певним прискоренням і підтримували на заданому рівні. Як критерій зносу брали середню глибину доріжки тертя на нерухомому зразку.

Випробування проводили за багатоетапною методикою: перші, короткочасні етапи тертя забезпечують напрацювання вторинних структур, характерних для випробовуваного ПММ, а останній, більш тривалий етап, дозволяє оцінити експлуатаційні триботехнічні властивості масла з урахуванням вторинних структур. На двох передостанніх етапах величина зносу мінімізувалась (під час роботи це визначали відсутністю осциляцій сили тертя та сталістю об’ємної температури), що свідчить про утворення стабільних вторинних структур і оптимальної шорсткості, які за певних умов (швидкості ковзання, навантаження) починають працювати в експлуатаційному режимі, тобто період припрацювання поверхонь завершено і можна випробовувати експлуатаційні властивості масла.

Після випробувань отримані дані про величину зносу було зведено в таблицю. Динаміку зносу у тому чи іншому середовищі визначали за побудованим графіком (рис.1), на осі абсцис якого відкладено шлях тертя, а на ординаті – глибину зносу. Утворені вторинні структури вивчали лазерним аналізатором хімічного складу для визначення інтенсивності їх утворення за час випробувань за електронними спектрами.

Підтвердженням утворення вторинних структур є забарвленість фактичних поверхонь тертя, колір яких і інтенсивність після роботи в різних середовищах різна.

Крім зазначених умов, потрібно забезпечити коректне вимірювання величини зносу за критерієм, максимально близьким до маси або об’єму зношеного матеріалу, температури граничного шару мастильного середовища та величини сили тертя як найважливіших параметрів трибосистеми, що характеризують її енергоємність (рис.2).

Виходячи із завдань досліджень і методики, було обгрунтовано вибір основних модулів випробувально-вимірю-вального комплексу, сформованого для дослідження впливу просторової мікрогеометрії поверхонь тертя.

Обґрунтовано також, що механічна система випробувань поверхонь тертя, мастильних матеріалів і присадок до них має забезпечувати тертя однобічного ковзання лінійного контакту в умовах граничного змащення за встановленою програмою осьового навантаження з керованими і безупинно реєстрованими швидкостями ковзання і навантаженням у межах установлених значень. Лінійний контакт обрали тому, що він найбільш поширений в машинобудуванні. Окрім цього, його легше відтворювати і контролювати, що майже неможливо робити з точковим контактом.

У процесі тертя потрібно безупинно вимірювати і реєструвати силу тертя без зсуву фрикційного контакту і температуру граничного шару змащення та об’ємну температура. При цьому довжина контакту по твірній циліндра контрзразка має бути номінальною і постійною у часі (самовстановлюваною).

Вимірювальна система повинна контролювати параметри шорсткості поверхонь тертя, її об`ємну мікрогеометрію, деформацію матеріалу зразка під час тертя, об’єм зношеного матеріалу і подавати зовнішній вигляд доріжки тертя для обробки результатів і збереження в зручному для подальшого використання вигляді (в ізометрії з координатними осями з прокаліброваними величинами). Ці вимоги можна забезпечити приладами, які використовують диференційно-фазовий метод лазерної профілографії-профілометрії. Один з таких приладів ЛСПП, призначений для дослідження рельєфу поверхонь у різних галузях; у його розробленні брав участь автор цієї роботи.

Переваги використаного ЛСПП перед існуючими приладами такі. Лазерний сканувальний профілограф-профілометр, на відміну від широко використовуваних, безконтактний, що дозволяє уникнути руйнівного впливу на досліджувану поверхню. Крім того, на приладі ЛСПП спостерігається повна картина мікрогеометрії поверхні і в разі потреби аналізується до 512 перерізів, є можливість бачити поверхню в тривимірному кольоровозакодованому зображені і обробляти інформацію в зручному вигляді, а сама операція сканування займає від 10 до 30 секунд (за режимів максимальної апроксимації та поліномізації поверхні), що визначається потребами досліджень. Первинне зображення поверхні записується ЛСПП і заноситься в банк даних одразу після сканування, що дозволяє швидко вимірювати багато зразків.

Третій бажаний модуль випробувально-вимірювального комплексу – це модуль для фізико-хімічного експрес-аналізу поверхонь та середовища під час проведення різних випробувань та виконання дослідних робіт для визначення “паспортних” характеристик процесів, які відбуваються у вузлах трибосистем. Потреба швидко й точно визначати хімічний та фізичний склад речовин і поверхонь тертя (бажано неруйнівними методами), виникла для вирішення такого завдання як визначення напрямку і характеру процесів, що перебігають у трибосистемі. Для вирішення цього завдання пропонується використовувати лазерний аналізатор "Л-Мастер-Р", який аналізує спектр плазми досліджуваної речовини. Експрес-аналізатор може аналізувати склад усіх компонентів трибосистеми: ПММ, полімерні матеріали, плівки, мінерали, будь-які рідини, порошки, гранули, КМП і т.ін.

У третьому розділі наводяться проведені теоретичні дослідження взаємодії поверхонь тертя з точки зору впливу на ефективність роботи трибосполучень геометричних параметрів шорсткості поверхонь, зокрема об’ємної мікрогеометрії.

У процесі тертя і зношення деталей машин у загальному випадку мікрогеометрія їх поверхонь значно змінюється, поки не досягне деякого оптимального значення, характерного для певних умов тертя. У такому разі шорсткість на поверхні тертя утворюється внаслідок процесів пластичного відтискування, втомлюваного руйнування, а інколи мікрорізання і глибинного виривання. Але при реалізації „безадгезійного” тертя таких процесів, крім пластичної деформації, не відбувалося. Параметри шорсткості оцінювали на ЛСПП (рис.3). Зі збільшенням навантаження, яке сприймається виступами, відбувалась пружна деформація хвилястості, на якої розміщені мікронерівності. При цьому кількість виступів, які вступили у контакт, зростала.

Експлуатаційна ефективність трибосистеми залежить від трьох груп параметрів: параметрів роботи вузла тертя, властивостей мастильного середовища та параметрів контактуючих поверхонь.

Параметри контактуючих поверхонь включають параметри шорсткості і властивості матеріалу деталей трибосполучення (твердість, хімічний склад і т.ін.), а ефективність трибосистеми: Е(fтер,І) = f(Fн, V, Vн) + f(М) + f(R,Hвр), де fтер, І – сила тертя та величина зносу; f(Fн, V, Vн) – залежність від навантаження, швидкості ковзання, швидкості навантаження; f(М) – залежність від типу мастильного середовища; f(R,Hвр) – залежність від параметрів контактуючих поверхонь.

Будь-який з означених параметрів впливає на ефективність трибосистеми сам, або через який-небудь інший параметр. Це трапляється внаслідок фізико-хімічної взаємодії всіх компонентів трибосистеми (деталей між собою та з мастильним середовищем, яке також трибохімічно змінюється під час роботи).

Подана модель контакту двох поверхонь грунтується на таких припущеннях: 1) контактуючі поверхні мають однакову твердість; 2) контакт двох деталей – лінійний, нижній зразок – нерухомий, верхній – обертовий циліндр; 3) осьове навантаження постійне, а шорсткість – визначена; 4) контакт відбувається у процесі реалізації „безадгезійного” тертя (пластична деформація мікро- та субмікрошорсткості дорівнює нулю, деформується хвилястість); 5) вибір параметрів топографії поверхонь грунтується на реальних параметрах, визначених ЛСПП; 6) під час визначення впливу напрямку шорсткості відносно напрямку ковзання припускається, що всі вершини шорсткості мають однакові профіль і висоту. Отже, означена модель контакту двох поверхонь буде така, як показано на рис.4.

Зі збільшенням бi, необхідна сила Ni зростає. Роботу, яку потрібно витратити для підняття зуба на висоту Дhi, визначали за рівнянням , а сумарну роботу за: , де . Формули показують, що зі збільшенням величини ?h (фактично, це Ra, але в експлуатаційному напрямку), необхідна робота на зсув зростає.

Розглядали два випадки: 1) залежність потрібної роботи від ?h А = f(?h), яка в свою чергу, залежить від величини шорсткості Rа, за незмінного кута нахилу зубців шорсткості, тобто б = const; 2) залежність потрібної роботи від кута нахилу зубців б А = f(б) за незмінної величини ?h = const, (рис. 5).

Рис.5. Теоретична 1 та експериментальна 2 залежності роботи, потрібної для відносного переміщення зубців зі збільшенням величини шорсткості (а) та кута нахилу (б)

Отримавши на ЛСПП кількість зубців, які входять в контакт, отримуємо дві залежності. А знаючи границю міцності випробовуваного матеріалу, можна підрахувати, за якої величини шорсткості, чи за якого нахилу зубців (через середній розподіл матеріалу по площині перерізу) буде закінчуватися беззносне тертя і починатися різання – тобто знос. Варто враховувати, що в режимі „безадгезійного” тертя адгезійна складова сили тертя буде дорівнювати нулю, а тому загальна сила тертя залежатиме лише від пружно-пластичних властивостей матеріалу зразків та утворених на поверхні вторинних структур.

Площину контакту будуть складати площини контактів окремих зубців. Чим більше їх входить в контакт, тим більше навантаження витримує контакт. Також чим менша шорсткість зразків, тим більше їх контактуватиме на одній контурній площині, і тим менше буде потрібно „зрізати” матеріалу для витримки навантаження без перебільшення границі міцності матеріалу.

За час Дt змінюється кількість контактів і, у результаті чого змінюється розподіл навантаження Fосi. Щоб запобігти розрахунку кожного контакту, було взято: Дhi – як середню зведену висоту, що залежить від Ra, б – середній кут нахилу зубців.

У ході випробувань мастил на протизносні та антифрикційні властивості було виявлено, що в однакових умовах тертя ковзання при зростанні початкової шорсткості поверхонь, протизносні властивості фрикційного контакту змінюються нелінійно. Після деякого значення параметру шорсткості Ra наступає такий момент, коли зміна шорсткості на долі мікрометра призводить до стрибкового зростання інтенсивності зношення.

При навантаженні 230Н та швидкості ковзання 0,6 м/с гранична шорсткість становила: для мастила М-8в - 0,25мкм, для мастила “Devon” - 0,5мкм. Після проведення випробувань для кожного мастила в однакових початкових умовах при різній шорсткості, залежність зношування від шорсткості набула такого вигляду, як показано на рис.6.

Під час тертя в змащувальному середовищі утворюються продукти зношення. Візуально зі збільшенням початкової шорсткості поверхні тертя контрзразка кількість продуктів зношення збільшується, сила тертя ковзання і температура граничного шару теж зростають. Збільшення шорсткості після Rа 0,23 мкм у мастилі М-8В та з Rа 0,5 мкм у мастилі Devon призводить до того, що поряд зі зростанням інтенсивності зношення в середовищі з'являлась велика кількість блискучих частинок металу, що нагадували мікростружку від шліфування сталей.

Таким чином, автором доведено, що під час тертя ковзання в умовах граничного змащення за постійних і однакових умов навантаження і змащення існує шорсткість, перебільшення якої призводить до стрибкового переходу від процесу адгезійного зношення до процесу різання. Це означає, що початкова шорсткість поверхонь тертя визначає не тільки величину енергії, затрачуваної на подолання сил тертя, але й сценарій, за яким буде зношуватись поверхня тертя під час обкатування і експлуатації машини: адгезійно чи різанням. При цьому слід розуміти, що реальні трибосистеми працюють у різних режимах швидкості, контактного навантаження, температури, які в сукупності також визначають величину шорсткості переходу від тертя до різання. Так зі зменшенням швидкості ковзання поверхней тертя, що мають перехідну шорсткість від тертя до різання, теплоутворення в контакті зменшується, в'язкість мастильного матеріалу зростає, що призводить до збільшення граничного мастильного прошарку в контакті і зумовлює зношення поверхонь тертя за звичайною схемою: короткочасний початковий (латентний) період формування вторинних структур і тривалий (нормальний або адгезійний) з деякою постійною інтенсивністю зношення. Випробування мастил ТМ-5-18, МС-20 та алкілбензолу 11,6 (за критичних значень шорсткості контрзразків) показали зростання сталої температури на 10–14С (16–19%) та величини зносу на 90–150% у разі збільшення швидкості ковзання з 0,3 до 0,4 м/с. Під час випробувань таких самих мастил за шорсткостей контрзразків, які перевищували це значення (у першому випадку) чи були значно менші, підвищення температури спостерігалось у межах 4%, а величини зносу – не більше 20%. Це доводить, що збільшення швидкості на такій граничній шорсткості призводить до зростання температури і зменшення фактичної в'язкості середовища. У таких умовах мікровиступи поверхні тертя перетворюються у своєрідні різці, що за певних, таких самих нормальних навантажень, але на великій швидкості, врізаються в нерухому поверхню на деяку глибину і вирізають матеріал з поверхні нерухомої деталі об'ємно, утворюючи мікростружку.

У роботі за допомогою запропонованої методики доведено, що не тільки величина шорсткості впливає на властивості фрикційного контакту, але і її об'ємна конфігурація. Висновки були зроблено на підставі результатів експериментальних досліджень впливу шорсткості на триботехнічні властивості трансмісійних мастил ТМ-5-18 і Devon. Під час досліджень було встановлено, що різні види шорсткості поверхонь з однаковим параметром Ra (схрещена (С), паралельна (П)) по різному впливають на інтенсивність зношення трибосистеми ковзання. Паралельна шорсткість за Rа 0,5 мкм забезпечувала роботу трибосистеми в режимі різання, а такого ж значення Rа, але схрещеної шорсткості, трибосистема не виходила на режим різання і працювала в режимі звичайного адгезійного тертя. Після детального дослідження цих поверхонь на ЛСПП було виявлено, що така різка зміна інтенсивності зношення відбувається через відмінність об'ємної конфігурації мікрогеометрії поверхонь контрзразків, що неможливо відчути механічними контактними профілометрами і профілографами, які під час вимірювань показували однакове значення шорсткості – 0,5 мкм (рис. 7).

Із графіків (рис.8) видно, наскільки сильно залежать протизносні властивості трибосистеми від об'ємної мікрогео-метрії контактуючих поверхонь. Окрім протизносних властивостей, сила тертя під час випробувань контрзразків зі схрещеною шорсткістю була на 20 % менша, а температура мастильного середовища безпосередньо на виході з контакту – у середньому на 10 °С нижча, ніж під час роботи такої ж трибосистеми з паралельною шорсткістю поверхонь контрзразків. Тобто необхідно вимірювати шорсткість поверхонь не за лінійними профілограмами, а будувати об'ємну геометрію поверхні – топограму, і розраховувати не тільки лінійні параметри шорсткості, а й об`ємні параметри з урахування умов роботи конкретного вузла тертя. Визначення оптимальної об`ємної конфігурації поверхонь тертя в таких трибосистемах має велику перспективу щодо зменшення витрат на подолання паразитних сил тертя, наприклад, в авіаційних газотурбінних двигунах.

Таким чином, автором у процесі виконання дисертаційної роботи виявлено існування критичних параметрів шорсткості робочих поверхонь трибосистем, досягнення яких призводить до стрибкового збільшення інтенсивності зношення, сили тертя, теплоутворення та появи металевої стружки в мастильному матеріалі. Такий стан трибосистеми є режимом різання, який з часом вироджується через інтенсивне зношення. Розроблена лабораторна технологія дозволяє створювати таку триботехнічно сприятливу шорсткість, яка при лінійному вимірюванні виявляється критичною, але має таку об`ємну конфігурацію, що в умовах тертя зменшує інтенсивність зношення, силу тертя і температуру.

Експериментально доведено, що шорсткість робочих поверхонь і її конфігурація у вузлах тертя дуже важливі, а іноді й вирішальні параметри, які впливають на ефективність трибосистем.

У четвертому розділі показано необхідність розроблення нової методики випробувань різних класів мастильних матеріалів. Така методика розроблена і рекомендована автором для використання.

Розроблена методика ідентифікації мастильних матеріалів і присадок оцінює їх за головними споживчими властивостями – протизносними та антифрикційними. Але режими випробувань мають бути різні. Наприклад, випробувати трансмісійне мастило за шорсткості 0,1 мкм і швидкості ковзання 0,2 м/с, а потім робити висновки про його працездатність буде некоректно, оскільки таких умов у трансмісії реального автомобіля немає. Це умови роботи пари тертя циліндропоршневої групи, де застосовуються моторні олії. І, відповідно, навпаки – умови роботи трансмісійного мастила не можна застосовувати до моторної групи мастил.

Під час випробувань холодильного мастила ХФ-12-16 за стандартними методиками отримати результат виявилося неможливо через схоплювання, що відбувалося на перших метрах шляху тертя. А трансмісійне мастило ТМ-5-18 дає малу величину зносу, порівняно з похибкою вимірів, і порівняння результатів такого експерименту з результатами випробувань інших трансмісійних мастил стає менш точним.

Таким чином, для одержання правильних результатів випробувань, зручних для порівняння, необхідно випробовувати різні класи мастил за різних умов, характерних для роботи цих груп: для холодильних мастил навантаження менше, для трансмісійної групи швидкість ковзання більше. Умови випробувань товарних зразків деяких груп мастил, отримані експериментально, наведено в таблиці.

Умови випробувань товарних зразків деяких груп мастил

Група мастил | Навантаження, Н | Швидкість, м/с | Ra, мкм | Кількість етапів

Холодильні | 125 | 0,2 | 0,02 | 4

Моторні | 230 | 0,4 | 0,1 | 4

Трансмісійні | 230 | 0,6 | 0,5 | 6

З РОБТ | 300 | 0,6 | 0,1 | 4

Ця таблиця показує, у яких початкових умовах необхідно проводити випробування мастильних матеріалів, зважаючи на реальні умови їх роботи, тобто на їх призначення. Розроблена методика дозволяє моделювати динамічні умови роботи змащувальних композицій і шорсткість контактуючих поверхонь вузлів тертя.

Запропонований експрес-метод випробувань якості мастильних матеріалів був випробуваний на МНВП “Присадки”. Під час випробувань три непозначені мастила були випробувані за означеною методикою і розміщені в порядку погіршення змащувальних властивостей та за тенденцією працездатності цих мастил у часі. Результати лабораторних випробувань збіглися з результатами 600-часових моторних випробувань, що вказує на високу ефективність методики.

Запропонована методика в результаті короткочасних лабораторних випробувань мастильних матеріалів і присадок до них дозволяє: визначити порівняльну ефективність мастильних матеріалів; визначити трибохарактеристики мастильних матеріалів і присадок до них з урахуванням експлуатаційних умов їх роботи; ідентифікувати товарні мастила за їх головними споживчими властивостями – протизносними і антифрикційними; вибрати найефективніші конструкційні матеріали трибосистем; установити вимоги до якості поверхонь трибосистем. Методика може бути сертифікаційною для визначення триботехнічних властивостей мастильних і конструкційних матеріалів у процесі створення нових трибосистем та ідентифікації існуючих мастильних композицій, що підтверджено органом сертифікації нафтопродуктів „УЦАХ-СЕПРО”.

ВИСНОВКИ

У дисертації проведено теоретичні й експериментальні дослідження впливу просторової мікрогеометрії поверхонь при терті в умовах граничного змащення під час реалізації „безадгезійного” тертя за новим розробленим методом, що дозволило вирішити важливе науково-технічне завдання підвищення протизносних та антифрикційних властивостей трибосистем.

1. Теоретично показано і експериментально доведено, що за однакової шорсткості поверхонь тертя та різної просторової конфігурації поверхні можуть реалізовувати як тертя в умовах граничного змащення, так і мікрорізання.

2. Запропонована в роботі математична модель контакту поверхонь дозволяє прогнозувати реалізацію беззносного тертя за різних умов контактування.

3. Доведено, що саме просторова конфігурація разом з головними споживчими характеристиками мастильного матеріалу – протизносними та антифрикційними – справляють найбільший вплив на експлуатаційні властивості трибосистем.

4. Розроблена методика для порівняльної оцінки протизносних та антифрикційних властивостей ПММ з урахуванням конфігурації шорсткості дає змогу підібрати оптимальні компоненти трибосистем, що підвищує їх ресурс і надійність.

5. Експериментально виявлено й доведено, що тільки за рахунок удосконалення просторової конфігурації шорсткості поверхонь без зміни параметру Ra можна суттєво поліпшити протизносні властивості трибосистем (від 2 до 15 разів).

6. Теоретично і експериментально доведено, що на протизносні і антифрикційні властивості трибосистем головним чином впливає висота зубців шорсткості, їх кількість і меншою мірою кут їх нахилу.

7. Апробація вибраного і сформованого для досліджень комплексу та розробленої методики підтвердила їх високі інформаційні можливості на МНВП “Присадки”, впроваджена в органі сертифікації нафтопродуктів „УЦАХ-СЕПРО” і використовується в навчальному процесі.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАННИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Стельмах О. У., Сидоренко О. Ю., Костюнік Р. Є. Об'ємна конфігурація мікрогеометрії поверхонь тертя – один з основних факторів ефективності трибосистем // Київ. Вісник НАУ. – 2002. – №1. – С. 174–177.

2. Кіяшко С. М., Смірнов Є. М., Ільченко Л. М., Колєнов С. О., Стельмах О. У., Сидоренко О.Ю., Лазерний скануючий профілограф–профілометр ДЕДАЛ-ЛСПП. – Луцьк: „Наукові нотатки”. – 2004. – С. 136–145.

3. Стельмах О. У., Сидоренко О. Ю., Костюник Р. Є. Методика идентификации ГСМ по противоизносным и антифрикционным свойствам с учетом реальных условий их работы // Технологические системы. – 2002. – №3.– С.96–101.

4. Стельмах О. У., Сидоренко О. Ю., Костюник Р. Є. Триботехнічна система “ДЕДАЛ” випробувань паливно-мастильних матеріалів за протиспрацьовувальними та антифрикційними властивостями // Вісник НАУ. – 2002. – №4. – С. 52–55.

5. Сидоренко О. Ю. Особливості методики випробувань трансмісійних мастил з урахуванням вторинних структур // Вісник НАУ. – 2004. – №3. – С.26–28.

6. Sydorenko О.U. Influence of microgeometry of contact on characteristics of non-adhesion friction of sliding tribosystems // Вісник НАУ. – 2005. – №2. – С. 62–64.

АНОТАЦІЯ

Сидоренко О.Ю. Метод формування конфігурації робочих поверхонь для підвищення надійності трибосистем. – Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.02.04 – Тертя та зношування в машинах. – Національний авіаційний університет, Київ, 2006.

Запропоновано математичну модель контакту поверхонь, яка дозволяє прогнозувати реалізацію „безадгезійного” тертя за різних умов контактування і на основі якої вперше експериментально доведено та подано механізм впливу просторової мікрогеометрії поверхонь тертя на експлуатаційні властивості трибосистем в умовах граничного змащення, зокрема в процесі реалізації означеного явища. Запропоновано методику оцінювання впливу просторової мікрогеометрії поверхонь тертя на характеристики трибосистем і методи для порівняльної оцінки протизносних і антифрикційних властивостей ПММ для різних класів мастильних матеріалів з використанням диференційно-фазового методу безконтактної лазерної профілометрії-профілографії, за допомогою якої вперше науково обґрунтовано та експериментально підтверджено існування критичних параметрів конфігурації поверхонь, які за інших рівних умов тертя поверхонь визначають інтервал переходу від „безадгезійного” тертя в умовах граничного змащення до різання. Експериментально доведено, що за однакової шорсткості, але з різною просторовою мікрогеометрєю, поверхні можуть контактувати як в режимі „безадгезійного” тертя, так і в режимі різання.

Ключові слова: трибосистема, просторова мікрогеометрія поверхонь, вторинні структури, „безадгезійне” тертя, протизносність, антифрикційні властивості.

АННОТАЦИЯ

Сидоренко А.Ю. Метод формирования конфигурации рабочих поверхностей для повышения надежности трибосистем. – Рукопись.

Диссертация на соискание учёной степени кандидата технических наук по специальности 05.02.04 – Трение и износ в машинах. – Национальный авиационный университет, Киев, 2006.

В диссертации рассмотрена научно-техническая проблема повышения противоизносных и антифрикционных свойств трибосистем при использовании высокоэффективных смазочных материалов и присадок к ним, а также веществ-организаторов „безадгезионного” трения путем определения влияния конфигурации шероховатости на эксплуатационные свойства трибосистем. Анализ результатов испытаний таких веществ показал, что “оптимальная” шероховатость при их применении в товарных ГСМ не образуется, т. е. конфигурация шероховатости поверхности остается исходной. Предложен алгоритм экспресс-испытаний для оценки влияния конфигурации в таких условиях, рассмотрены и выбраны средства для его реализации. Показана возможность и необходимость использования бесконтактного метода лазерной профилографии-профилометрии для определения параметров шероховатости поверхностей трения и анализа результатов трения.

Предложена математическая модель контакта поверхностей в условиях реализации „безадгезионного” трения и механизм влияния пространственной микрогеометрии поверхностей трения на эксплуатационные свойства трибосистем в таких условиях, которая позволяет прогнозировать осуществление „безадгезионного” трения в реальных условиях. На основе этого механизма теоретически показано и экспериментально подтверждено, что при одинаковой шероховатости поверхностей трения по линейным параметрам Ra, Rz, но при различной конфигурации, поверхности могут реализовывать как трение в условиях граничной смазки, так и микрорезание. Показано, что на противоизносные и антифрикционные свойства основное влияние оказывают высота микронеровностей и их количество в контакте, а в меньшей степени угол их наклона.

Экспериментально подтверждено существование критических параметров конфигурации поверхностей, которые при прочих равных условиях трения определяют интервал скачкообразного перехода из режима „безадгезионного” трения в условиях граничной смазки к процессу резания и экспериментально доказано, что изменением конфигурации шероховатости без изменения параметра Ra возможно в 2–15 раз улучшить противоизносные свойства трибосистем.

При выполнении работы было определено, что использование стандартных методик определения противоизносных и антифрикционных свойств различных классов ГСМ с высокоэффективными присадками, и особенно веществами ВОБТ, не всегда корректно, а потому была предложена новая методика сравнительной оценки противоизносных и антифрикционных свойств ГСМ, которая учитывает реальные условия их работы, и, соответственно, отличается от базовой для разных классов ГСМ.

Апробация эффективности и правильности этой методики была проведена совместно со специалистами МНПП “Присадки”. Анализ результатов проведенных сравнительных испытаний по экспресс-методике трех товарных моторных масел, серийно выпускаемых этим предприятием, показал их соответствие результатам проведенных 600-часовых моторно-стендовых испытаний. Это подтверждает правильность методики и возможность её применения на предприятиях нефтеперерабатывающей и машиностроительной отраслей, что позволит отказаться от ряда дорогостоящих и длительных этапов предварительных испытаний.

Предложенная методика также позволяет сравнивать не только противоизносные и антифрикционные свойства ГСМ, но и подбирать наиболее приемлемую для конкретных узлов трения конфигурацию шероховатости и материалы поверхностей деталей трибосистем, что повысит их ресурс и надежность. Это подтверждено центром химмотологии и сертификации горюче–смазочных материалов и технических жидкостей, в котором внедрена предложенная методика.

Ключевые слова: трибосистема, пространственная микрогеометрия поверхностей, вторичные структуры, „безадгезионное” трение, противоизносность, антифрикционные свойства.

ABSTRACT

Sydorenko O.U. The method of formation of a configuration of working surfaces for increase of the tribosystem's reliability. – Manuscript.

Thesis applying for candidate of engineering science degree on a speciality 05.02.04 – Friction and wear in machines. – National aviation university, Kiev, 2006.

It is offered the mathematical model of contact of surfaces which allows to predict the realization of the „non-adhesion” friction under different conditions of contact and on the basis of which for the first time the mechanism of the influence of spatial microgeometry of friction surfaces on operational properties of the tribosystems in the conditions of boundary greasing is experimentally proved and submitted, particularly, at realization of the designated phenomenon. The offered technique of an estimation of the influence of spatial microgeometry of surfaces of friction on the characteristics of tribosystems and methods for comparison the antiwear and antifrictional properties of the petroleum products for different classes of lubricants with the using of a differential-phase method of contactless laser profilometry-profilography. With