МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ

НАЦІОНАЛЬНИЙ АВІАЦІЙНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

МІЛАНЕНКО ОЛЕКСАНДР АНАТОЛІЙОВИЧ

УДК 621.891

МАСТИЛЬНА ДІЯ ОЛИВ У ТОЧКОВОМУ КОНТАКТІ

ТЕРТЯ В УМОВАХ рясного МАЩЕННЯ

ТА МАСТИЛЬНОГО ГОЛОДУВАННЯ

05.02.04. – Тертя та зношування в машинах

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

кИЇВ – 2000

Дисертацією є рукопис

Робота виконана в Національному авіаційному університеті Міністерства освіти і науки України

Науковий керівник | Доктор технічних наук, професор

Дмитриченко Микола Федорович,

Національний авіаційний університет

Міністерства освіти і науки України,

завідувач кафедри технології ремонту, виробництва літальних апаратів та авіаційного матеріалознавства

Офіційні опоненти:

доктор технічних наук, професор Кіндрачук Мирослав Васильович, Національний технічний університет України “Київський політехнічний інститут” Міністерства освіти і науки України, професор;

кандидат технічних наук, старший науковий співробітник Зверлін Валерій Григорович, ВАТ “УкрНДІПЛАСТМАШ”, м. Київ, директор.

Провідна установа:

Відкрите акціонерне товариство “Мотор-Січ” Міністерства промислової політики України, м. Запоріжжя.

Захист відбудеться “ 31 ” січня 2001 року о 17 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 26.062.03 в Національному авіаційному університеті за адресою: 03058, м. Київ, просп. Космонавта Комарова, 1.

З дисертацією можна ознайомитися у бібліотеці Національного авіаційного університету (03058, м. Київ, просп. Космонавта Комарова, 1).

Автореферат розіслано “ 21 ” грудня 2000 року

Учений секретар

спеціалізованої вченої ради Запорожець О.І.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Аналіз нинішнього стану проблеми підвищення довговічності деталей трибомеханічних систем доводить, що мащення є найбільш важливим засобом впливу на процеси перенесення енергії та матеріалів у трибомеханічних системах, зниження тертя, зменшення спрацьовування. Будь-яке порушення режиму мащення або втрата працездатності мастила є згубними для трибомеханічних систем.

Мащення навантажених і неприпрацьованих поверхонь тертя деталей трибомеханічних систем і, насамперед, трибосполучень з локальною формою контакту (підшипників котіння, зубчастих передач тощо) здійснюється в еластогідродинамічному (ЕГД) режимі. У цьому випадку ЕГД-мастильний шар є джерелом рідинного мащення у переважній більшості неконформних вузлів тертя. Відомо, що найліпші умови тертя у неконформних вузлах, які забезпечують справну роботу і досить високу довговічність, створює рідинне мащення. Тому актуальним завданням підвищення довговічності неконформних вузлів тертя є умови створення ЕГД-плівки мащення, за якого тиск істотно впливає на деформації контактуючих поверхонь, тобто на форму мастильного шару та в’язкість мастильного матеріалу.

Нинішній стан ЕГД-мащення доводить, що значну увагу приділено застосуванню принципів еластогідродинаміки до встановлення найбільш сприятливих умов роботи елементів трибомеханічних систем. Часто забувають про нераціональне мащення, пов’язане з неправильною подачею та розподілом мастила в околі контакту тертя. Причиною цього є розвинення мастильного голодування, яке призводить до розривання ЕГД-мастильного шару і, зрештою, до виникнення скріплення між контактуючими поверхнями.

Актуальним напрямком надійного прогнозування довговічності неконформних вузлів і оптимального добору мастильних матеріалів є розроблення комплексної методики мастильної дії мастильних матеріалів в умовах рясного мащення та мастильного голодування, яка забезпечила б раціональне мащення, правильний добір мастильного матеріалу і температурний режим мащення.

Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота проводилася за держбюджетною темою 640-ГА95 “Розроблення автоматизованого комплексу оцінювання мастильної спроможності авіаційних мастильних матеріалів і проведення дослідження властивостей мастильних матеріалів в умовах стаціонарного та нестаціонарного навантаження. Оцінювання протиспрацювальних і антифрикційних здатностей мастильних матеріалів у екстремальних умовах тертя контактних поверхонь на автоматизованому триботехнічному комплексі” (м. Київ, 1997), № держ. реєстрації 0195U025877.

Мета і завдання роботи. Метою роботи є розроблення комплексної методики оцінювання мастильної дії мастильних матеріалів в умовах рясного мащення та мастильного голодування у точковому (коловому) контакті тертя для вирішення завдань, пов’язаних з підвищенням довговічності підшипників котіння.

Для досягнення поставленої мети вирішувалися такі завдання:–

проектування та виготовлення експериментального стенду з дослідження товщини і форми мастильного шару в упорному (самовстановлюваному) шарикопідшипнику;–

визначення в’язкісних, в’язкісно-температурних і п’єзов’язкісних властивостей мастильних олив;–

визначення параметрів геометрії та матеріалів, локальних напружень і деформацій, які характеризують властивості статичного контакту;–

розроблення математичної ЕГД-моделі точкового (колового) контакту тертя в умовах рясного мащення;–

числове розв’язання ЕГД-задачі з визначення центральної товщини мастильного шару в умовах рясного мащення;–

отримання співвідношень центральних товщин мастильного шару в умовах рясного мащення та мастильного голодування за реологічною ознакою;–

дослідження мастильного голодування і кавітаційних процесів залежно від температурного режиму;–

розроблення комплексної методики прогнозування довговічності підшипників котіння й оптимального добору мастильних олив в умовах рясного мащення та мастильного голодування.

Об’єкт дослідження – порушення режиму мащення та втрата довговічності неконформних вузлів.

Предмет дослідження – мастильна дія олив у точковому (коловому) контакті тертя.

Методи дослідження: –

метод оптичної інтерферометрії з вивчення ультратонкої товщини мастильного шару та дослідження розподілу мастила в точковому (коловому) контакті тертя і процесів, які відбуваються в околі контакту;–

альтернативний метод розрахунку (за Хемроком і Брюї) параметрів геометрії, локальних нормальних і дотичних напружень і деформацій;–

третя крайова задача для самоспряженого еліптичного диференційного рівняння другого порядку в прямокутнику методом верхньої релаксації по лініях для моделювання профілів товщин мастильного шару та пружних деформацій;–

оброблення експериментально-теоретичних результатів методом багаторядної селекції й апроксимації моделей товщини мастильного шару в центральній зоні ЕГД-точкового (колового) контакту;–

оброблення експериментально-теоретичних результатів методом найменших квадратів з визначення центральної товщини мастильного шару в умовах мастильного голодування;–

експериментальне дослідження мастильного голодування та кавітації в околі точкового (колового) контакту тертя в діапазоні температур від низьких до підвищених за допомогою високошвидкісної мікрофотографії та відео-, телереєстрації основних ЕГД-характеристик;–

номографічний метод добору в’язкості для оптимального вибору мастильних матеріалів.

Наукова новизна роботи полягає в наступному: –

розроблено комплексну методику оцінювання мастильної дії мастильних олив для упорних (самовстановлюваних) шарикопідшипників, яка дає змогу згідно з отриманими ЕГД-критеріями прогнозувати довговічність відповідних підшипників і здійснювати оптимальний добір мастильних олив за реологічною ознакою в умовах рясного мащення та мастильного голодування;–

розроблено математичну ЕГД-модель мащення точкового (колового) контакту, в основу якої покладено моделювання профілів товщини мастильного шару та пружних деформацій з урахуванням реологічних властивостей олив;–

отримано чисельне розв’язання ЕГД-задачі з визначення центральної товщини мастильного шару, яке описує складні нелінійні функціональні зв’язки між характеристиками товщини мастильного шару та незалежними параметрами в умовах впливу зовнішніх змінних факторів;–

встановлено експериментальні співвідношення центральних товщин мастильного шару в умовах рясного мащення і мастильного голодування, які дають змогу забезпечити локальні вимоги до кількості мастила всередині ділянки контакту;–

проаналізовано закономірності зміни товщини ЕГД-мастильного шару в точковому (коловому) контакті підшипників у діапазоні низьких температур, відповідно до яких встановлено “бічне проковзування” кульки і наявність у контакті тертя мікроЕГД-плівки мащення для значних швидкостей ковзання в умовах катастрофічного мастильного голодування, розвиток кавітаційних процесів при зупинці чи малих швидкостях і виникнення “захоплення” оливи при гальмуванні, що, в цілому, найповніше розкриває механізм розвинення мастильного голодування.

Практичне значення отриманих результатів. В умовах інституту УкрНДІ НП “МАСМА” впроваджено комплексну методику оцінювання мастильної дії олив для лабораторної оцінки трибомеханічних характеристик пар тертя з точковим контактом з метою оптимального добору технології виготовлення та кінцевого хімічного складу мастильних матеріалів.

Особистий внесок автора. Виконані у співавторстві дослідження, які містяться в дисертаційній роботі, проведено за безпосередньої участі автора на всіх етапах роботи. Авторові належить теоретичне обгрунтування, добір і розроблення методики, дослідження, обгрунтування й узагальнення отриманих результатів, практичні рекомендації, впровадження розроблень у діяльність НДІ.

Апробація результатів дисертації. Результати дисертаційної роботи доповідалися й обговорювалися на Міжнародному симпозіумі “4-й Міжнародний симпозіум українських інженерів-механіків у Львові” (м. Львів, 1999), Міжнародній науково-технічній конференції “Авіа-99” (м. Київ, 1999), Міжнародній науково-технічній конференції “Оцінка і обгрунтування продовження ресурсу елементів конструкцій (Ресурс-2000)” (м. Київ, 2000), Міжнародній науково-технічній конференції “Авіа-2000” (м. Київ, 2000).

Публікації. Результати дисертаційної роботи викладено у п’яти публікаціях, з яких 3 – в наукових фахових журналах, і дві – в тезах доповідей.

Структура та обсяг роботи. Дисертація складається зі вступу, 5 розділів, списку використаних джерел та додатків. Робота викладена на 214 сторінках повного тексту, де міститься 8 додатків, 142 посилання на праці вітчизняних і зарубіжних авторів, 8 таблиць і 59 малюнків.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі розкрито стан і важливість наукового завдання, обґрунтування необхідності проведення дослідження. Дано загальну характеристику дисертації – актуальність теми, мета й завдання дослідження, наукова новизна та практична цінність отриманих результатів, апробація результатів роботи.

Перший розділ присвячено нинішньому стану та місцю еластогідродинамічної (ЕГД) теорії мащення серед загальновідомих теорій гідродинамічного та граничного мащення. Розглянуто взаємозв’язок режимів мащення зі структурою мастильних шарів, проаналізовано характерні види пошкоджень поверхонь тертя неконформних вузлів.

Необхідність забезпечення повноцінних умов рідинного мащення з метою уникнення зношування тертьових поверхонь спонукало до проведення дослідження з позицій дотримання необхідної умови розриву ЕГД-мастильного шару. Розроблення ЕГД-критеріїв, які б оцінювали мастильну дію мастильних матеріалів в умовах ЕГД-мащення, окрім оцінювання довговічності трибомеханічних систем й оптимального добору мастильних матеріалів, є корисним при оцінюванні мастильної дії для змішаного (мікроЕГД) режиму мащення, який відповідає умовам мастильного голодування.

Відповідні критерії ефективності мастильної дії залежать повною мірою від товщини мастильного шару через параметр товщини мастильного шару (), який встановлює режим від рясного мащення до мастильного голодування. Отже, забезпечення точності та надійності методів дослідження, математичне моделювання і чисельне розв’язання, спрямовані на визначення товщини мастильного шару, дають змогу з достатньою мірою точності знаходити ЕГД-критерії мастильної дії в умовах рясного мащення та мастильного голодування.

Другий розділ присвячено методичному та технічному забезпеченню оптико-інтерферометричних вимірювань товщини мастильного шару та визначенню основних фізико-хімічних характеристик досліджуваного спектру мастильних матеріалів.

Вимірювання ультратонкої товщини мастильного шару (до 0,02 мкм) здійснювалися на спеціально виготовленому автором стенді, який дав змогу методом оптичної інтерферометрії дослідити розподіл товщини мастильного шару в точковому (коловому) контакті тертя та розподіл мастила в околі контакту з урахуванням картини підведення мастила та температурного режиму мащення.

Метод полягає в огляді ділянки контакту через одне з контактувальних тіл (скляний диск) і спостереженні інтерференційної картини, породжуваної конструктивною та деструктивною інтерференцією світла, відбитого від поверхні непрозорого тіла (стальної кульки).

Застосування фото-, відео-, та телевізійної записувальної техніки дало змогу з високим ступенем точності реєструвати й аналізувати швидкоплинні процеси зміни основних ЕГД-характеристик при відтворенні умов розвинення мастильного голодування, кавітаційних процесів й інших явищ у широкому діапазоні температур.

Методика оптико-інтерферометричних вимірювань товщини мастильного шару містила: 1) тарировку за допомогою рівняння Герца з визначення оптичної товщини мастильного шару; 2) вимірювання показника заломлення середовища при атмосферному тиску через рефрактометр; 3) побудову графічної залежності показника заломлення та щільності від тиску (за Лоренцом-Лоренцом); 4) визначення дійсної товщини мастильного шару.

Для оптимального добору та диференціювання мастильних матеріалів за реологічною ознакою експериментально були одержані в’язкісні, в’язкісно-температурні та п’єзов’язкісні характеристики для широкого спектру мастильних олив компанії GM “ACDelco” за допомогою спеціального обладнання та методів дослідження: 1) вимірювання динамічної в’язкості (0) на ротаційному віскозиметрі з похибкою меншою від 1%; 2) вимірювання кінематичної в’язкості () залежно від температури (t) на капілярному віскозиметрі з похибкою меншою від 3%; 3) побудова в’язкісно-температурних характеристик (за Уббелоде-Вальтером) та їх інтегральна оцінка для визначення індексів в’язкості (ІВ = 123 167); 4) побудова діаграми п’єзов’язкісних властивостей (за Роландсом).

Третій розділ присвячено розробленню ЕГД-моделі мащення точкового (колового) контакту тертя й обгрунтуванню аспектів мастильної дії.

Розроблення ЕГД-моделі мащення грунтувалося на: 1) визначенні властивостей статичного контакту взаємодійних тіл; 2) математичне моделювання профілів товщини мастильного шару та пружної деформації в динамічних умовах; 3) обгрунтування аспектів мастильної дії в умовах рясного мащення та мастильного голодування.

Визначення властивостей статичного контакту для неконформних вузлів полягало у визначенні виду і типу поля контакту, локальних напружень і деформацій, які діють у ньому.

Методом оптичної інтерферометрії досліджено поле точкового (колового) контакту тертя, характерного для контакту тіл котіння із зовнішнім кільцем самовстановлюваного упорного шарикопідшипника, визначено параметри геометрії (радіуси кривин Rx, R та контакту а), параметри матеріалів (приведений модуль пружності Е), які характеризують контакт стальної кульки (матеріал ШХ – 15, Ra < 0,025 мкм) з внутрішньою поверхнею скляного диска.

Для розрахунку локальних напружень і деформацій в точковому контакті тертя використовувався спрощений розрахунок (за Хемроком і Брюї), який дає змогу розв'язати класичну задачу Герца з невеликою втратою точності ( 3%) без застосування складних математичних розрахунків на ЕОМ з використанням спрощених формул. При зіставленні радіусів контакту (а) (табл. 1), виміряних методом оптичної інтерферометрії, з розрахунковими даними за спрощеною методикою отримали задовільний діапазон застосування спрощеного розрахунку (374,5 МПаmax1000 МПа), що забезпечило принципово новий підхід до визначення локальних напружень (max) і деформацій () в центрі точкового контакту двох пружних контактуючих тіл. Визначено величини максимального підповерхневого дотичного напруження (о) у площині XZ (|X0|, |Z0|), які обумовлюють зародження тріщин від утомленості на відповідній глибині під поверхнею у напрямку котіння.

Таблиця 1

Узгодження експериментальних результатів з теоретичними розрахунковими даними.

№ | d=2а, мм | е, | F, | МПа | e, | , | o, | |zo|, | |xo|,

експ. | теор. | % | Н | експ. | теор. | % | мкм | МПа | мм | мм

1 | 0,240 | 0,215 | 12 | 7,78 | 257,96 | 321,44 | 20 | 0,911 | 54,43 | 0,0409 | 0,1017

2 | 0,310 | 0,271 | 14 | 15,56 | 309,23 | 404,64 | 23 | 1,446 | 65,24 | 0,0529 | 0,1314

3 | 0,345 | 0,310 | 11 | 23,34 | 374,51 | 463,85 | 19 | 1,895 | 79,02 | 0,0588 | 0,1462

4 | 0,380 | 0,341 | 10 | 31,12 | 411,60 | 511,13 | 19 | 2,295 | 86,84 | 0,0648 | 0,1611

5 | 0,400 | 0,368 | 8 | 38,90 | 464,33 | 548,60 | 15 | 2,663 | 97,97 | 0,0682 | 0,1695

6 | 0,420 | 0,391 | 7 | 46,68 | 505,40 | 583,14 | 13 | 3,008 | 106,6 | 0,0716 | 0,1780

7 | 0,440 | 0,411 | 7 | 54,46 | 537,25 | 615,74 | 13 | 3,333 | 113,4 | 0,0751 | 0,1865

8 | 0,460 | 0,430 | 7 | 62,24 | 561,76 | 642,88 | 12 | 3,644 | 118,5 | 0,0785 | 0,1950

9 | 0,475 | 0,447 | 6 | 70,02 | 592,70 | 669,28 | 11 | 3,941 | 125,1 | 0,0810 | 0,2013

10 | 0,495 | 0,463 | 7 | 77,80 | 606,41 | 693,13 | 12 | 4,228 | 127,9 | 0,0844 | 0,2098

Ізотермічна ЕГД-модель мащення розроблялася на підставі таких передумов: 1) не враховувалися зміни в'язкості та об'єму оливи, викликані змінами температури; 2) не враховувався вплив бокових втрат мастила; 3) умови роботи вважалися сталими (режим рясного мащення); 4) розглядався ламінарний струм ньютонівської оливи; 5) виключалися всі сили маси.

При розгляді ЕГД-задачі про котіння пружної сфери по пружній площині, двомірна ізотермічна ЕГД-модель мащення полягала у спільному розв'язанні рівняння Рейнольдса (1) з урахуванням в'язкості від тиску (2) і стисливості мастила (3) і рівняння товщини мастильного шару (пружності) (4) з уточненням початково обраного розподілу тиску за допомогою рівняння рівноваги сил (5), які у приведеному вигляді записуються так:

(1)

де - безрозмірний параметр швидкості;

- приведений тиск (за Барусом); (2)

- приведена щільність (за Даусоном і Хіггінсоном) (3)

(4)

де

i-кількість вузлів у Х-напрямку; j-кількість вузлів у Y-напрямку;

- крок скінченно-різницевої сітки

(5)

Розв'язанню системи нелінійних інтегрально-диференційних рівнянь ставилася у відповідність третя крайова задача для самоспряженого еліптичного диференційного рівняння другого порядку в прямокутнику методом верхньої релаксації по лініях. Розв'язання рівнянь здійснювалося методом ітерацій. Кожен ітераційний цикл складався з послідовного розв'язання рівняння Рейнольдса (1), рівняння товщини (4) і уточнення початково обраного розподілу тиску. Це уточнення здійснювалося так, щоб результуючий розподіл тиску врівноважував навантаження за формулою (5). Для першої ітерації використовувалася ділянка поля контакту та наявного в ньому тиску, отриманого за спрощеною методикою (див. табл. 1). Зазвичай при обрахунках число ітерацій відповідало кількості кроків скінченно-різницевої сітки за координатою X, задаваної при моделюванні профілів товщини мастильного шару та пружної деформації.

Рівняння товщини мастильного шару (4), записане як сума інтегралів по квадратах, розв'язувалося відповідно до часткового розв'язання задачі Бусінеска для точкового контакту, яка дає змогу визначати прогин крайових точок півпростору під впливом заданого тиску (за Герцом). Для цього проводився дискретний розподіл, щоб при точності розрахунку, яка вимагалася, можна було припустити сталість тиску в інтервалі. За критерій збіжності ітераційного процесу приймався тиск, більший від нуля всередині поля контакту, але такий, що дорівнював нулю ззовні цієї ділянки.

На рис. 1,2 продемонстровано профілі товщини мастильного шару та пружної деформації, побудовані залежно від навантаження та швидкості котіння з урахуванням стисливості та нестисливості мастила для мінеральної моторної оливи, де на осі ординат відкладено значення поточної товщини мастильного шару в умовах деформації h(x;y).

Рис.1. Профіль товщини мастильного шару та пружної деформації при помірних навантаженні і швидкості котіння (W=0,809·10-6; U=2,70·10-11; G=1778). Нестисливе мастило

Рис.2. Профіль товщини мастильного шару і пружної деформації при високому навантаженні і помірній швидкості котіння (W=2,428·10-6; U=3,20·10-11; G=1778). Стисливе мастило

Слід відзначити, що побудована форма плівки вздовж середньої лінії контакту має типові особливості ЕГД-точкового контакту. Із збільшенням швидкості котіння збільшується значення поточної товщини h(x;y) і, що характерно для форми ЕГД-плівки, виникає її звуження з боку виходу з контакту, а на межах, в поперечному напрямку, товщина мастильного шару стає мінімальною. Причому із збільшенням швидкості (див. рис. 2) звуження на виході із контакту охоплює все більшу частину зони контакту Герца. Облік стисливості мастила принципово не впливав на форму плівки оливи, хіба що невеликим зміщенням звуження у бік центру контакту.

Головна ЕГД-характеристика точкового контакту в центральній його зоні – центральна товщина мастильного шару (H0) може бути записана як функція зміни трьох безрозмірних параметрів швидкості (U), навантаження (W) і матеріалів (G), яку для умов рясного мащення можна узагальнити таким рівнянням:

(6)

де k, a, b, c - константи

Визначення та межі зміни відповідних безрозмірних параметрів мастильної дії в умовах рясного мащення подано в табл. 2.

Таблиця 2

Основні безрозмірні ЕГД- параметри точкового контакту

№ | Назва параметру | Позначення | Визначення | Межа виміру

1 | Безрозмірний параметр швидкості | U

2 | Безрозмірний параметр навантаження | W

3 | Безрозмірний параметр матеріалів | G

4 | Безрозмірна центральна товщина мастильного шару | Ho

5 | Безрозмірна мінімальна товщина мастильного шару | Hmin

Трибологічний аспект мастильної дії в точковому контакті тертя в умовах мастильного голодування визначався такими характеристиками як центральна товщина мастильного шару (h0) і вхідний параметр (m).

Четвертий розділ присвячено питанням мастильної дії олив у точковому контакті тертя в умовах рясного мащення.

Програма експериментів із визначення центральної товщини мастильного шару базувалася на побудові ЕГД-моделі мащення, де передбачалося: 1) використовувати інтервали швидкості (U), навантаження (W) і матеріалів (G), які відповідають результатам математичної ЕГД-моделі мащення; 2) набрати достатню кількість замірів всередині кожного інтервалу для змістовного аналізу опрацьованих експериментально-теоретичних результатів з метою отримання чисельного розв'язання згідно з формулою (6); 3) здійснити порівняльний аналіз з результатами робіт інших авторів на предмет відповідності.

З використанням результатів математичної ЕГД-моделі мащення досліджено вплив безрозмірних параметрів швидкості, навантаження і матеріалів на центральну товщину мастильного шару в межах зміни відповідного ЕГД-режиму мащення (див. табл. 2), в результаті чого проведено оцінювання ступеня впливу кожного незалежного параметру на центральну товщину мастильного шару за реологічною ознакою.

Для змістовного аналізу опрацьованих експериментально-теоретичних результатів використовувався метод багаторядної селекції й апроксимації моделей товщини мастильного шару, який дав змогу крім оцінювання параметрів рівнянь добирати вид функціональних залежностей і визначати рівень значущості кожного незалежного фактора. Метод полягає у послідовній генерації моделей зростаючої складності, оцінюванні їхніх параметрів і селективному доборі ліпших моделей за спеціальними критеріями. Метод реалізовував задачі синтезу оптимальних моделей шляхом здійснення спрямованого перебирання можливих часткових функціональних описань вихідних процесів. Зрештою, в результаті цієї процедури формувалися найкращі математичні описання вихідних показників, як функції n-змінних моделями k-го порядку.

Оптимально обрана модель 4-го порядку зі списку кращих моделей має критерій мінімуму середньоквадратичного відхилення (ST), достатнього для формування найліпшого математичного описання, що підтверджується графічною інтерпретацією результатів для моделі 4-го порядку (рис. 3).

Після процедури дробово-лінійної апроксимації та проведення кореляційного оцінювання результатів, отримали формулу центральної товщини мастильного шару в умовах рясного мащення:

(7)

Для отримання відповідної формули використовувалося 33 різних поєднання безрозмірних параметрів швидкості та навантаження з урахуванням диференційованого підходу добору олив за реологічною ознакою. Причому, в бік зменшення в’язкості, ступінь впливу швидкості та навантаження на центральну товщину мастильного шару ставав нижчим (рис. 4).

Порівняльний аналіз безрозмірної центральної товщини мастильного шару (H0), отриманої за формулою (7), з результатами робіт різних авторів (табл. 3) залежно від безрозмірних параметрів швидкості (U), навантаження (W) та матеріалів (G) показав задовільну узгодженість (рис. 5, а-в), оскільки максимальні розходження не перевищували 20%.

Експериментальна оцінка впливу швидкості ковзання на товщину мастильного шару при використанні високошвидкісного мікрофотографування показала, що при зміні форми плівки мащення від типово ЕГД до ГД (гідродинамічного) режиму в діапазоні швидкостей (V = 0,75 0,8м/с) при навантаженні (F=15,56H) встановлено відносне зниження мінімальної товщини мастильного шару в зоні звуження з боку виходу з контакту. Це аномальне явище пояснювалося виявленням в’зкопружних властивостей (неньютонівської поведінки) мінеральної (моторної) оливи, яка досліджувалася. При цьому фактично зникав деформівний “меніск”фактичної площі контакту.

Таблиця 3

Порівняльний аналіз результатів автора с експериментальними і теоретичними результатами різних авторів щодо визначення центральної товщини мастильного шару в умовах рясного мащення

Автор формули | Значення констант у безрозмірній формулі (6)

k | a | b | c

Камерон-Гохар | 3,00 | 1,00 | -0,33 | 1,00

Чанг | 1,69 | 0,725 | -0,058 | 0,725

Рэнджер | 1,44 | 0,57 | 0,035 | 0,46

Хэмрок-Даусон | 1,90 | 0,67 | -0,067 | 0,53

Арчард-Каукинг | 1,40 | 0,74 | -0,074 | 0,74

Автор | 3,49 | 0,75 | -0,206 | 0,426

а б

В умовах низьких температур (t = -10oC -30oC) через розшифрування мікроінтерферограм і відео- і телереєстрацію встановлено формування всередині ділянки контакту повної товщини ЕГД-плівки мащення при гальмуванні підшипника, яка свідчить про збереження мастильного шару в умовах реверсування швидкості підшипника.

П’ятий розділ присвячено питанням мастильної дії олив в точковому контакті тертя в умовах мастильного голодування. Складено й обгрунтовано ЕГД-критерії оцінювання мастильної дії в умовах рясного мащення і мастильного голодування, на підставі яких розроблено комплексну методику прогнозування довговічності й оптимального добору мастильних матеріалів для упорних (самовстановлюваних) шарикопідшипників.

Важливою особливістю мастильного голодування є те, що товщина мастильного шару головним чином визначається станом вхідної ділянки. Експериментальні дослідження режиму мастильного голодування полягали у визначенні впливу вхідної межі мастила на центральну товщину мастильного шару. Для цього було проведено експериментальне оцінювання впливу вхідного параметра (m) на центральну товщину мастильного шару (h0) для різних початкових товщин мастильного шару при заданому навантаженні (рис. 6) і для різних навантажень при заданій початковій товщині мастильного шару (рис. 7).

Результати досліджень, відтворені заміною випробуваної оливи (див. рис. 6), показали, що центральна товщина мастильного шару з наближенням вхідної межі мастила (m*) до радіуса контактної площадки (а) наближається до нуля. Це відображує зв’язок між збільшенням товщини мастильного шару (а, отже, збільшення швидкості чи в’язкості, шляхом добору оливи з більш високим класом в’язкості) та переміщенням положення вхідної межі мащення (m3* m2* m1*) вгору за потоком у вхідній ділянці. На рис. 7 показано, що потрібне положення вхідної межі мащення (m*) спадає зі збільшенням навантаження, що свідчить про зниження ефективності ЕГД-умов у контакті тертя та наближення домінуючої ролі умов, описаних у контактній теорії Герца.

Для визначення співвідношень між центральними товщинами мастильного шару в умовах рясного мащення та мастильного голодування було опрацьовано експериментальні результати методом найменших квадратів до ступеневої апроксимації пар даних з урахуванням диференційованого підходу добору олив за реологічною ознакою. В результаті було виведено формули центральної товщини мастильного шару в умовах мастильного голодування, які забезпечують локальні вимоги до кількості мастила всередині ділянки контакту для досліджуваного спектра мастильних олив:

- для гіпоїдних (трансмісійних)

(8)

- для мінеральних(моторних)

(9)

- для синтетичних(моторних)

(10)

При переході від прогресуючого до катастрофічного мастильного голодування співвідношення між центральними товщинами мастильного шару розраховано (за Уїдевеном) так:

(11)

Для повнішого розкриття механізму розвинення мастильного голодування було проведено дослідження в широкому температурному діапазоні.

Зокрема, в діапазоні низьких температур встановлено “бічне проковзування” кульки підшипника, яке виявлялося при повороті на 10о форми плівки мащення та картини сліду контакту з вираженою асиметрією контактної площадки, розвинення кавітаційних процесів і наявність в контакті тертя мікроЕГД-плівки, яка підтверджує змішаний режим мащення.

На підставі чисельного розв’язання ЕГД-задачі з визначення центральної товщини мастильного шару в умовах рясного мащення та мастильного голодування, було складено ЕГД-критерії оцінювання мастильної дії (табл.4). Відповідні критерії дають змогу прогнозувати довговічність упорних (самовстановлюваних) шарикопідшипників за умовою рясного мащення (o), прогресуючого (o.s) та катастрофічного (o.c.s) мастильного голодування і за ними здійснювати оптимальний добір мастильних матеріалів через коефіцієнт мастильної дії (23).

ЕГД-критерії мастильної дії визначалися шляхом порівняння центральної товщини мастильного шару для умов рясного мащення, прогресуючого та катастрофічного мастильного голодування (ho , ho.s , ho.c.s) з сумою шорсткості поверхонь . Для забезпечення локальних вимог до кількості мастила всередині ділянки контакту доцільно використовувати ЕГД-критерії мастильної дії в умовах прогресуючого (o.s) та катастрофічного (o.c.s) мастильного голодування, оскільки в режимі мастильного голодування ефективність ЕГД-умов втрачається, відбувається порушення режиму мащення і втрата її працездатності.

Таблиця 4

Практичне застосування за оцінюванням довговічності упорних (самовстановлюваних) шарикопідшипників і оптимального добору мастильних матеріалів

Умови мащення | Критерії

прогнозування довговічності упорних шарикопідшипників | Формула центральної товщини мастильного шару

Рясне |

(7)

Прогресуюче мастильне голодування |

(8)-(10)

Катастрофічне мастильне голодування |

(11)

Коефіцієнт мастильної дії (23) визначався номографічним методом добору в’язкості за середнім діаметром підшипника, частотою обертання вала, робочою температурою та різновидом використовуваного матеріалу, що дало змогу залежно від ЕГД-критеріїв мастильної дії визначити фактичну довговічність (L10A) в мільйонах обертів для дібраних підшипників котіння:

де L10 – розрахункова довговічність упорних (самовстановлюваних) шарикопідшипників за ДСТУ 18855-94.

На підставі проведених досліджень довговічності упорних (самовстановлюваних) шарикопідшипників було розроблено комплексну методику оцінювання мастильної дії мастильних олив, яка встановлює три діапазони експлуатації відповідних підшипників: І – рясне мащення (L10AL10; o 1,5; 231,0); ІІ – прогресуюче мастильне голодування (L10AL10; 1,0o.s1,5; 0,3231,0); ІІІ – катастрофічне мастильне голодування (L10AL10; o.c.s1,0; 230,3), де експлуатація підшипників заборонена.

ВИСНОВКИ

У дисертації наведено теоретичне узагальнення та нове вирішення наукової задачі, яка полягає в розробленні інженерних методик розрахунку з прогнозування довговічності та оптимальному доборі мастильних матеріалів у стійких і екстремальних режимах мащення для неконформних вузлів тертя – упорних (самовстановлюваних) шарикопідшипників за рахунок впровадження комплексної методики оцінювання мастильної дії мастильних олив у точковому контакті тертя в умовах рясного мащення та мастильного голодування, що дало змогу для підвищення довговічності встановити оптимальні діапазони експлуатації відповідних підшипників і проводити лабораторне оцінювання триботехнічних характеристик з метою оптимального добору технології виготовлення та кінцевого хімічного складу мастильних матеріалів.

1. Розроблено комплексну методику оцінювання мастильної дії мастильних олив для упорних (самовстановлюваних) шарикопідшипників у широкому швидкісному, температурному та навантажувальному діапазонах, яка дає змогу на підставі отриманих ЕГД-критеріїв прогнозувати довговічність відповідних підшипників і здійснювати оптимальний добір мастильних олив з урахуванням диференційованого підходу за реологічною ознакою.

2. Розроблено математичну ізотермічну ЕГД-модель мащення точкового контакту тертя, яка дає змогу моделювати розподіл товщини мастильного шару з урахуванням деформацій і реологічних властивостей мастильних олив (залежність в’язкості від тиску та стисливості мастила). При цьому виявлено закономірності зміни товщини мастильного шару – виникнення звуження з боку виходу з контакту, зміна та зміщення форми звуження та поява його перед зоною контакту Герца в широкому швидкісному і навантажувальному діапазонах.

3. Отримано чисельне розв’язання задачі з визначення центральної товщини мастильного шару в ЕГД-точковому контакті в умовах рясного мащення, в результаті чого встановлено ЕГД-критерій прогнозування довговічності упорних (самовстановлюваних) шарикопідшипників для рясно змащеного контакту, який вказує на стійкий режим рідинного мащення.

4. Встановлено, що в практичних умовах мастильного голодування центральна товщина мастильного шару зменшується у випадку чистого котіння для гіпоїдних (трансмісійних) олив до величини не менше 68% центральної товщини в умовах рясного мащення, для мінеральних (моторних) і синтетичних (моторних) олив відповідно до 70% і 73%, тобто зі зменшенням в’язкості, схильність до розвинення мастильного голодування знижується.

5. Підтверджено, що для забезпечення локальних вимог до кількості мастила всередині ділянки контакту доцільно використовувати ЕГД-критерії прогнозування довговічності упорних (самовстановлюваних) шарикопідшипників в умовах прогресуючого (o.s) і катастрофічного (o.c.s) мастильного голодування.

6. Знайдено задовільний діапазон застосування спрощеного розрахунку локальних напружень і деформацій для упорних (самовстановлюваних) шарикопідшипників (374,5 МПа max 1000 МПа), що забезпечило принципово новий підхід до розрахунку відповідних характеристик в центрі точкового контакту двох пружних контактуючих тіл.

7. На базі методу оптичної інтерферометрії спроектовано та виготовлено установку, яка дає змогу здійснювати високошвидкісну відео- і телереєстрацію розподілу і величини товщин мастильного шару в умовах підвищених і низьких температур. При цьому встановлено, що в діапазоні швидкостей ковзання 0,750,8 м/с у вихідній ділянці контакту спостерігається відносне зниження мінімальної товщини мастильного шару, пов’язане зі скороченням довжини “меніска” мастила, що свідчить про вияв в’язкопружних (неньютонівських) властивостей олив. Експериментально підтверджено наявність у контакті тертя мікроЕГД-плівки мастила.

8. Установлено, що в умовах низьких температур у режимі катастрофічного мастильного голодування виявлено “бічне проковзування” кульки, яке полягає у повороті на 100 форми плівки мастила і картини сліду контакту, які призводять до асиметрії розподілу товщини мастильного шару та контактної площадки.

9. Експериментально підтверджено, що для низьких температур механізм мастильного голодування може бути повніше розкритий з погляду існування кавітаційних процесів, які виникають при зупинці чи малих швидкостях підшипника (до 0,02 м/с). При різкому гальмуванні в тих самих умовах встановлено процес “захоплення” оливи, який свідчить про повне збереження товщини ЕГД-плівки мастила при реверсуванні швидкості підшипника.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ АВТОРОМ

ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Дмитриченко Н.Ф., Миланенко А.А., Мнацаканов Р.Г., Данилюк С. Эмпирическое решение изотермической эластогидродинамической задачи для точечного контакта трения в условиях обильной смазки // Трение и износ, Гомель. – 1999. – т. 21, № 3. – С. 313-317.

2. Дмитриченко Н.Ф., Миланенко А.А., Мнацаканов Р.Г., Золотарева Е.П., Карпенко Л.Ф. Эластогидродинамическая смазка точечных контактов в условиях масляного голодания при повышенных температурах // Вестник КМУГА, К. – 2000. – № 1-2. – С. 71-74.

3. Дмитриченко М.Ф., Міланенко О.А., Мнацаканов Р.Г., Трилиський К. К. Аналіз еластогідродинамічного мащення точкового контакту в умовах мастильного голодування //Машинознавство, Львів. – 1999. – № 9. – С. 20-23.

4. Дмитриченко М.Ф., Данилюк С., Золотарьова О.П., Мнацаканов Р.Г., Міланенко О.А. Порівняльні характеристики напружень і мастильної дії в локальному контакті тертя // Тези доповідей “4-го Міжнародного симпозіуму українських інженерів-механіків у Львові”. – Львів, 1999. – С. 133-134.

5. Дмитриченко Н.Ф., Миланенко А.А., Мнацаканов Р.Г., Бородий В.Н. Особенности эластогидродинамической (ЭГД) смазки точечного контакта в условиях низких температур // Тезисы докладов Международной научно-технической конференции “Оценка и обоснование продления ресурса элементов конструкций (Ресурс-2000)”. – К.: ОНТИ ИПП НАН Украины, 2000. – т. 2. – С. 335-336.

АНОТАЦІЇ

Міланенко О.А. Мастильна дія олив у точковому контакті тертя в умовах рясного мащення та мастильного голодування. Рукопис. Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.02.04 – Тертя та зношування в машинах. – Національний авіаційний університет, Київ, 2000.

Розроблено математичну ЕГД-модель мащення для точкового контакту тертя. Отримано чисельне розв’язання ЕГД-задачі з визначення центральної товщини мастильного шару в умовах рясного мащення. Встановлено експериментальні співвідношення між центральними товщинами мастильного шару в умовах рясного мащення та мастильного голодування. Проведено дослідження в діапазоні підвищених і низьких температур.

Для практичного впровадження методики підвищення довговічності й оптимального добору мастильних матеріалів для неконформних вузлів тертя було розроблено комплексну методику оцінювання мастильної дії мастильних олив для упорних (самовстановлюваних) шарикопідшипників в умовах рясного мащення і мастильного голодування. Встановлено три діапазони експлуатації відповідних підшипників. Проведено лабораторне оцінювання триботехнічних характеристик для пар тертя з точковим контактом з метою оптимального добору технології виготовлення та кінцевого хімічного складу мастильних матеріалів.

Ключові слова: точковий контакт тертя, ЕГД (еластогідродинамічний), центральна товщина мастильного шару, рясне мащення, мастильне голодування, довговічність, упорний (самовстановлюваний) шарикопідшипник, неконформний вузел тертя, мастильний матеріал (олива).

Миланенко А.А. Смазочное действие масел в точечном контакте трения в условиях обильной смазки и масляного голодания. Рукопись. Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.02.04 – Трение и износ в машинах. – Национальный авиационный университет, Киев, 2000.

Необходимость обеспечения полноценных условий жидкостной смазки без изнашивания трущихся поверхностей побудило проводить исследования с позиций соблюдения необходимого условия разрыва ЭГД-смазочного слоя. ЭГД-смазочный слой является источником жидкостной смазки в абсолютном большинстве неконформных узлов трения. Наилучшие условия трения в неконформных узлах, обеспечивающие исправную работу и достаточно высокую долговечность, создает жидкостная смазка. Поэтому актуальной задачей повышения долговечности неконформных узлов трения являются условия образования ЭГД-пленки смазки, при котором давление существенно влияет на деформации контактирующих поверхностей, т.е. на форму смазочного слоя и на вязкость смазочного материала. Нарушение режима смазки связано с развитием масляного голодания, когда эффективность ЭГД условий в контакте трения утрачивается и создаются предпосылки для возникновения смешанного режима смазки. Если не обеспечены локальные требования к количеству смазки внутри области контакта, то при достижении условий развития катастрофического масляного голодания это может привести к разрыву ЭГД-смазочного слоя и, в конечном итоге, к возникновению схватывания между контактирующими поверхностями.

Для решения соответствующей ЭГД-задачи была разработана математическая ЭГД-модель смазки для точечного контакта трения, в основу которого положено моделирование профилей толщины смазочного слоя и упругой деформации с учетом реологических свойств масел (зависимость “вязкость – давление” и сжимаемость смазки). На базе математической ЭГД-модели смазки вместе с экспериментальными исследованиями получено численное решение ЭГД-задачи по определению центральной толщины смазочного слоя, описывающее сложные нелинейные функциональные связи между характеристиками толщины смазочного слоя и независимыми параметрами в условиях воздействия внешних переменных факторов. С целью обеспечения локальных требований к количеству смазки внутри области контакта установлены экспериментальные соотношения между центральными толщинами смазочного слоя в условиях обильной смазки и масляного голодания. Для обеспечения оптимального температурного режима смазки проведены исследования в диапазоне повышенных и низких температур в условиях обильной смазки и масляного голодания. В частности, в диапазоне низких температур установлены “боковое проскальзывание” шарика подшипника в условиях катастрофического масляного голодания, наличие в контакте трения микроЭГД-пленки смазки, возникновение “захвата” масла при торможении и развитие кавитационных процессов при остановке или малых скоростях подшипника.

Для практического внедрения методики повышения долговечности и оптимального выбора смазочных материалов для неконформных узлов трения была разработана комплексная методика оценки смазочного действия смазочных масел для упорных (самоустанавливающихся) шарикоподшипников в условиях обильной смазки и масляного голодания. Согласно этой методики на основании полученных ЭГД-критериев смазочного действия по прогнозированию долговечности (o, o.s, o.c.s) и оптимальному выбору смазочных материалов (23), установлено три диапазона эксплуатации упорных (самоустанавливающихся) шарикоподшипников.

Разработанная методика позволяет проводить лабораторную оценку триботехнических характеристик для пар трения с точечным контактом трения с целью оптимального выбора технологии изготовления и конечного химического состава смазочных материалов.

Ключевые слова: эластогидродинамический (ЭГД) смазочный слой, неконформный узел трения, долговечность, масляное голодание, точечный контакт трения, центральная толщина смазочного слоя, обильная смазка, смазочный материал (масло), упорный (самоустанавливающийся) шарикоподшипник.

Milanenko Alexander. Lubricating effects of oil at point friction contact in fully flooded lubrication and starved conditions. The manuscript. The thesis on competition of a scientific degree of the candidate of engineering science on a speciality 05.02.04 – Friction and wear in machines.