Метод дослідження протизносних властивостей мастильних матеріалів при радіальних коливаннях валу
1
НАЦІОНАЛЬНИЙ АВІАЦІЙНИЙ УНІВЕРСИТЕТ
ШИМЧУК СЕРГІЙ ПЕТРОВИЧ
УДК 621.891/892.004.12
МЕТОД ДОСЛІДЖЕННЯ ПРОТИЗНОСНИХ ВЛАСТИВОСТЕЙ МАСТИЛЬНИХ МАТЕРІАЛІВ ПРИ РАДІАЛЬНИХ КОЛИВАННЯХ ВАЛУ
Спеціальність 05.02.04 – Тертя та зношування в машинах
Автореферат
дисертації на здобуття наукового ступеня
кандидата технічних наук
Київ – 2008
Д
исертацією є рукопис
Робота виконана в Національному авіаційному університеті Міністерства освіти і науки України
Науковий керівник кандидат технічних наук,
старший науковий співробітник
Стельмах Олександр Устимович,
Національний авіаційний університет
Офіційні опоненти:
доктор технічних наук, професор
Кравець Іван Андрійович,
Національна академія оборони України Міністерства оборони України, м. Київ, професор кафедри логістики
кандидат фізико- математичних наук, старший науковий співробітник
Міщук Олег Олександрович,
Український науковий-дослідний інститут нафтопереробної промисловості “МАСМА” Міністерства палива та енергетики України, м. Київ, провідний науковий співробітник
Захист відбудеться “6” березня 2008 р. о “15” годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 26.062.06 в Національному авіаційному університеті за адресою: 03680, м. Київ, просп. Космонавта Комарова, 1, корпус 1, аудит. 334
З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Національного авіаційного університету за адресою: 03680, м. Київ, просп. Космонавта Комарова, 1, корпус 8
Автореферат розісланий “2 ” лютого 2008 р.
Вчений секретар спеціалізованої вченої ради,
кандидат технічних наук О.Ю. Корчук
ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ
Актуальність теми. Сучасне машинобудування досягло свого нечуваного розвитку завдяки втіленню в життя наукових досягнень багатьох попередніх поколінь. Технологічні машини і техніка в цілому на сьогодні виконують надскладні завдання у сфері виробництва та експлуатації. Разом з тим вирішення проблеми виходу з ладу агрегатів через спрацювання поверхонь тертя їх виконавчих елементів є особливо актуальним.
Як свідчить статистика, 80-85 % виходу з ладу машин відбувається з причини зношування вузлів та деталей. Подолання тертя поглинає 30-40 % всієї енергії, що виробляється. Майже 40 % вироблюваного металу витрачається на заміну спрацьованих деталей, а не на виробництво нових. Тому підвищення надійності і довговічності машин та механізмів значною мірою залежить від вирішення триботехнічних задач, що займають ключове місце у механічних системах типу „поверхні тертя – змащувальне середовище”.
Один із найбільш ефективних способів підвищення ресурсу трибовузлів – правильний підбір мастильних середовищ. Наявність великого асортименту на ринку нафтопродуктів мастильних матеріалів та присадок до них породжує проблему оцінки їх основних експлуатаційних властивостей – протизносних і антифрикційних. Самим дешевим та відносно простим способом визначення основних трибологічних властивостей мастильних середовищ є їх випробування на лабораторних приладах тертя. Враховуючи неможливість передбачити конструкцією лабораторних приладів усіх факторів, які об'єктивно існують у реальних трибосистемах, доцільно закладати при їх проектуванні лише ті, які чинять домінуючий вплив на тертя та зношування.
Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами.
Результати, які наведені в роботі, отримано при 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 покриттів поверхонь тертя в умовах граничного змащування”, 309-Х06 „Розробка та створення автоматизованої системи вимірювання параметрів дизельних двигунів типу УТД-20 та В-6 при проведенні випробувань з використанням ПЕОМ”, 142-ДБ04 „Дослідження впливу джерела змінного магнітного поля на деталі підшипників кочення” (№0104U003739), 227-ДБ05 „Методологія оцінки зносостійкості покриттів для швидкорізального інструменту в залежності від триботехнічних характеристик” (№0105U001814), 384-ДБ07 „Дослідження фізико-хімічної механіки утворення вторинних структур при терті в умовах граничного змащування” (№0107U0027388).
Мета роботи. На основі експериментального дослідження та теоретичного обґрунтування коливання контактного навантаження викликаного радіальними відхиленнями валу модельної трибосистеми з лінійним контактом, розробити метод оцінки протизносних властивостей мастильних матеріалів різного функціонального призначення.
Завдання дослідження:
1. Теоретично обґрунтувати фізичну сутність впливу радіальних коливань контактуючих поверхонь на зносостійкість трибосистем.
2. Розробити методику задання і контролю радіальних відхилень поверхні утворюючої циліндр валу модельної трибосистеми “вал – втулка” для експериментальних досліджень мастильних матеріалів та присадок до них на спроектованому і виготовленому приладі тертя.
3. Визначити закономірності впливу величини радіальних відхилень утворюючої циліндр валу модельної трибосистеми на зношування та структурний стан робочих поверхонь при оцінці протизносних властивостей мастильних матеріалів.
4. Дослідити вплив радіальних коливань контактуючих поверхонь на якість оцінки протизносних властивостей мастильних матеріалів.
Об’єкт дослідження: зношування робочих поверхонь деталей при радіальних коливаннях валу модельної трибосистеми “вал – втулка”.
Предмет дослідження: закономірності впливу величини радіальних відхилень валу модельної трибосистеми з лінійним контактом на протизносні властивості мастильних матеріалів та зносостійкість контактуючих поверхонь при граничному терті ковзання.
Методи дослідження: лабораторні випробування на тертя та зношування в умовах граничного змащування, диференційно-фазовий метод безконтактної лазерної профілографії-профілометрії, метод контактної профілографії-профілометрії, метод рентгеноспектральної електронної мікроскопії, метод статистичної обробки результатів, метод математичного моделювання.
Наукова новизна одержаних результатів.
1. Побудовано фізичну модель тертя валу, виготовленого з певними радіальними відхиленнями в модельній трибосистемі ковзання з лінійним контактом, на основі чого було сформульовано вимоги для задання та контролю амплітуди радіальних відхилень валу в модельному трибовузлі та розроблено і виготовлено лабораторний прилад тертя з відповідними коливаннями контактного навантаження.
2. Вперше теоретично доведено та експериментально підтверджено суттєвий вплив величини радіального відхилення валу модельної трибопари на відтворюваність результатів при оцінці протизносних властивостей мастильних матеріалів та зносостійкість контактуючих поверхонь.
3. Вперше експериментально встановлено, що радіальні відхилення валу в певних межах роботи трибосистеми ковзання призводять до підвищення її зносостійкості.
Практичне значення одержаних результатів. Розроблено лабораторний прилад тертя, що моделює відповідні умови експлуатації деталей вузлів тертя ковзання та призначений для оцінки протизносних властивостей мастильних матеріалів та присадок до них при контрольованих значеннях радіальних відхилень валу модельної трибосистеми ковзання. Прилад відрізняється компактністю, простотою в експлуатації, забезпечує високу відтворюваність результатів, дозволяє моделювати широкий діапазон режимів роботи трибосистеми. Отримані результати випробувань мастильних матеріалів різного функціонального призначення при певних контрольованих рівнях радіальних відхилень створюють передумови для розширення функціональних можливостей реальних трибосистем та збільшення їх довговічності.
Практичне значення отриманих результатів підтверджено протоколами спільних випробувань з ВАТ „ЛуАЗ” (м. Луцьк) та центральним органом сертифікації нафтопродуктів „УЦАХ СЕПРО” (м. Київ).
Розроблений новий метод використовується в лабораторії „Новітніх триботехнологій" НАУ для проведення наукових досліджень, а також залучається як кваліфікаційний (факультативно) в УкрНДНЦ хімотології та сертифікації пально-мастильних матеріалів і технічних рідин (ПММ і ТР).
Особистий внесок здобувача. Основні результати отримані здобувачем особисто. Вибір наукової проблеми, постановка задач дослідження та обговорення одержаних результатів виконано спільно з науковим керівником Стельмахом О.У. У роботах [1,2,3,6] автором було отримано основні експериментальні дані. Лабораторний прилад тертя, який описано у роботі [5], спроектовано і виготовлено разом з провідним фахівцем Бондарем В.С.
Апробація результатів дисертації. Основні результати дисертаційної роботи доповідались на VI і VIII міжнародних науково-технічних конференціях „АВІА” (м. Київ, 2004 і 2006 рр.); були представлені на Міжнародній виставці „Триботех-2003” (м. Москва) та Міжнародному авіакосмічному салоні „АВІАСВІТ XXI ” (м. Київ, 2004р.)
Публікації. За результатами роботи опубліковано 6 статей у фахових наукових журналах та збірниках, 2 з яких виконано без співавторства.
Структура та обсяг дисертації. Робота складається із вступу, п’яти розділів, висновків, списку використаних публікованих джерел із 104 видань та семи додатків. Загальний обсяг дисертації 155 сторінок. З них – 111 сторінок основного тексту, 23 таблиці та 71 рисунок.
ОСНОВНИЙ ЗМІСТ
У вступі показано важливість досліджуваної проблеми, обґрунтовано її актуальність, мету та завдання дослідження, сформульовано наукову новизну отриманих результатів, зазначено практичне значення роботи.
У першому розділі показано, що проблема оцінки протизносних властивостей мастильних матеріалів потребує детального вивчення та аналізу функціональних властивостей сучасних мастильних середовищ та присадок до них, враховуючи режими роботи трибосистеми з метою створення коректних фізичних моделей процесу.
Проведено аналіз теоретичних публікацій та експериментальних даних Костецького Б.І., Крагельського І.В., Боудена Ф. і Тейбора Д., Аксьонова О.Ф., Пронікова А.С., Матвєєвського Р.М., Стельмаха О.У., які розкривають суть проблеми взаємодії контактуючих тіл.
Виходячи з позиції, що основна частина зразків, які використовуються в модельних трибовузлах випробувальних машин та приладів тертя, мають циліндричну форму, зроблено літературний аналіз похибок будови даного типу деталей. Вибрано радіальне биття циліндричних деталей як основний фактор, що впливає на процеси тертя та зношування поверхонь. Згідно з ГОСТ 24643 – 81, радіальне биття – це похибка обробки чи складання, що характеризується як різниця між найбільшим і найменшим відхиленням діаметра від точок реальної поверхні до базової осі обертання на величину ексцентриситету е в розрізі, перпендикулярному до цієї осі.
У ході виконання роботи ми оперуватимемо такими термінами та визначеннями: радіальне биття (похибка обробки чи складання), радіальні відхилення (числові значення допуску радіального биття на вибраний типорозмір деталі), радіальні коливання (коливання, що виникають при терті деталі виготовленої з відповідними радіальними відхиленнями).
Параметри контакту при неточностях виготовлення і посадок циліндричних деталей вивчалися Кузьменком А.Г., Чернцем М.В., Проніковим А.С., Юдіним К.М., Пслом С.В. При цьому фактор радіальних коливань, як один з основних показників точності деталей, розглядався неодноразово, але експериментальних даних практично нема.
Проведено аналіз існуючих лабораторних приладів, які призначені для лабораторних випробувань мастильних середовищ на тертя і зношування в режимі граничного змащування. Показано, що в лабораторних приладах тертя з лінійним контактом не передбачений апаратний контроль величин, які характеризують точність виготовлення та складання трибопари, зокрема радіальних відхилень контактуючих поверхонь валу.
Проаналізовано відомості про вторинні структури (ВС), які напрацьовані при різних режимах роботи трибосистеми.
Зроблено висновки та поставлені задачі дослідження.
У другому розділі з метою забезпечення відтворюваності початкових умов випробувань на тертя та зношування вибрано базові методики та експериментальні прилади, які залучались для проведення і контролю лабораторних трибодосліджень. Особливу увагу приділено вибору засобів вхідного контролю матеріалів, поверхонь, середовищ та засобів вимірювання для подальшої більш коректної обробки отриманих результатів.
Контроль фізико-хімічних властивостей матеріалів модельної пари тертя та дослідження напрацьованих вторинних структур було проведено на растровому електронному мікроскопі-мікроаналізаторі РЕМ106И. Фрактографічний аналіз поверхонь виконувався на мікроскопі МИМ–10. Напружений стан поверхонь тертя оцінювався рентгенографічним методом на установці ДРОН-3 у випромінюванні Cu-Кб. Контроль початкових параметрів шорсткості контактуючих поверхонь виконувався на лазерному скануючому профілографі-профілометрі ЛСПП-05. Мікротвердість поверхонь вимірювалась на мікротвердомірі Мікрон-Гамма. В’язкісно-температурні характеристики мастильних матеріалів контролювалися на приладі ГРАДІЄНТ–1. Вимірювання величини зносу поверхонь тертя було проведено на профілографі-профілометрі Калібр М-201.
Для вивчення протизносних властивостей мастильних матеріалів при радіальних коливаннях поверхонь модельної трибосистеми вибрано лабораторні прилади тертя з лінійним контактом ПТЛК(о), ПТЛК(р), ПТПЛК.
Деталі контактуючої пари було виготовлено із сталі ШХ15, як такої, що широко використовується у машинобудуванні, підшипниковій промисловості, при випробуваннях мастильних матеріалів та має відносно стабільний хімічний склад і механічні властивості незалежно від серії поставки.
Для розробки методу лабораторних триботехнічних випробувань при контрольованих величинах радіальних відхилень було обґрунтовано вибір спектра мастильних середовищ різного функціонального призначення.
У третьому розділі показано, що радіальне биття спричиняє радіальні коливання, що характеризуються амплітудою ∆х та залежать від величини радіальних відхилень д. При радіальних коливаннях робочої поверхні контрзразка контакт переміщується. При цьому виділено діапазон, де контакт стає рухомим (Аі – Бі ).
Виділяється чотири зони контактування. В зоні А контакт контрзразка 1 з плоским зразком 2 є максимально наближеним (товщина граничної плівки є мінімальною). Відстань між поверхнями 1 та 2 збільшується з наближенням контакту в зону Б. Товщина граничної плівки в зонах В і Г приблизно є однаковою і має деяке середнє значення між зонами А і Б.
Припускається, що в зонах Б,В,Г характер зношування буде однаковий (постійність контактних напружень, гарантований розподіл контактуючих поверхонь граничною плівкою). В зоні А характер зносу обумовлюється величиною радіальних відхилень. Графічно це можна представити як співвідношення кутів б і в. Кут б характеризує робочу поверхню контрзразка, що працює в режимі гарантованого змащування (в подальших трактуваннях назвемо це постійними умовами). Ділянка диска, позначена кутом в, працює під впливом радіальних коливань.
На підставі результатів проведених теоретичних досліджень та розрахунків було побудовано фізичну модель тертя валу при радіальних коливаннях контактуючих поверхонь у вигляді лабораторного приладу тертя ПТЛК(рв). Згідно з розробленою схемою, контрзразок 1 (модель валу) жорстко кріпиться на посадочній поверхні гнучкого валу 2, який конусною поверхнею К базується в порожнистому валу 3. Вал на двох конічних підшипниках 5 кріпиться в корпусі 6. Методом піджиму підшипників гайкою 4 вибирається мінімальне радіальне відхилення валу відносно осі обертання. Гнучкий вал виготовлено із сталі 50 ХФА, гартований на твердість 40 HRC. Це дозволяє максимально ефективно використовувати пружні властивості матеріалу. Піджимаючи гвинти 7, гнучкий вал деформується в місці виточки радіуса R і таким чином вибирається необхідне радіальне відхилення контрзразка 1. Контроль величини радіальних відхилень здійснювався індикатором годинникового типу 8 з ціною поділки 1 мкм.
Нерухомий плоский зразок 9 (модель втулки) кріпиться у ванночці 10, яка розміщена на штоку 11. Піджимаючи шток створюється необхідне контактне навантаження.
З метою
запобігання провертанню штока в процесі
тертя відносно направляючих 12 на його
поверхні передбачено виточки. Відхилення
штока відносно осі обертання
1мкм. Ванночка заповнюється досліджуваним
мастильним матеріалом. Гвинтами 13
вибирається перпендикулярність поверхні
плоского зразка відносно осі штока та
паралельність відносно утворюючої
циліндр контрзразка,
забезпечуючи таким чином постійність
контактних напружень.
Вузли тертя пристосовані для моделювання величин радіальних відхилень валу в межах допуску на вибраний діаметр контрзразка. Прилад оснащено системами контролю та автоматичної підтримки частоти обертання.
Технічні характеристики приладу тертя ПТЛК(рв)
Швидкість обертання м/с ......................................................................0 – 1
Похибка регулювання частоти обертання ,%......................................... ≤ 1
Максимальне контактне навантаження, Н .......................................... 3500
Контрольована температура досліджуваного середовища, оС ...-10 + 300
Похибка вимірювання температури досліджуваного середовища, оС ... 2
Діапазон задання можливих величин радіальних відхилень, мкм 0 – 500
Методика контролю амплітуди радіальних коливань полягає у контролі величин радіальних відхилень індикатором годинникового типу 8 з ціною поділки 1 мкм, жорстко закріпленим у магнітній державці та встановленим заокругленим наконечником, доведеним до високого класу чистоти, на робочу поверхню контрзразка 1.
Метод, реалізований на машині тертя, полягає у дослідженні протизносних властивостей конструкційних і мастильних матеріалів на лабораторному приладі тертя ПТЛК(рв), що дозволяє реалізовувати режим граничного тертя при контрольованих величинах радіальних відхилень контактуючих поверхонь.
Реальні трибосистеми типу „вал-втулка” залежно від класу точності виготовляються з відповідними радіальними відхиленнями. При цьому траєкторія руху валу буде подібною до траєкторії кулачкових механізмів, а початкова фактична площа контакту буде постійно змінюватись із амплітудою радіальних коливань ∆х на величину відхилення д.
Структурний стан поверхонь, що працювали при різних амплітудах радіальних коливань та напрацьовані вторинні структури будуть залежати від контактних температур та навантажень і відрізнятимуться між собою. Загальний вигляд поверхонь тертя з напрацьованими ВС при випробуваннях масла МС-20 по базовій методиці досліджених на РЕМ 106И наведено на рис. 9 та рис. 10. Поверхні відрізняються між собою за мікрорельєфом.
Фрактографічний аналіз поверхонь тертя було проведено за допомогою оптичного мікроскопа МИМ-10. У випадку тертя контрзразка з радіальними відхиленнями 120±1,5 мкм спостерігається утворення неявно вираженої карбідної сітки з включеннями вторинних структур. Найхарактернішим тут стало зародження тріщин 2 – результат втомного руйнування, яке наступає під дією повторних циклічних навантажень.
Для оцінки протизносних властивостей мастильних матеріалів випробувань на машині тертя ПТЛК(рв) ми розробили спеціальну експрес-методику випробувань при радіальних коливаннях валу з урахуванням властивостей вторинних структур. З цією метою було визначено кількість припрацьовочних етапів для змащувальних середовищ типу низькомолекулярні вуглеводневі середовища та масла. Напрацювання квазістабільних вторинних структур було оцінено за критеріями стабілізації лінійного зношування та об’ємної температури досліджуваного середовища. Для низькомолекулярних вуглеводневих середовищ (авіагаси, палива), а також масел з низькими в'язкісними характеристиками, вибрані критерії стабілізувались на другому і третьому етапах.
Радіальні коливання на припрацьовку поверхонь та формування метастабільних вторинних структур впливають несуттєво. Тому розроблена експрес-методика випробувань мастильних матеріалів різного функціонального призначення є чотирьохетапною при випробуваннях мастильних середовищ з низькими протизносними властивостями та п’ятиетапною при дослідженні високоефективних середовищ (останній етап в обох випадках, необхідний для довготривалої оцінки напрацьованих вторинних структур, становить 3000 м шляху).
У четвертому розділі визначено вплив амплітуди радіальних коливань на зношування поверхонь. Для цього було проведено випробування різних мастильних матеріалів за розробленою експрес-методикою при відповідних величинах радіальних відхилень контрзразка.
При взаємному контактуванні пари ШХ15–ШХ15 в середовищі ТС-1 прослідковується залежність збільшення величини зношування із збільшенням величин радіальних відхилень, а в середовищі масел наявні амплітуди радіальних коливань, за яких зносостійкість поверхонь є вищою порівняно з тертям із мінімальними амплітудами.
При терті пари ШХ15–БрАЖ10 в різних середовищах прослідковується залежність збільшення величини зношування зі збільшенням величин радіальних відхилень.
Вплив амплітуди радіальних коливань на зношування поверхонь визначено для пари тертя ШХ15–ШХ15 в мастильних середовищах різного функціонального призначення (авіагаси, палива, масла моторно-трансмісійної групи).
При випробуваннях мастильних середовищ з різними експлуатаційними властивостями на машині тертя ПТЛК(рв) було отримано закономірності впливу амплітуди радіальних коливань на інтенсивність зношування поверхонь тертя, які полягають у наступному:
у середовищах з низькими протизносними властивостями інтенсивність зношування збільшується з ростом амплітуди радіальних коливань;
у середовищах високоефективних масел існують амплітуди радіальних коливань, за яких інтенсивність зношування є меншою порівняно з тертям при амплітудах, що наближаються до нуля.
Дослідження тонкої структури поверхонь тертя, що працювали з різними амплітудами радіальних коливань, проведено рентгенографічним методом на установці ДРОН-3. Сукупне використання математичних методик обробки кривих фізичного розширення (методи апроксимації, Стокса, гармонічного аналізу) дозволили одержати достовірну інформацію про розміри блоків когерентного розсіювання, мікронапруги (рис.17), густину дислокацій.
За чітко контрольованих мінімальних величин амплітуди радіальних коливань похибка відтворюваності результатів на лабораторних приладах тертя з лінійним контактом одностороннньої дії ПТЛК(о), ПТПЛК, ПТЛК(рв) не перевищувала 10% та майже в 3 рази була меншою (20,1%) на ПТЛК(р), порівняно із випробуваннями без контролю радіальних коливань.
Використовуючи отримані результати, було розроблено метод оцінки протизносних властивостей мастильних матеріалів за радіальних коливань трибосистеми, який базується на випробуваннях мастильних матеріалів на лабораторному приладі тертя ПТЛК(рв) у широкому діапазоні швидкостей (0-1 м/с) та контактних навантажень (1-3500 Н). Метод передбачає вхідний контроль матеріалів, поверхонь, середовищ з метою зменшення похибки, що припадає на початкові умови.
Суть методу:
випробування середовищ та присадок до них за чітко контрольованих величин радіальних відхилень для зменшення похибки випробувань;
- підбір масел та високоефективних присадок для трибосистем ковзання з метою підвищення їх довговічності, моделюючи умови їх роботи шляхом задання необхідних контрольованих величин радіальних відхилень деталей модельної трибопари.
У п’ятому розділі, використовуючи розроблені метод та методики дослідження процесів зношування при контрольованих амплітудах радіальних коливань трибосистеми, оцінено протизносні властивості мастильних середовищ моторно-трансмісійної групи.
Для оцінки протизносних властивостей масел були вибрані середовища з різними в'язкісно-температурними характеристиками вітчизняного виробництва та виробництва Республіки Корея, що використовуються як комплектуючі до автомобілів ВАЗ, КІА та Hundai на ВАТ „ЛуАЗ”. Випробування проводились на зразках із сталі ШХ15 з HRC 62..64, R>а> менше 0,02 та осьовому навантаженні 1100 Н при контрольованих значеннях амплітуди радіальних коливань на ПТЛК(рв). В’язкісно-температурні характеристики масел (рис.18) визначались на приладі ГРАДІЄНТ – 1 за стандартною методикою.
Результати оцінки масел (рис. 19) за розробленим методом за критерієм лінійного зношування показують, що в’язкісно-температурні характеристики не відбивають реальні протизносні властивості масел (протокол спільних випробувань на ВАТ „ЛУАЗ”), як прийнято у класичній трибології.
У додатках приведено протоколи спільних випробувань з УЦАХ-СЕПРО та ВАТ “ЛуАЗ”; акт впровадження у випробувальному центрі УкрНДНЦ хімотології та сертифікації ПММ і ТР; результати оцінки напруженості випробовуваних поверхонь.
ВИСНОВКИ
У роботі виконано теоретичні й експериментальні дослідження, пов’язані з впливом величини амплітуди радіальних коливань поверхонь на поведінку трибосистем ковзання типу “вал-втулка”, що дозволило вирішити науково-прикладну задачу, створивши достовірний метод випробувань мастильних матеріалів за їх основними експлуатаційними властивостями – протизносними.
1. Проаналізовано роботи відомих учених, виконані в цьому напрямку, на основі яких було виявлено недостатньо висвітлені сторони вибраної проблеми, сформульовано мету та поставлено завдання дослідження.
2. Розглянуто методи та методики випробувань на тертя та зношування, прилади для контролю та вимірювання необхідних трибологічних параметрів модельної трибосистеми, в результаті чого для проведення даного дослідження було вибрано необхідне експериментальне обладнання, базову методику випробувань, обґрунтовано вибір випробовуваних конструкційних та мастильних матеріалів.
3. Виготовлено принципово новий прилад тертя з лінійним контактом, технологічні можливості якого дозволяють проводити дослідження мастильних матеріалів різного функціонального призначення при контрольованих амплітудах радіальних коливань поверхонь, що забезпечує коректність випробувань та відтворюваність результатів, передбачає можливість встановлення і контролю радіальних відхилень деталей у реальних діапазонах.
4. Розроблена методика задання та контролю радіальних відхилень утворюючої циліндр валу модельної трибосистеми “вал-втулка”, яка дозволяє проводити експериментальні дослідження мастильних матеріалів і присадок до них на лабораторному приладі тертя ПТЛК(рв) в широкому діапазоні амплітуд радіальних коливань. Експрес-методика випробувань мастильних матеріалів з різними експлуатаційними властивостями є чотирьохетапною при випробуваннях мастильних середовищ з низькими протизносними властивостями та п’ятиетапною при дослідженні високоефективних середовищ.
5. Теоретично обґрунтовано фізичну суть тертя ковзання при радіальних коливаннях модельного валу. Виявлено можливість підвищення зносостійкості трибосистеми ковзання при збільшенні амплітуди радіальних коливань та видом змащувального середовища.
6. Стан трибоповерхонь, що працювали при різних величинах амплітуди радіальних коливань та інших рівних умовах на приладі тертя ПТЛК(рв), оцінений за критеріями лінійного зносу та об’ємної температури досліджуваного середовища, рівномірністю напрацювання вторинних структур та напруженістю поверхонь тертя принципово відрізняється між собою:
- лінійний знос поверхонь тертя є більшим при радіальних відхиленнях ±1,5 мкм порівняно з 50±1,5 мкм;
- загальний вигляд поверхонь тертя, досліджений на РЕМ 106И, показує, що структура поверхонь та напрацьовані вторинні структури є більш рівномірними при радіальних відхиленнях 50 ±1,5 мкм порівняно з ±1,5 мкм;
- напруженість поверхонь тертя та густина дислокацій, досліджені на ДРОН-3, при радіальних відхиленнях 50±1,5 мкм порівняно з ±1,5 мкм, є дещо вищими, що пояснює покращення їх трибологічних властивостей;
це дозволяє прогнозувати підбір оптимальної величини радіальних відхилень для підвищення зносостійкості трибосистем.
7. Досліджено тенденцію зміни зносостійкості поверхонь при випробуванні мастильних матеріалів різного функціонального призначення з контрольованими амплітудами радіальних коливань, в результаті чого:
- показано, що існує оптимальний діапазон величин радіальних відхилень, за яких доцільно випробовувати мастильні матеріали;
- виявлено межі радіальних відхилень, за яких спостерігається підвищення зносостійкості поверхонь тертя;
- отримано закономірності впливу амплітуди радіальних коливань на інтенсивність зношування поверхонь тертя.
8. Розроблено метод оцінки протизносних властивостей мастильних матеріалів різного функціонального призначення, який апробовано на ВАТ „ЛуАЗ” та використовується для оцінки нафтопродуктів в Укр НДНЦ хімотології і сертифікації пально-мастильних матеріалів і технічних рідин (ПММ і ТР).
СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ
1. Селезньов Е.Л., Шимчук С.П. Про підвищення зносостійкості поверхонь тертя деталей машин // Сільськогосподарські машини: Зб. статей, вип. 11. – Луцьк, 2003. – С.107-109.
Автором проведено літературний пошук за поставленою проблемою. Виявлено недостатньо висвітлені сторони та запропоновано можливі нові рішення.
2. Аксьонов О.Ф., Стельмах О.У., Макаркін С.М., Шимчук С.П. Експериментальна оцінка можливості використання стальних спряжень у черв’ячних парах при безадгезійному терті // Науково-технічна конференція “АВІА-2004”. – Київ: НАУ, 2004.
Автором проаналізовано сучасний стан проблеми, отримано основні експериментальні дані.
3. Стельмах О.У., Шимчук С.П. Експериментальна оцінка можливості використання стальних спряжень у черв’ячних парах при безадгезійному терті // Вісник НАУ. – 2004. – № 3. – С.20-22.
Автором отримано основні експериментальні дані. Проаналізовано можливість використання явища безадгезійного тертя в черв’ячних парах з метою підвищення крутного моменту при сталих габаритних розмірах.
4. Шимчук С.П. Вплив радіальних відхилень розмірів валу на зносостійкість трибосистеми ковзання // Міжвузівський збірник “Наукові нотатки”: Зб. статей. – Луцьк, 2005. – С.315-320.
5. Шимчук С.П. Удосконалення сучасної експериментально-методичної бази для дослідження трибосистем ковзання в нестаціонарних умовах // Вісник НАУ. – 2005. – С.129-131.
Лабораторний прилад тертя, який описано у роботі, спроектовано і виготовлено з безпосередньою участю провідного фахівця Бондаря В.С. та інженера Антонова В.С.
6. Аксьонов О.Ф., Стельмах О.У., Шимчук С.П., Коба В.П., Джамаль Ібрагім Мансур. Методологія визначення протиспрацьовувальних властивостей мастил за критеріями трибохарактеристик утворюваних у них вторинних структур // Вісник НАУ. – 2006. – № 2(28) – С.62-64.
Автором отримано основні експериментальні дані. Розроблено методику експрес-випробувань мастильних матеріалів. Вибрано та експериментально обґрунтовано критерії утворення метастабільних вторинних структур
АНОТАЦІЯ
Шимчук С.П. Метод дослідження протизносних властивостей мастильних матеріалів при радіальних коливаннях валу. – Рукопис.
Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.02.04 – Тертя та зношування в машинах. – Національний авіаційний університет, Київ, 2008.
У роботі вивчаються протизносні властивості мастильних матеріалів при радіальних коливаннях контактуючих поверхонь трибосистеми. Для цього було спроектовано та виготовлено лабораторний прилад тертя з лінійним контактом та можливістю зміни амплітуди коливань за рахунок задання необхідних радіальних відхилень утворюючої циліндр валу. Технологічні можливості приладу дозволяють випробовувати протизносні властивості широкого спектра мастильних матеріалів.
Встановлено, що радіальні коливання контактуючих поверхонь суттєво впливають на відтворюваність результатів при оцінці протизносних властивостей мастильних матеріалів. Теоретичне обґрунтування фізичної природи процесу показує можливість підвищення зносостійкості трибоповерхонь за рахунок зменшення сили тертя та активного відводу теплоти з зони контакту за відповідної амплітуди радіальних коливань.
Використовуючи розроблений метод оцінки протизносних властивостей мастильних матеріалів, виявлено закономірності впливу величини радіальних відхилень валу модельної трибосистеми на зносостійкість контактуючих поверхонь та протизносні властивості мастильних матеріалів. Оцінено протизносні властивості вибраних масел моторно-трансмісійної групи.
Ключові слова: тертя, зношування, мастильні матеріали, протизносні властивості, контактуючі поверхні, триботехнічні випробування, радіальні відхилення, радіальні коливання.
АННОТАЦИЯ
Шимчук С.П. Метод исследования противоизносных свойств смазывающих материалов при радиальных колебаниях вала. – Рукопись.
Диссертация на соискания ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.02.04 – трение и износ в машинах. – Национальный авиационный университет, Киев, 2008.
В работе изучаются противоизносные свойства смазывающих материалов при радиальных колебаниях контактирующих поверхностей трибосистемы скольжения. Для этого было спроэктированно и изготовленно лабораторный прибор трения с линейным контактом ПТЛК(рв). Конструктивные особенности экспериметальной установки разрешают изменять и контролирувать амплитуду радиальных колебаний путем изменения и контроля индикатором часового типа с ценой деления 1 мкм радиальных отклонений образующей цилиндр контробразца (модельного вала). Технологические возможности прибора трения предусматривают испытание широкого спектра смазывающих сред с разными триботехническими свойствами.
Розработано многоэтапную методику испытаний противоизносных свойств смазывающих сред при радиальных колебаниях вала с учетом свойств, образованных при трении вторичных структур. Методика предусматривает три кратковременных этапа по 500 м пути трения (для приработки поверхностей трения и наработки метастабильных ВС) при испытаниях низкомолекулярных углеводородных сред и четыре этапа при испытаниях высокоэфективных масел. Последний, более длительный етап (3000 м) предназначен для испытаний смазывающих сред с учетом приработки трибосистемы к условиям трения.
Теоретическое обоснование физической природы трения при радиальных колебаниях раскрывает возможность повышения долговечности трибопар за счет уменьшения силы трения и активного отвода теплоты с зоны контакта. Анализ поверхностей трения при разных амплитудах радиальных колебаний показывает их принципиальное отличие по микрорельефу.
Было определено, что испытывать смазывающие среды целесообразно в определенном диапазоне радиальных колебаний. Проведенные исследования показывают, что существуют величины радиальных отклонений, при трении с которыми в среде высокоэфективных масел повышается износостойкость поверхностей трения. Установлена зависимость интенсивности изнашивания от амплитуды радиальных колебаний. Показано, что радиальные колебания поверхностей трения существенно влияют на воспроизводимость результатов при оценке противоизносных свойств смазывающих сред.
Используя разработанный метод оценки противоизносных свойств смазывающих сред, определено зависимости влияния радиальных отклонений вала модельной трибосистемы скольжения на изосостойкость контактирующих поверхностей. Определено противоизносные свойства типових представителей масел моторно-трансмисионной группы.
Практическое значение полученных результатов подтверждается протоколами совместных испытаний с ОАО “ЛуАЗ” (г. Луцк) и центральным органом сертификации нефтепродуктов “УЦАХ СЕПРО” (г. Киев). Разработанный метод используется для проведения испытаний смазывающих сред, как квалификационный (факультативно) в УкрНИНЦ химотологии и сертификации горюче-смазочных материалов и технических жидкостей (г. Киев).
Ключевые слова: трение, изнашивание, смазывающие среды, противоизносные свойства, контактирующие поверхности, триботехнические испытания, радиальные отклонения, радиальные колебания.
ABSTRACT
Shimchuk S.P. The method of researching the antiwear properties of lubricants at radial oscillations of a shaft. - Manuscript.
The dissertation on competition of a scientific degree of Cand.Tech.Sci. on a speciality 05.02.04 - Friction and wear in machines. - National aviation university, Kiev, 2008.
The antiwear properties of lubricants at radial oscillations of contacting surfaces of tribosystem are investigated in the dissertation. For this purpose the laboratory device of friction with a linear contact and a capability of replacement of oscillation frequency due to the task of necessary radial deviations forming the cylinder of a shaft has been designed and produced. Technological capabilities of the device allow to test the antiwear properties of a wide spectrum of lubricants.
It is set, that radial oscillations of contacting surfaces essentially influence reproducibility of results at an estimation of the antiwear properties of lubricants. The theoreical sub>stantiation of the physical nature of process shows a capability of increase of wear resistance of the tribosurfaces due to decreasing of friction force and active removal of heat from a zone of a contact at the determined amplitude of radial oscillations.
Using the developed method of an estimation of the antiwear properties of lubricants, laws of influence of value of radial deviations of a shaft of modelling tribosystems on wear resistance of contacting surfaces and antiwear properties of lubricants are determined. The antiwear properties of the chosen oils of motor and transmission groups are estimated.
Keywords: friction, wea, lubricants, the antiwear properties, contacting surfaces, tribotechnical tests, radial deviations, radial oscillations.