Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Эксплуатационные материалы. Лабораторный практикум
.pdf
Самой тонкой пленкой применительно к смазке является пленка толщиной в
одну молекулу. Поэтому лабораторные исследования граничного трения
обычно проводятся с телами, трущиеся поверхности которых покрыты
мономолекулярным слоем смазки.
Толщина пленки определяется в первую очередь общей формой
поверхности и ее шероховатостью. Даже самые совершенные из существующих
методов механической обработки не дают абсолютно ровной и гладкой
поверхности. На практике вес образца, лежащего на плоскости, не
распределяется равномерно по всей площади основания образца, а передается и
воспринимается многочисленными отдельными микровыступами, имеющимися
на обеих поверхностях. Как показал эксперимент, истинная площадь контакта
может быть в тысячу раз меньше площади основания образца.
Очевидно, что смазочная пленка (между исследуемым образцом и
плоскостью), толщина которой несколько больше максимальной высоты
выступов, будет полностью разделять две трущиеся поверхности. В случае
поверхностей, обработанных по высшему классу чистоты, это условие
выполняется при толщине пленки порядка 50–70 мкм и тогда контактная пара
ведет себя в соответствии с законами гидродинамики (см. ниже «Жидкостное
трение»). Однако в режиме граничного трения смазочная пленка слишком
тонка, чтобы она могла обеспечить полное разделение трущихся поверхностей.
Самые высокие выступы обеих поверхностей при движении задевают друг за
друга. При этом локальное контактное давление может быть столь большим,
что возможна деформация материала. Интенсивность выделения энергии на
микро участках деформации нередко бывает такой, что происходят
высокотемпературные вспышки частиц материала.
В режиме сухого или граничного трения противолежащие выступы
контактирующих поверхностей трутся друг о друга и изнашиваются. По
степени и характеру фрикционный износ может варьироваться в широких
пределах от желательного (специальная операция тонкого полирования –
притирки – в контролируемых условиях) до истирания, заедания и разрушения.
Если пока не учитывать влияния химического состава смазочного
материала
, то можно представить себе несколько упрощенный механизм износа
контактной пары, работающей в условиях граничного трения. В точках
локального контакта возникают напряжения сдвига, превышающие предел
упругости, а температура материала повышается. Происходит срыв материала с
верхушек выступов, аиз-за своей ограниченной подвижности соседние
молекулы смазки не успевают
закрыть обнажившиеся участки контактной
поверхности, они остаются чистыми и химически активными. В результате
образуются и при дальнейшем движении тут же разрушаются многочисленные
мостики микросварки двух соприкасающихся поверхностей. При этом
механическая энергия движения преобразуется в тепловую с повышением
температуры поверхности. Разрыв мостиков микросварки дополнительно
приводит к локальному резкому и значительному повышению
температуры. В
результате начинается химическое разложение смазки с образованием окислов,
31
карбидов и смолистых отложений и медленно, но неуклонно снижается
качество смазки. Ухудшение состояния поверхностей трения ускоряется из-за
абразивного действия множества оторвавшихся частичек материала контактной
пары. Все эти эффекты приводят к общему усилению трения, увеличению
энергетических затрат и интенсификации износа.
Очевидно, что работа машин и механизмов в условиях граничного трения
крайне нежелательна по двум причинам: из-за потерь энергии и из-за риска
отказа трущихся элементов вследствие неизбежного их изнашивания. Для
эффективной работы системы (с небольшим трением и без износа) необходимо,
чтобы трущиеся элементы были всегда и полностью разделены слоем смазки
при их движении и полностью разделены в период отсутствия движения.
4.2.3. Жидкостное трение
О режиме жидкостного трения можно говорить, когда движущиеся
поверхности полностью разделены толстой пленкой смазки и
непосредственный контакт элементов пары отсутствует. Трение в этом случае
сводится к вязкостному сопротивлению в самом слое смазки, обусловленному
сдвигом соседних слоев пленки, т.е. к внутреннему трению. Пока такая жидкая
пленка цела, материал движущихся поверхностей и их шероховатость не имеют
значения. От жидкой пленки требуется, чтобы она прилипала к движущимся
поверхностям, т.е. чтобы не было проскальзывания смазки относительно
поверхностей.
Вязкость. Вязкость жидкости определяется соотношением, которое
экспериментально установил И.Ньютон. Если пространство между двумя
горизонтальными параллельными пластинами заполнено жидкостью и меньшая
верхняя пластина
движется с постоянной скоростью, тогда как нижняя остается
на месте, то выполняется равенство
где F – сила, необходимая для поддержания равномерного движения пластины,
А – площадь поверхности, и V – скорость верхней пластины, h – толщина
жидкой пленки между пластинами и μ – коэффициент пропорциональности,
называемый абсолютной (динамической) вязкостью. В системе единиц СИ
абсолютная вязкость измеряется в пуазах. Таким образом, пуаз (Пз)
определяется как сила в ньютонах, необходимая для того, чтобы
пластинка
площадью 1 двигалась с постоянной скоростью 1 см/с параллельно плоскости,
расположенной на расстоянии 1 см от нее. На практике чаще пользуются в сто
раз меньшей единицей (сПз). Вязкость, выраженную в сантипаузах, обычно
обозначают буквой z. Вязкость воды при 20° С почти точно равна 1 сПз.
(Название «пуаз» дано в честь французского физика Жана Пуазейля.) В
нефтяной промышленности для вязкости принята условная шкала «секунд
32
Сейболта», соответствующая скорости течения исследуемой жидкости по
капиллярной трубке стандартного диаметра. Прибор для таких измерений
называется универсальным вискозиметром Сейболта.
Таким образом, с одной стороны, вязкость, как внутреннее трение,
является причиной выделения тепла и потерь энергии, а с другой – она
позволяет жидкой пленке смазочного материала удерживать нагрузку.
4.3. Особенности трибологических испытаний смазочных
материалов
Трибологические испытания смазочных материалов проводятся для
оценки их способности предотвращать заедание подвижных фрикционных
сопряжений, уменьшать в них потери на трение и снижать износ пар трения.
Эти испытания проводятся согласно правилам, существующим в нашей стране,
в процессе оценки уровня эксплуатационных свойств горючих и смазочных
материалов, как при разработке новых масел и пластичных смазок, так и при
испытании композиций, ранее известных, но полученных из нового сырья, с
другими компонентами или по измененной технологии. Полученные
результаты, как и результаты оценки других эксплуатационных (атакже
физико-химических и экологических) свойств смазочных материалов
позволяют принять обоснованное решение о допуске данного продукта к
применению или о
необходимости проведения последующих
эксплуатационных испытаний. Наиболее полно трибологические (атакже
эксплуатационные) свойства смазочных материалов можно оценить
непосредственно на натурных агрегатах (полноразмерных двигателях,
редукторах, насосах и т.д.) в процессе их длительной работы по специальной
программе, отражающей условия эксплуатации машин и механизмов. Однако
такой подход на современном уровне развития техники не
всегда целесообразен
вследствие не только и не столько из-за значительной затраты материалов и
средств при таких испытаниях, но и вследствие их большой длительности, что
недопустимо затягивает сроки допуска новых смазочных материалов к
эксплуатации
.
К настоящему времени разработаны ускоренные методы испытаний на
модельных установках, стендах и натурных агрегатах, позволяющие за
максимально
короткие испытания получить достаточно надежную оценку
каждого из важнейших эксплуатационных свойств смазочных материалов, в
том числе трибологических свойств. Такие ускоренные методы испытаний
отдельных эксплуатационных свойств смазочных материалов получили
название квалификационных. Поскольку каждый квалификационный метод
оценивает в принципе лишь одно (иногда несколько) эксплуатационное
свойство смазочного материала, для всесторонней оценки уровня
эксплуатационных
свойств исследуемого продукта применяют специальный
набор таких методов, называемых комплексами методов квалифицированной
оценки качества смазочных материалов.
33
Втожевремя, вследствие того, что в различных узлах трения смазочные
материалы работают в разных условиях и для различных групп смазочных
материалов, могут иметь значение разные эксплуатационные характеристики,
для каждой из этих групп предусмотрен свой специальный комплекс методов
квалифицированной оценки качества. Но и в каждой из групп смазочных
материалов оценка качества одним простым методом не всегда достаточно
представительна. Так, моторное масло смазывает узлы трения, в которых имеет
место как гидродинамический (подшипники коленчатого вала, середина пути
поршня в цилиндре), так и эластогидродинамический (шестерни привода
агрегатов, детали механизма привода клапанов) и граничный (район твердых
точек в цилиндропоршневой группе и др.) режимы смазки. Поэтому для
надежной оценки трибологических свойств моторных масел не ограничиваются
оценкой их на лабораторной машине трения.
Устройства для оценки трибологических характеристик смазочных
материалов включают узлы трения, рабочими элементами которых могут быть
как стандартные детали, так и детали, специально изготовленные для таких
испытаний. Однако во всех случаях все сравнимые смазочные материалы
испытываются на идентичных парах трения, и в идентичных условиях, так что
сравнение результатов испытаний исследуемых и контрольных смазочных
материалов не вызывает затруднений. Если методика испытаний не может
гарантировать идентичность начальных условий, то проводят параллельные
испытания опытного и контрольного смазочного материалов для обеспечения
корректности сравнения результатов. Методика испытаний позволяет по
результатам измерения
износа пар трения или по другим выходным
характеристикам процесса испытания (например, по заеданию узла трения)
судить о трибологических характеристиках смазочных материалов в
стандартных условиях. Таким образом, хотя эти испытания являются чисто
сравнительными, корректно выбранная последовательность используемых
методов и корректность самих методов, подтвержденные многолетней
практикой, дают возможность достаточно надежно оценить уровень качества
данного смазочного материала.
На начальном этапе трибологических испытаний способность смазочных
материалов уменьшать износ пар трения и предотвратить их заедание
оценивается на установках, осуществляющих трение тел простой формы
(шаров, плоских брусков, цилиндров и т.д.) в стандартных условиях на
несложных лабораторных установках малой мощности, требующих для
испытания минимальное количество опытного смазочного
материала. В
отечественных комплексах методов квалифицированной оценки качества
смазочных материалов и в ряде зарубежных спецификаций для этой цели
применяется метод оценки смазывающих свойств масел и пластичных смазок
на четырехшариковой машине (рис. 4.2.). В этой лабораторной установке
стандартный (и поэтому идентичный всем другим подобным шарикам по
составу, так и по структуре, качеству
обработки и т.д.) шарикоподшипниковый
шарик из стали ШХ-15 диаметром 12,7 мм зажат в шпинделе машины,
34
вращающемся с частотой 1470 мин-1. К этому шарику под заданной нагрузкой
прижимают три неподвижных шарика, сложенных треугольником в плоскости,
перпендикулярной оси шпинделя, и помещают в чашку с исследуемым
смазочным материалом. Вращающийся шарик вытирает на контактирующих с
ним участках рабочих поверхностей неподвижных шариков лунки (так
называемые пятна износа), по средней величине которых судят о влиянии
смазочного материала на износ шаров при данной нагрузке.
Рис. 4.2. Схема четырёхшариковой машины трения, применяемой для оценки
противоизносных и противозадирочных свойств жидких и пластичных смазочных
материалов.
Существует два основных метода испытаний на такой машине. Первый из
них связан с оценкой противоизносных свойств смазочных материалов и
заключается в проведении испытаний при постоянной нагрузке в течение 60
мин с измерением после окончания испытания среднего диаметра пятна износа.
Чем меньше этот диаметр, тем выше противоизносные свойства смазочного
материала.
Второй метод
позволяет оценить противозадирные свойства смазочного
материала и заключается в серии определений диаметров пятен износа на
нижних шарах при ступенчато возрастающей нагрузке на узел трения при
продолжительности испытания при каждой нагрузке 10 с. О противозадирных
свойствах смазочных материалов судят по величинам критической нагрузки P
кр
– осевой нагрузки на узел трения, при превышении которой наблюдается резкое
увеличение пятна износа вследствие разрушения смазочного слоя,
разделяющего трущиеся поверхности, и по величине P
– нагрузки, при
св
превышении которой имеет место сваривание шариков и величина которой
характеризует предельную способность смазочного материала предотвратить
задир. Чем выше значения критической нагрузки и нагрузки сваривания, тем
выше противозадирная стойкость исследуемого смазочного материала.
35
Кроме того, методика испытаний смазочных материалов на
четырехшариковой машине предусматривает оценку трибологических свойств
смазочных материалов с помощью комплексного критерия – индекса задира И
представляющего собой относительную нагрузку Q, осредненную по всему
интервалу использованных при испытании нагрузок от начальной до P
образом: Q = Pd
, здесь P – осевая нагрузка, dии dr – соответственно: средний
r/dи
. Таким
св
диаметр пятна износа и диаметр площадки по Герцу при нагрузке P.
Индекс задира И
= (1/n)∑Qiгде n – количество испытаний;) ∑Qi – сумма
з
величин относительных нагрузок от начальной до предшествующей P. Чем
больше величина И
, тем выше потивоизносные свойства смазочного материала
з
при жестких условиях нагружения (так как при P < Pкрдиаметр пятна износа d
мало отличается от dr, а на величину Изнаибольшее влияние оказывают
значения d
при нагрузках, превышающих Pк, когда dи > dr.
и
4.4. Подготовка к проведению работы
1. Подготовить шарики, применяемые при испытаниях, в соответствии с
ГОСТ 9490-75 (Шарики (12,70±0,01) мм – 10, 16 или 20 по ГОСТ 3722 из стали
ШХ – 15 по ГОСТ 801).
2. Отсоединить тягу от рукоятки корпуса.
3. Перевести рычаг подпорки 4 в верхнее положение, освободив тем
самым узел трения от осевой нагрузки.
4. Вынуть подставку
2, снять корпус 1 и разобрать его.
5. Все детали, соприкасающиеся со смазочным материалом во время
испытаний, промыть бензином или бензолом, а затем просушить на воздухе.
6. Поворачивая входящим в комплект машины торцевым ключом
эксцентриковый валик так, чтобы стрелки на его торцах были направлены вниз,
выдавить цангу из вала, промыть её
бензином или бензолом, а затем просушить
на воздухе.
7. Вставить в цангу 3 шарик и установить цангу в вал машины.
8. Поворачивая входящим в комплект машины торцевым ключом
эксцентриковый валик так, чтобы стрелки на его торцах были направлены вниз,
выдавить цангу из вала, промыть её бензином или бензолом, а затем
просушить
на воздухе.
9. Вставить в цангу 3 шарик и установить цангу в вал машины.
10. Установить корпус на штифты, запрессованные в плиту машины,
вставить в него три шарика и кольцо, залить смазочный материал так, чтобы
шарики были полностью покрыты им (при испытании пластичного смазочного
материала его наносят шпателем, не допуская
пустот), после чего, входящим в
комплект машины рожковым ключом затянуть накидную гайку.
11. Установить корпус 1 в машину и поставить подставку 2 на место.
12. Перевести рычаг подпорки в нижнее (рабочее) положение.
13. Установить гиредержатель 5 на соответствующее деление рычага 6 в
зависимости от требуемой величины осевой нагрузки (в соответствие с
приложением), после чего поставить на гиредержатель 5 необходимый набор гирь.
,
з
и
36
14. Проверить горизонтальность рычага 6 и в случае необходимости
произвести регулировку длины толкателя.
15. Накинуть тягу на крючок рукоятки корпуса 1.
16. Закрыть защитный кожух.
Рис. 4.3. Общий вид четырёхшариковой машины трения (ЧМТ-1):
где 1 – корпус; 2 – подставка; 3 – цанга; 4 – рычаг подпорки;
5 – гиредержатель; 6 - рычаг
37
4.5. Проведение испытаний
4.5.1. Определение критической нагрузки
При определении критической нагрузки проводят ряд последовательных
определений с убывающими или возрастающими нагрузками в соответствии с
рядом нагрузок 6.1, максимально приближенными к предполагаемой
критической нагрузке.
Затем, используя ряд нагрузок 6.2., устанавливают критическую нагрузку.
Проводят два последовательных испытания.
Критической считают нагрузку (Р
) вН (кгс) , при которой средний
к
диаметр пятен износа нижних шариков находится в пределах значений
предельного износа (d
± 0,15) для данной нагрузки и увеличение которой до
1
величины последующей нагрузки вызывает увеличение среднего диаметра
пятен износа на величину более 0,1 мм.
Результат заносят в протокол испытаний (пункт 4.5.1.)
4.5.2. Определение индекса задира
При определении индекса задира испытание начинают с начальной
нагрузки 196 Н (20 кгс). Последующие определения проводят с
возрастающими нагрузками в соответствии с
рядом нагрузок 6.1 до нагрузки
сваривания.
Индексом задира (И
) считают величину в Н (кгс), вычисленную согласно
з
протоколу испытаний 4.5.2.
4.5.3. Определение нагрузки сваривания
При определении нагрузки сваривания проводят ряд последовательных
определений с убывающими или возрастающими нагрузками в соответствии с
рядом нагрузок 6.1, максимально приближенными к предполагаемой нагрузке
сваривания.
Затем, используя ряд нагрузок 6.2, устанавливают нагрузку сваривания.
Проводят два последовательных испытания.
Нагрузкой
сваривания (Р
) вН (кгс) считают наименьшую нагрузку, при
с
которой произошла автоматическая остановка машины при достижении
момента трения (1180±25) Н·см [(120,0±2,5) кгс·см] или сваривание шариков.
Для смазочных материалов, у которых сваривание не наблюдается и
момент трения ниже предельного, за нагрузку сваривания принимают нагрузку,
при которой образуется пятно износа средним диаметром 3 мм и более.
Результат
заносят в протокол испытаний (пункт 4.5.3)
38
4.5. Протокол испытаний
4.5.1. Определение критической нагрузки (Р
Номер
испытания
Нагрузка, кгс Диаметры пятен
износа шести
нижних
)
к
Средний
диаметр пятна
износа, мм
Критическая
нагрузка, кгс
шариков, мм
4.5.2. Определение индекса задира (И
Номер
испытания
Нагрузка (ряд
нагрузок 5.1)
Нкгс
Диаметры
пятен
износа
шести
нижних
)
з
Средний
диаметр
пятен
износа,
мм
Предельный
износ
+ 0,15 мм)
(d
r
шариков,
мм
1 59 6 0,31 0,952
2 78 8 0,32 1.397
3 98 10 0,33 1,881
4 127 13 0,35 2,668
5 157 16 0,37 3,520
6 196 20 0,38 4,470
7 235 24 0,40 6,382
8 314 32 0,42 8,869
9 392 40 0,4 11,94
10 490 50 0,47 16,08
11 617 63 0,49 21,88
12 784 80 0,53 29,59
13 980 100 0,55 40,52
14 1235 126 0,58 55,14
15 1568 160 0,62 74,57
16 1960 200 0,65 102,1
17 2450 250 0,69 138,2
18 3087 315 0,73 187,9
19 3920 400 0,78 255,6
20 4900 500 0,83 347,3
21 6174 630 0,89 472,4
22 7840 800 0,91 641,8
23 9800 100 1,01 876,1
Рк = ___кгс
P
iDr
Q=P·
÷d
D
r
Индекс задира вычисляют по формуле
= (1/n)∑Q
И
з
4.5.3. Определение нагрузки сваривания
Номер испытания Диаметры пятен
износа шести
нижних шариков, мм
39
i
Средний диаметр
пятна износа, мм
Нагрузка
сваривания, кгс
Рс = ____кгс
4.6. Приложения
Приложения 6.1. и 6.2.
Ряд нагрузок 6.1. Ряд нагрузок 6.2.
Н кгс Н кгс
59 6 64
78 8 83
98 10 103
127 13 132
157 16 167
196 20 205
235 24 255
314 32 333
392 40 416
490 50 519
617 63 657
Нагрузочные ряды
69
74
88
93
108
118
137
147
176
186
216
225
274
294
353
372
441
465
549
588
696
735
6,5
7,0
7,5
8,5
9,0
9,5
10,5
11,0
12
13,5
14
15
17
18
19
21
22
23
26
28
30
34
36
38
42,5
45
47,5
53
56
60
67
71
75
Величина
предельнго
износа
(d
+0,15) мм
r
0,31
0,31
0,31
0,32
0,32
0,32
0,33
0,33
0,33
0,34
0,34
0,35
0,35
0,35
0,36
0,36
0,37
0,37
0,37
0,38
0,38
0,39
0,39
0,39
0,40
0,40
0,41
0,42
0,42
0,43
0,43
0,44
0,44
0,45
0,46
0,46
0,47
0,47
0,48
0,49
0,49
0,50
0,51
0,51
0,52
40
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]