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 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 (а также 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 (а также 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 качество смазочных материалов, что представляет собой своеобразный РЦИ.
В то же время, 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 цилиндро-поршневой 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, вращающимся с частотой 1470 мин-1. К этому шарику под заданной нагрузкой прижимают три неподвижных шарика, сложенные 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 течении 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 Pкр – осевой нагрузки на узел трения, при превышении которой наблюдается резкое увеличение пятна износа вследствие разрушения смазочного слоя, разделяющего трущиеся поверхности, и по величине Pсв – нагрузки, при 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.
Кроме того, методика испытаний смазочных материалов на четырехшариковой машине предусматривает оценку трибологических свойств смазочных материалов с помощью комплексного критерия – индекса задира Из, представляющего собой относительную нагрузку Q, осредненную по всему интервалу использованных при испытании нагрузок от начальной до Pсв. Таким образом: Q = Pdr/dи, здесь P – осевая нагрузка, dи и dr – соответственно: средний диаметр пятна износа и диаметр площадки по Герцу при нагрузке P.
Индекс задира Из = (1/n)∑Qi здесь n – количество испытаний;) ∑Qi – сумма величин относительных нагрузок от начальной до предшествующей P. Чем больше величина Из, тем выше потивоизносные свойства смазочного материала при жестких условиях нагружения (так как при P < Pкр диаметр пятна износа dи мало отличается от dr, а на величину Из наибольшее влияние оказывают значения dи при нагрузках превышающих Pк, когда dи > dr.
4.4. Подготовка к проведению работы:
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).
Отсоединить тягу от рукоятки корпуса.
Перевести рычаг подпорки 4 в верхнее положение, освободив тем самым узел трения от осевой нагрузки.
Вынуть подставку 2, снять корпус 1 и разобрать его.
Все детали, соприкасающиеся со смазочным материалом во время испытаний, промыть бензином или бензолом, а затем просушить на воздухе.
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.
Вставить в цангу 3 шарик и установить цангу в вал машины.
Рис. 4.3. Общий вид четырёхшариковой машины трения (ЧМТ-1):
где 1 – корпус; 2 – подставка; 3 – цанга; 4 – рычаг подпорки;
5 – гиредержатель; 6 - рычаг
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.
Вставить в цангу 3 шарик и установить цангу в вал машины.
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.
Установить корпус 1 в машину и поставить подставку 2 на место
Перевести рычаг подпорки в нижнее (рабочее) положение.
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.
Проверить горизонтальность рычага 6 и в случае необходимости произвести регулировку длины толкателя.
Накинуть тягу на крючок рукоятки корпуса 1.
Закрыть защитный кожух.