Інформаційно-випробувальна трибологічна система з стабілізованими контактними напруженнями

Размещено на http://www.allbest.ru/

Національний авіаційний університет

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

Інформаційно-випробувальна трибологічна система з стабілізованими контактними напруженнями

Костюнік Руслан Євгенович

УДК.621.891.(043.3)

Спеціальність 05.02.04 - Тертя та зношування в машинах

Київ - 2006

Дисертацією є рукопис.

Роботу виконано в Національному авіаційному університеті

Міністерства освіти і науки України.

Науковий керівник

Офіційні опоненти:

Провідна установа

доктор технічних наук, професор член - кореспондент НАН України,

Аксьонов Олександр Федотович, радник ректорату НАУ.

доктор технічних наук, професор

Кузьменко Анатолій Григорович, Хмельницький національний університет Міністерства освіти і науки України, (м. Хмельницький), завідувач кафедри зносостійкості і надійності машин;

кандидат технічних наук, старший науковий співробітник

Белас Олег Миколайович, Президія НАН України

(м. Київ) головний науковий співробітник

секції прикладних проблем.

Інститут надтвердих матеріалів ім. В.М. Бакуля, відділ 18 Технологічного управління якістю обробки поверхні, НАН України, м. Київ.

Захист відбудеться “ 21 ” квітня 2006 р. о “ 14 ” годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 26.062.04 в Національному авіаційному університеті за адресою: 03058, м. Київ, просп. Космонавта Комарова, 1, аудит. 1.002.

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

Автореферат розіслано “ 17 ” березня 2006 р.

Учений секретар спеціалізованої вченої ради, кандидат технічних наук, доцент О.Л. Матвєєва

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Конструювання, виробництво та постійне удосконалення сучасних машин і механізмів безпосередньо пов'язані з підвищенням якості товарних мастильних матеріалів (ММ). Сучасні товарні ММ і конструкційні матеріали деталей, які працюють в їх середовищі з відповідною мікрогеометрією робочих поверхонь в сукупності визначають ефективність трибосистем машин і механізмів. Поліпшення якості моторних, трансмісійних та інших типів товарних масел дозволяє не тільки зменшити витрати палива на 10 - 15 %, але й збільшити ресурс двигунів та інших механізмів, що сприяє підвищенню надійності, економічності та довговічності техніки в цілому.

На сьогодні на ринку України пропонується широкий спектр нових марок товарних ММ і різноманітних присадок до них, які виробляють як вітчизняні так і зарубіжні підприємства. Відомо, що єдиним коректним методом оцінювання експлуатаційних властивостей ММ є результати експлуатації та стендових випробувань вузлів тертя реальних машин і механізмів в натурних або близьких до них умовах. Застосування новітніх технологій під час розроблення ММ з надефективними присадками до них призводить до суттєвого зменшення зношення трибосистеми за зростання контактних напружень, що потребує виконання дуже великого обсягу триботехнічних випробувань. Проте існуючі лабораторні системи під час триботехнічних випробувань товарних та розроблених надефективних присадок і перспективних ММ мають значну низку недоліків. Зокрема, велика похибка результатів випробувань і недостатня їх інформативність призводить до некоректності таких випробувань в цілому.

Тому розроблення методів підвищення достовірності результатів лабораторних випробувань перспективних ММ та надефективних присадок за їх протизносними й антифрикційними властивостями надзвичайно важливе, як з наукового, так і з практичного погляду. Якість оцінки головних експлуатаційних властивостей новітніх ММ і розроблюваних протизносних і антифрикційних ефективних присадок до них - актуальна науково - прикладна проблема сучасної трибології граничного змащення.

Зв`язок роботи з навчальними програмами, планами, темами. Робота виконувалась згідно з планами наукових досліджень кафедри технології аеропортів Аерокосмічного інституту Національного авіаційного університету (АКІ НАУ) в рамках госпдоговірної теми №929 - Х99 “Розробка і створення трибологічного комплексу “ДЕДАЛ” з експериментального визначення протизносних і антифрикційних властивостей мастильних матеріалів та присадок до них, а також конструкційних матеріалів і покриттів поверхонь тертя в умовах граничного змащення”, а також бюджетних тем №550 - ГБ95 “Экспериментально - теоретическое исследование термоупруго-деформационной составляющей силы трения при реализации явления обменного автоколебательного взаимодействия поверхность - среда” (номер державної реєстрації 0195U010879), №774 - ГБ97 “Дослідження дифузійного масопереносу в поверхневих шарах та покриттях, утворених шляхом беззносного тертя” (номер державної реєстрації 0197U012932), №012 - ДБ01 “Розробка триботехнічних основ суттєвого підвищення ефективності процесів контактної металообробки, зносостійкості металорізального інструменту та якості обробки поверхонь деталей машин” (номер державної реєстрації 0101U002731).

Мета і завдання досліджень. Мета дисертації - розроблення методики та створення дослідної інформаційно-випробувальної трибологічної системи, що дозволяє в лабораторних умовах виконати достовірну оцінку протизносних і антифрикційних властивостей ММ та надефективних присадок до них з урахуванням триботехнічних характеристик вторинних структур (ВС). Для досягнення поставленої мети вирішувались такі завдання:

- виконати аналіз результатів теоретичних і експериментальних триботехнічних випробувань ММ сучасними засобами та методами, вибрати й обґрунтувати схему трибосистеми, яка дозволяє на робочих поверхнях рівномірно формувати ВС;

- розробити методику лабораторних випробувань протизносних і антифрикційних властивостей ММ з урахуванням трибохарактеристик ВС;

- визначити вплив миттєвих фактичних геометричних, навантажувальних і теплообмінних параметрів трибоконтакту на результати оцінки протизносних і антифрикційних властивостей ММ з метою стабілізації миттєвих параметрів трибоконтакту;

- створити інформаційно-випробувальну систему триботехнічних випробувань ММ, що забезпечує стабілізацію миттєвих геометричних параметрів трибоконтакту, контактних напружень і умов теплообміну та експериментально підтвердити її ефективність;

- оцінити відтворюваність результатів випробувань товарних масел і їх кореляцію зі стендовими.

Об'єкт дослідження - процес формування ВС на трибоконтакті під час лабораторних випробувань ММ.

Предмет дослідження - геометричні, силові і теплофізичні параметри лінійного контакту та їх вплив на рівномірність формування ВС в умовах тертя ковзання.

Методи дослідження. Протизносні та антифрикційні властивості ММ вивчали методом лабораторних випробувань на тертя та зношення в умовах граничного змащення (машини тертя ПТЛК(о), ПТЛК(р), RFL Optimol Test System). Знос і вихідна шорсткість поверхонь тертя ковзання визначали методом контактної, а також безконтактної лазерної диференційно-фазової профілографії - профилометрії (М - 283, Калібр - М201, ЛСМ). Стан робочих поверхонь оцінювали методом металографії (мікроскопи: МІМ - 7, ММР - 2Р). Достовірність отриманих результатів експериментальних випробувань встановлено методами математичної статистики. Використовували електронно-обчислювальну техніку та ПЕОМ для побудови графічних залежностей.

Наукова новизна отриманих результатів.

- виявлено, що нестабільність миттєвих контактних напружень у зоні контакту трибосистем визначає трибологічні характеристики ВС;

- уперше встановлено залежність інтенсивності зношення трибосистеми від контактних напружень і показано, що збільшення фактичних миттєвих контактних напружень призводить до зменшення інтенсивності зношування трибосистеми; це дало змогу обґрунтувати розбіжність теоретичних і експериментальних результатів випробувань надефективних присадок, таких як розчинів “речовин - організаторів безадгезійного тертя” (РОБТ);

- сформульовано умови стабілізації миттєвих контактних напружень у вузлах тертя, на базі яких та за результатами експериментальних лабораторних випробувань ММ з надефективними присадками створено інформаційно-випробувальну трибологічну систему, що стабілізує контактні напруження;

- використовуючи розроблену інформаційно-випробувальну трибологічну систему, вперше визначено оптимальну концентрацію присадок РОБТ у товарних маслах з урахуванням трибологічних характеристик ВС, крім того доведено можливість практичного використання ефекту зменшення інтенсивності зношування зі збільшенням контактних напружень;

- експериментально визначено й теоретично обґрунтовано, що миттєва сталість контактних напружень зумовлює теплообмінні процеси робочих поверхонь із середовищем, що, в свою чергу, характеризує експлуатаційні властивості ММ і трибосистеми в цілому.

Практичне значення одержаних результатів. Розроблено і створено інформаційно-випробувальну триботехнічну систему з принципово новою схемою навантаження зі сталою миттєвою контактною взаємодією, яка дозволяє в лабораторних умовах оцінювати протизносні та антифрикційні властивості товарних і розроблюваних ММ та надефективних присадок до них на якісно новому рівні за відтворюваністю результатів. Випробувальна система вирізняється компактністю, більш високим рівнем автоматизації процесу вимірювання трибохарактеристик, незначними об'ємами проб та високою відтворюваністю результатів випробувань. Переваги створеної системи та нового методу дозволяють використовувати їх в лабораторіях підприємств як виробників, так і споживачів, а також науково - дослідними організаціями та навчальними закладами відповідного профілю. Практичне застосування результатів досліджень було підтверджено порівнянням стендових моторних випробувань з результатами випробувань на розробленій трибологічній системі, що засвідчено протоколом випробувань МНВП “Присадки” (м. Кременчук).

Інформаційно-випробувальна трибологічна система використовується в лабораторії НАУ для проведення наукових досліджень і в навчальному процесі, а також залучається як кваліфікаційний метод (факультативно) у УкрНДНЦ хімотології та сертифікації паливно-мастильних матеріалів і технічних рідин (ПММ і ТР).

Особистий внесок здобувача. Основні наукові результати дисертаційної роботи належать особисто здобувачу. Постановка завдання та обговорення отриманих результатів виконано спільно з науковим керівником. У роботах, опублікованих у співавторстві [1, 3], експериментально отримано на розробленій і створеній особисто здобувачем інформаційно-випробувальній системі залежності об`ємної температури випробувального середовища від повноти та рухомості лінійного контакту. У результаті порівняльних випробувань виявлено вплив повноти і нестабільності ширини лінійного контакту на достовірність оцінки триботехнічних властивостей ММ; у роботі [2] експериментально доведено принципову неможливість рівномірного формування ВС на поверхнях випробувального вузла чотиришарикової машини тертя, тобто неможливості урахування їх впливу на протизносні властивості ММ; у роботі [4] запропоновано методи планування і проведення триботехнічних лабораторних випробувань. Експериментально встановлено, що інтенсивність зношування пари тертя залежить від сталості контакту; у роботі [5] запропоновано модель рухомого контакту й експериментально отримано підтвердження суттєвого впливу підвищення тепловіддачі на зменшення сили тертя та інтенсивності зношування під час ковзання за допомогою порівняльних лабораторних випробувань. Роботи [4, 5] виконано без співавторів.

Апробація результатів дисертації. Основні положення та результати дисертаційної роботи доповідались на III - VI міжнародних науково-технічних конференціях “АВІА” (м. Київ, 2001 - 2004 рр.); Міжнародної наукової конференції студентів та молодих вчених “Наука та молодь” (м. Київ 2001 р.); Участь у міжнародній спеціалізованій виставці вимірювального і випробувального обладнання “Еталон - 2001” (м. Москва, 2001 р.); IV Міжнародного авіакосмічного салону “АВІАСВІТ - XXI” (м. Київ 2004р.).

Публікації. За результатами основних досліджень опубліковано 5 статей у наукових журналах.

Структура та обсяг дисертації. Робота складається зі вступу, чотирьох розділів, основних висновків, списку використаних джерел із 126 найменувань (12 сторінок) та 8 додатків. Загальний обсяг дисертації становить 158 сторінок комп'ютерного тексту, який включає 15 таблиць та 53 рисунки.

триботехнічний випробування мастильний

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтовано актуальність теми дисертації, об'єкт і предмет досліджень, сформульовано мету й завдання досліджень, наукову новизну та практичне значення отриманих результатів.

У першому розділі наведено аналіз відомих методів підвищення зносостійкості трибосистем, що ґрунтуються на явищах, реалізація яких призводить до значного зменшення зношування вузлів тертя машин і механізмів. Найбільш значного зменшення тертя та зношування досягнуто введенням у ММ розчинів РОБТ, розроблених і синтезованих Т.В. Терновою, яка також показала, що робота РОБТ ґрунтується на організації упорядкованої хімічної обмінної, автоколивальної в часі, взаємодії поверхонь з ММ під дією механічної активації без руйнування поверхонь тертя та середовища. Більш детальному вивченню процесів, що виникають під час взаємодії поверхня - середовище з РОБТ під час тертя ковзання і кочення, присвячено роботи О.Ф. Аксьонова, О.У. Стельмаха, Т.В. Тернової, зі співавторами.

Багаторічне вивчення речовин-організаторів у режимі граничного тертя показало, що існуючі лабораторні засоби і методики проведення лабораторних триботехнічних випробувань потребують підвищення їх коректності, інформативності та відтворюваності. Триботехнічні випробування розчину РОБТ супроводжується утворенням в зоні тертя захисної плівки - ВС, що призводить до зміни хімічного складу поверхневих шарів і структурного стану матеріалів деталей трибовузла. Зносостійкість як трибовузла, так і механізму в цілому значною мірою визначається складом і триботехнічними характеристиками ВС. Тому для визначення оптимальних умов оцінки триботехнічних властивостей РОБТ був проведений аналіз основних характеристик якості робочих поверхонь вузлів тертя, методів їх визначення та процесів, що відбуваються в результаті їх взаємодії з активними елементами випробувального середовища під час тертя в умовах граничного змащення.

Експериментальний і теоретичний аналіз рівномірності формування ВС щодо геометрії вузла тертя показав, що найбільш відтворюваними результатами характеризуються лабораторні машини тертя з лінійним контактом. Крім того, така геометрія контакту найчастіше трапляється в реальних трибосистемах машин і механізмів, що і визначило мету та завдання досліджень.

У другому розділі описано досліджувані матеріали та зразки, вибрано лабораторні машини й установки тертя та розроблено методику досліджень триботехнічних властивостей ММ з підвищенням його ефективності через уведення РОБТ, а також порядок обробки отриманих результатів. Відповідно до вирішення поставлених завдань обґрунтовано застосування авіагасу ТС - 1 як базового середовища і вибір випробувальних зразків, виготовлених зі сталі ШХ - 15 (58 - 63 HRC). Для досліджень триботехнічних властивостей РОБТ створено розчини, які названо відповідно до їх концентрації в ТС - 1: “Еталон - 0,5”, “Еталон - 1” і “Еталон - 1,5”.

Випробування протизносних властивостей авіагасу ТС - 1 як за реверсивного (установка тертя ПТЛК(р)), так і за однонапрямленого (ПТЛК(о), RFL Optimol Test System) тертя ковзання проведено за розробленою методикою показали механізм зношування зразків близький до класичного: перший етап тертя відповідає припрацюванню і початковому зношуванню та формуванню ВС; другий і третій етапи - нормальний режим роботи і завершення процесу утворення ВС, що відповідає сталому зношуванню; четвертий етап - подальший процес зношування поверхонь у часі, на яких утворились ВС у попередніх етапах, з високою імовірністю катастрофічного їх руйнування.

Визначено, що уведення в ТС - 1 розчинів РОБТ призводить до непомірно низької інтенсивності зношення (ННІЗ) випробувальних трибосистем. Так, після першого етапу тертя ковзання, в деяких випадках, глибину доріжки тертя нерухомого зразка визначити не вдавалося за максимального вертикального збільшення 200 000 профілографа-профілометра “Калібр - М201” (рис. 1). На нерухомих роликах вузла тертя RFL Optimol Test System величина зносу була меншою від передбаченої тарувальною таблицею фірми ELMATIK - менше 0,021 мг за умов максимальних навантажень до 3,75 кН та швидкості тертя ковзання 0,4 м/с.

Надвисока ефективність розчинів РОБТ дозволила виявити в процесі їх випробувань суттєву зміну геометричних параметрів трибоконтакту, які призводять до некоректної оцінки триботехнічних властивостей РОБТ, а отже, і ММ. Так, під час випробовувань на відібраних для досліджень машинах та установках тертя спостерігаються такі особливості. На твірній поверхні циліндричного контрзразка та доріжці тертя плоского нерухомого зразка в процесі тертя утворюється неоднофазна структура, колір якої близький до забарвлення випробувальної речовини. Завдяки їх зафарбованості ці структури відображають реальну траєкторію тертя ковзання. Ширина доріжки тертя на робочій поверхні контрзразка є несталою протягом одного оберту і змінюється у межах 10 - 80 % від номінальної її ширини, при проведенні серії паралельних випробувань в однакових умовах.

Порівняно з результатами вимірювань об'ємної температури в базовому середовищі (авіагасу ТС - 1), значення якої лежала в межах від 34 до 80 оС, спостерігається суттєве її зменшення у процесі випробувань розчину РОБТ за однакових зовнішніх умов тертя. Крім цього, коефіцієнт тертя також зменшується, зберігаючи сталість у часі, а його осциляції не перевищують осциляції електронно-вимірювальної системи.

У багатьох випадках, понад 95 % за реалізації тертя з ННІЗ на робочій поверхні нерухомого зразка спостерігається подвійна доріжка тертя або її зсув відносно центра початкового контактування зразків вузла тертя, що призводить до неможливості коректного вимірювання результатів зносу сучасними контактними методами вимірювань (рис. 2). Виконана оцінка точності методу лабораторних триботехнічних випробувань показала, що для визначення протизносних властивостей авіагасу ТС - 1 необхідно провести не менше трьох паралельних випробувань, за результатами яких середнє арифметичне значення відносної похибки не перевищує 10 %.

Випробування розчину РОБТ в однакових зовнішніх умовах тертя виявили суттєве збільшення похибки результатів випробувань, яке досягає 80 %, що потребує збільшення кількості випробувань, оскільки в разі проведення 40 паралельних випробувань розчину “Еталон - 0,5” відносна похибка становить 20 - 30 %.

Це зумовило потребу в більш детальному дослідженні процесів, що відбуваються в зоні трибоконтакту та визначенні миттєвих параметрів трибосистеми ковзання, які впливають на ступінь коректності оцінки експлуатаційних властивостей ММ і особливо надефективних присадок до них.

У третьому розділі представлені результати експериментальних і металографічних досліджень рівномірного формування ВС утворених в процесі серії триботехнічних випробувань розчину “Еталон - 0,5” за однонапрямленого тертя ковзання. Наведено результати досліджень фактичних робочих поверхонь випробуваних контрзразків за зафарбованістю доріжки тертя на робочій поверхні, що утворює циліндр. Її ширина відображає реальну траєкторію тертя ковзання і, таким чином, фактичний контакт з нерухомим зразком. Вимірювання реальної ширини доріжки тертя (Н) проводились по всій поверхні твірної циліндра (L) за допомогою мікроскопів МІМ - 7 і ММР - 2Р, з точністю 0,01мм (рис. 3).

Експериментально виявлено, що фактична ширина доріжки тертя змінюється протягом одного оберту контрзразка. При цьому зміна ширини доріжки тертя призводить до зміни фактичного миттєвого контактуванню зразків вузла тертя в ході проведення як одного, так і серії триботехнічних випробувань середовища. Нерівномірна робота поверхонь тертя пов'язана з неможливістю усунення технологічних похибок під час виготовлення зразків, так і встановлення їх на валу випробувальної установки і машини тертя.

Виконання розрахунки миттєвих контактних напружень згідно з формулою Герца, що діють у зоні лінійного контакту, за результатами вимірювань фактичної ширини доріжки тертя, на шляху тертя (L) протягом одного оберту (рис. 4).

Аналіз експериментальних і теоретичних досліджень показав, що з підвищенням якості ММ за рахунок уведення розчину РОБТ напруження на контакті в процесі тертя мають миттєво змінний характер, їх розрахункові значення при цьому завжди більші від номінальної величини теоретично повного контакту.

Отримані величини фактичних миттєвих напружень за умов тертя ковзання першим контрзразком сягали 1427 МПа (Рис. 5), а величина зносу нерухомого зразка за 500 м шляху тертя не перевищувала 0,01 мкм, при цьому об'ємна температура випробувального середовища становила 26 оС. Найбільш близькі до розрахункових початкових напружень фактичні напруження в зоні контакту четвертого контрзразка, 4 = 1073 МПа, при цьому збільшилась вимірювальна об'ємна температура середовища до 80 оС і величина зносу до 0,35 мкм. У цьому і полягає експериментальна і теоретична суперечності. Результати цих досліджень лягли в основу наукового обґрунтування нового методу триботехнічної оцінки новітніх ММ та надефективних присадок.

Вимірювання об'ємної температури випробувального середовища показали її зміну від випробування до випробування, що очевидно сприяло росту нестабільності інтенсивності зношування трибосистеми за інших рівних умов. Розрахунок залежності контактної температури від фактичної площі контакту підтвердив суттєву залежність інтенсивності зношення трибосистеми ковзання від динаміки фактичного контакту в межах повного теоретичного контакту (рис. 6) і, таким чином, контактної термодинаміки. Розв'язанням рівняння теплового балансу було отримано формулу залежності термонапруження контрзразка від площі фактичного контакту з нерухомим плоским зразком.

,

де QК.З - кількість теплоти яка відводиться з несучого шару в контрзразок; бВ - коефіцієнт тепловіддачі повітрю; S2B - площа контрзразка, через яку теплота відводиться у повітря; бМ2 - коефіцієнт тепловіддачі контрзразком у ММ; S2М - площа контрзразка, через яку теплота відводиться в ММ; бМ1 - коефіцієнт тепловіддачі напруженого мастильного шару; S1 - фактична площа лінійного контакту; - середня температура ММ у несучому мастильному шарі; - температура повітря; - середня температура ММ.

Так, із формули видно, що кількість теплоти відведеної з несучого шару контрзразком в ММ і навколишнє середовище зменшується зі зменшенням фактичної площі контакту S1, оскільки при цьому збільшується площа поверхні контрзразка, через яку теплота відводиться в ММ і навколишнє середовище. Крім цього контактна поверхня плоского зразка рухома, що зумовлює підвищення дисипації тепловій енергії у навколишнє середовище.

Детальний аналіз кінематичної схеми лабораторної установки тертя ПТЛК(о) показав, що в початковий момент контрзразок 1 був нерухомий, вісь його навантаження проходила через вісь його обертання і перетиналася із площиною плоского зразка 2 в зоні контакту а (рис.7). Надалі в процесі тертя ковзання контрзразком 1 по плоскому зразку 2 під дією сили тертя контакт зсувався в зону в таким чином, що вісь навантаження не збігалася з віссю обертання контрзразка 1. Це, в свою чергу, призводить до перерозподілу осьового навантаження. Перерозподіл осьового навантаження і зсув контакту також відбуваються за реверсивного тертя у відповідних напрямках тертя ковзання. Через зсув контакту і перерозподіл осьового навантаження на робочих поверхнях нерухомих роликів утворюється подвійна доріжка тертя на машині тертя RFL Optimol Test System. Конструктивно закріплений в силовому ланцюгові випробувальної машини вимірювальний елемент (ВЕ) унаслідок тертя ковзання і великих навантажень зсувається, що теж призводить до перерозподілу осьового навантаження. Сила тертя Fтер.вим, отримана під час вимірювання в процесі тертя, складається з макросили тертя Fтер.факт і проекції осьового навантаження на площину плоского зразка ПТЛК(о) і ПТЛК(р), а також роликів випробувальної системи RFL Optimol Test System: F тер.одн = Fтер.вим 1 = Fтер.факт 1 + Р sin б ;

Fтер.реверс = Fтер.вим 1 + Fтер.вим 2 ,

Fтер.вим 1 = Fтер.факт 1 + Р sin б1;

Fтер.вим 2 = Fтер.факт 2 + Р sin б2.

На підставі результатів проведених експериментальних досліджень та розрахунків були сформульовані основні вимоги до випробувального вузла та розроблено й апробовано принципово новий спосіб визначення протизносних і антифрикційних властивостей ММ, реалізований в макеті лабораторної установки тертя з лінійним контактом і стабілізованими в ньому контактними напруженнями, що виключає його зсув від пружності чи зсуву ВЕ під час вимірювання сили тертя.

Згідно з розробленою схемою (рис. 8) плоский зразок може переміщатися уздовж вертикальної осі Y і одночасно обертатися відносно горизонтальної осі X і одночасно може обертатися навколо осі Z, котра перпендикулярна до площини обертання контрзразка і перетинається з осями X і Y у центрі мас контрзразка.

Стабілізація ширини лінійного контакту забезпечується можливістю еволюції плоского зразка за рахунок відхилень твірної циліндричного контрзразка від осі його обертання. Навантаження на контакті створюється так, що в разі відхилення плоского зразка навколо осі Z за рахунок виникнення сили тертя вісь навантаження одночасно відхиляється в площині контрзразка XY навколо осі обертання контрзразка Z. Під час випробування розчину “Еталон - 0,5” діапазон лінійного зносу плоского зразка на першому етапі тертя становить 0,34 - 0,36 мкм за рівних зовнішніх умов серії випробувань, що в два рази більший від середніх значень зносу, отриманого під час випробувань на установці, де миттєвий контакт був рухомим. Крім цього, робоча поверхня твірної циліндричного контрзразка в процесі тертя зафарбовується рівномірно і становить 100 % номінальної його ширини у всіх паралельних випробуваннях, сліди зносу плоского зразка мають однаковий зовнішній вигляд, що не спостерігається під час випробувань на існуючих установках та машинах тертя. Об'ємна температура випробуваного розчину зменшилась на 10 - 20 оС порівняно з випробуванням авіагасу ТС - 1 і збільшилась відносно результатів на ПТЛК(о). Середня величина її стабілізувалась від випробування до випробування в межах 55 - 60 оС.

Коефіцієнт тертя під час випробувань розчину РОБТ, на відміну від випробувань ТС - 1, значно зменшувався, зберігаючи сталість у часі, а його осциляцій майже не виявлялись.

Четвертий розділ присвячено розробленню інформаційно-випробувальної системи, яка забезпечує в процесі тертя стабілізацію контактних напружень. Тому кінематичну схему випробувального і вимірювального вузів трибологічної системи спроектовано за аналогією з апробованим лабораторним макетом установки тертя ковзання.

Аналіз усіх існуючих недоліків, що виникають на етапі постановки та проведення триботехнічних випробувань, виявив необхідність повної автоматизації процесу керування і контролю параметрів тертя у розроблюваній системі, з урахуванням яких випробувальну систему через аналого-цифровий електронний блок з'єднано з ПЕОМ типу IBM PC. Виконано оцінку достовірності результатів триботехнічних випробувань ММ. Усі режими порівняльних випробувань відповідали режимам проведення випробувань на ПТЛК(о), а саме: температура навколишнього середовища 20 оС; швидкість ковзання 0,3 м/с; шорсткість зразків 0,02 мкм; початкові контактні напруження 1000 МПа. Аналіз результатів імовірної відносної похибки показав, що достатньо провести мінімальну серію випробувань для відтворюваності результатів випробувань. Так, після трьох рівних випробувань авіагасу ТС - 1 середньоарифметичне значення відносної похибки становить 3 %, а для розчину “Еталон - 0,5” не перевищує 6 %.

Для підтвердження ефективності нової трибологічної системи разом з МНВП “Присадки” були проведені порівняльні випробування трьох товарних моторних масел, які серійно випускаються ВАТ “УКРТАТНАФТА”. Їх протизносні властивості пропорційно збігалися з результатами, які раніше були отримані під час проведення 600 - годинних моторно-стендових випробувань. Це свідчить про те, що фізико-хімічні процеси, які перебігають у модельному вузлі тертя розробленої трибологічної системи, при проведенні випробувань товарних моторних масел досить близькі до процесів, що відтворюються у реальних вузлах тертя, наприклад, у двигунах внутрішнього згоряння. Також проведено серію триботехнічних випробувань мастильних композицій і розчинів РОБТ у базових і товарних маслах для успішного вибору концентрації речовини РОБТ в базовому ММ і їх сумісності.

Запропоновано практичне використання інформаційно-випробувальної трибологічної системи. Експериментальні й теоретичні дослідження, приведені вище, показали, що зі зменшенням ширини лінійного контакту вузла тертя, незважаючи на збільшення миттєвих контактних напружень, зменшуються контактні температури, що і приводить до зменшення інтенсивності зношування трибосистеми ковзання. Запропонована нами модель рухомого лінійного контакту забезпечує найбільш сприятливі триботехнічні умови тертя за рахунок теплофізичних процесів неповного лінійного контакту за постійної його довжини, тобто через збільшення кількості контактної теплоти, що відводиться.

Порівняльні випробування в базовому маслі МС - 20 за інших рівних зовнішніх умов на інформаційно-випробувальній трибологічній системі з моделюю рухомого контакту і контактами постійної довжини показали, що застосування миттєвих рухомих лінійних контактів призводить до зменшення інтенсивності зношування трибосистеми на 40 % за умов контактних тисків у 1,2 разу вище. Отримані нами результати дають підставу запропонувати новий напрям для підвищення зносостійкості трибосистем реальних машин і механізмів застосуванням рухомих лінійних контактів.

У додатках наведено принципову та функціональну схеми підключення створеної лабораторної випробувальної машини тертя, з'єднання її з ПЕОМ типу IBM PC; протокол випробувань товарних масел з уведенням в них розчину речовин РОБТ; акт порівняльних випробувань товарних мастил; акт впровадження у випробувальному центрі УкрНДНЦ хіммотології та сертифікації ПММ і ТР; акт впровадження в навчальний процес.

ВИСНОВКИ

У дисертації викладено теоретичні узагальнення і запропоновано нові вирішення наукових і практичних завдань, що є базовими для експериментального дослідження ефективності розчинів РОБТ до ММ за експлуатаційними властивостями з урахуванням триботехнічних характеристик ВС. Це дозволило вирішити важливе науково - практичне завдання підвищення достовірності оцінки протизносних та антифрикційних властивостей ММ і особливо надефективних присадок до них;

1. Проведений експериментальний аналіз існуючих засобів і методів лабораторних триботехнічних випробувань надефективних присадок до ММ показав, що вони не забезпечують достатньо високого ступеня відтворюваності, інформативності і коректності результатів, оскільки під час випробувань миттєві геометричні параметри фактичного трибоконтакту не стабільні.

2. Розроблено макет машини тертя з новими конструкторськими, технологічними та вимірювальними рішеннями, який забезпечує під час тертя ковзання стабілізацію миттєвих геометричних параметрів лінійного контакту, що сприяє стабілізації контактних напружень і умов теплообміну на контакті.

3. Уперше експериментально визначено, що вимірювальна система сили тертя та сили навантаження випробувального вузла в існуючих машинах і установках тертя з лінійним контактом під час трибовипробувань ММ і особливо надефективних присадок за умов граничного змащування спричиняють зсув початкового контакту і відповідно перерозподіл фактичних миттєвих контактних напружень, що, в свою чергу, призводить до некоректного визначення величини зносу випробувальних зразків.

4. Вперше теоретично обґрунтовано і експериментально доведено фактичну рухомість лінійного контакту трибосистеми і випадковість траєкторії доріжки тертя ковзання на твірній циліндричного контрзразка в процесі випробувань надефективних присадок, таких як розчину РОБТ. Установлено, що ступінь нестабільності ширини лінійного контакту визначає його теплонапруженість, а відтак і інтенсивність зношування трибосистеми в цілому.

5. Створено й апробовано інформаційно-випробувальну трибологічну систему з принципово новою схемою навантаження і контактної взаємодії, що дозволяє з високою точністю і відтворюваністю результатів випробувань визначати протизносні й антифрикційні властивості новітніх ММ і особливо надефективних присадок до них. Запропоновано способи та галузі практичного промислового і наукового використання розробленої системи, а також розроблено рекомендації щодо підвищення зносостійкості машин і механізмів шляхом створення рухомих контактів у реальних вузлах тертя машин та механізмів.

6. Проведено порівняльні випробування спільно з МНВП “Присадки” і показано кореляцію результатів лабораторних випробувань товарних масел з результатами стендових моторних 600 - годинних випробувань.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАННИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

Стельмах О.У., Сидоренко О.Ю., Костюнік Р.Є. Обємна конфігурація мікрогеометрії поверхонь тертя - один з основних факторів ефективності трибосистем // Вісн. НАУ. - 2002. - №1. - С. 174 - 177.

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

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

Костюнік Р.Є. Вплив сталості лінійного контакту трибосистеми ковзання на її характеристики // Вісн. НАУ. - 2004. - №3. - С. 23 - 25.

Костюнік Р.Є. Підвищення зносостійкості трибосистем ковзання при збільшенні контактних тисків шляхом створення рухомого контакту. - Луцьк: Вид - во ЛДТУ, 2004. - Вип. 15. - С. 146 -153.

АНОТАЦІЯ

Костюнік Р.Є. Інформаційно - випробувальна трибологічна система з стабілізованими контактними напруженнями. - Рукопис.

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

Розглянуто науково-практичну проблему, яка полягає у підвищенні достовірності оцінки протизносних та антифрикційних властивостей товарних та новітніх ММ і особливо надефективних присадок до них. Експериментально виявлено, що нестабільність миттєвих контактних напружень у зоні контакту визначає трибологічні характеристики вторинних структур (ВС) і таким чином ММ. Показано, що ступінь нестабільності фактичної ширини лінійного контакту визначає його теплонапруженість і відповідно інтенсивність зношування трибосистеми. Наведено теоретичне підтвердження залежності теплонапруженості від фактичної площі контакту. Експериментально показано зсув контакту і перерозподіл осьового навантаження на існуючих машинах тертя. Розроблена і створена інформаційно-випробувальна триботехнічна система з принципово новою схемою навантаження і сталою миттєвою контактною взаємодією робочих поверхонь. Створена система дозволяє в лабораторних умовах визначати оптимальну концентрацію присадок у товарних маслах по критерію мінімальної інтенсивності зношування з урахуванням трибологічних характеристик ВС. Експериментально доведено можливість практичного використання ефекту зменшення інтенсивності зношування зі збільшенням контактних напружень.

Ключові слова: миттєві контактні напруження, інтенсивність зношування, трибосистема, вторинні структури.

АННОТАЦИЯ

Костюник Р.Е. Информационно - испытательная трибологическая система со стабилизированными контактными напряжениями. - Рукопись.

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

Рассмотрена научно-практическая проблема, которая состоит в повышении достоверности оценки противоизносных и антифрикционных свойств товарных и разрабатываемых смазочных материалов (СМ) и особенно сверхэффективных присадок к ним. Анализу были подвергнуты экспериментальные результаты испытаний СМ, которые получены на машинах и приборах трения с линейным контактом: RFL Optimol Test System, ПТЛК(о) (приборы однонаправленным трением скольжения) и ПТЛК(р) (прибор реверсивного трения скольжения). Показано, что эти приборы характеризуются непостоянством мгновенных контактных напряжений связанных с измерительной системой силы трения, а также фактическими геометрическими параметрами поверхностей и технологическими проблемами установки испытательных образцов узла трения. Предложена методика оценки триботехнических свойств СМ, которая позволяет оценивать трибохарактеристики вторичных структур (ВС) в процессе их формирования и длительной работы. В результате изучения процессов формирования ВС на рабочих поверхностях трибосистем выявлено и экспериментально подтверждено, что нестабильность мгновенных контактных напряжений в зоне контакта определяет трибологические характеристики ВС, СМ и трибосистемы в целом. Показано, что нестабильность фактической ширины линейного контакта определяет его теплонапряженность и соответственно интенсивность изнашивания всей трибосистемы. Установлена зависимость интенсивности изнашивания трибосистемы от контактных напряжений и показано, что увеличение фактических мгновенных контактных напряжений приводит к уменьшению интенсивности изнашивания трибосистемы. Это является причиной расхождений теоретических и экспериментальных результатов трибологических исследований конструкционных материалов, СМ и особенно сверхэффективных присадок, таких как растворов “веществ - организаторов безадгезионного трения” (ВОБТ).

Экспериментально выявлено смещение трибоконтакта и соответственно перераспределение осевой нагрузки в процессе испытаний свехэффективных присадок на существующих машинах и установках трения с линейным контактом. Сформулированы требования к испытательному узлу трения и к схеме измерения силы трения и разработан макет машины, который обеспечивает при трении скольжения стабилизацию мгновенных геометрических параметров линейного контакта, что приводит к стабилизации контактных напряжений и условий теплообмена рабочих поверхностей.

Создана и апробирована информационно-испытательная система с принципиально новой схемой нагружения и постоянным мгновенным контактным взаимодействием, которая позволила в лабораторных условиях определить оптимальную концентрацию присадок на примере веществ ВОБТ в товарных маслах по максимальной эффективности, а именно по минимальной интенсивности изнашивания с учётом трибологических характеристик ВС.

Проведенная экспериментальная оценка точности метода испытаний на разработанной системе по доверительному интервалу показала, что погрешность результатов определения триботехнических свойств раствора ВОБТ составляет не более 6 %, а в среде авиационного керосина ТС - 1 около 3 %.

Для подтверждения эффективности созданной трибологической системы совместно с МНПП “Присадки” были проведены сравнительные испытания трех товарных моторных масел, которые серийно выпускаются ВАТ “УКРТАТНАФТА”. Их противоизносные свойства соответствуют пропорционально результатам, полученным ранее при проведении 600 - часовых моторно-стендовых испытаний. Это свидетельствует о том, что физико-химические процессы, которые протекают в модельном узле трения разработанной информационно-испытательной трибологической системы, при проведении испытаний масел достаточно близки к процессам, протекающим в реальных узлах трения, например, в двигателях внутреннего сгорания.

Экспериментально доказана возможность практического использования эффекта уменьшения интенсивности изнашивания с увеличением контактных напряжений. Предложенная модель подвижного линейного контакта обеспечивает наиболее благоприятные триботехнические условия трения за счёт теплофизических процессов в контакте, то есть путём увеличения количества отводимой контактной теплоты трения.

Информационно-испытательная система внедрена в центре химотологии и сертификации горюче-смазочных материалов и технических жидкостей (УкрНИУЦ и ТЖ), где привлекается как квалификационный метод (факультативно).

Ключевые слова: мгновенные контактные напряжения, интенсивность изнашивания, трибосистема, вторичные структуры.

ABSTRACT

Kostynik R.E. Informational - test tribological system with stabilized contact pressures. - Manuscript.

The dissertation on competition of a scientific degree of Cand.Tech.Sci. on a speciality 05.02.04 - Friction and deterioration in machines. - National aviation university, Kiev, 2006.

The scientific - practical problem of increasing the reliability of an estimation of the results of tests on antiwear and antifrictional properties of commodity and developed lubricants and especially superefficient additives to them is considered. As a result of studying the processes of the formation of secondary structures on the working surfaces in tribosystems it is revealed and experimentally confirmed, that instability of instant contact pressure in a zone of contact defines the tribological characteristics of secondary structures (SS). It is shown, that instability of actual width of linear contact defines its thermal stress and, accordingly, intensity of wear process of the tribosystem as a whole. The mathematical acknowledgement of concerning dependence of thermal stress from the actual area of contact is resulted. Displacement of contact and redistribution of axial loading is experimentally revealed at tests of superefficient additives, by the example of mixtures with substances organizers of non - adhesion friction (SONF). On the basis of the formulated requirements to the unit of friction it is developed and created the new informational - test tribological system with essentially new loading circuit and constant instant contact interaction which has allowed to define in laboratory conditions the optimum concentration of additives SONF in commodity oils on peak efficiency, namely on the minimal intensity of wear process with the account of tribological characteristics of SS.

Key words: Instant contact pressure, intensity of wear process, a tribosystem, secondary structures.

Размещено на Allbest.ru