Метод триботехнических испытаний цилиндрических поверхностей трения

Размещено на http://www.allbest.ru//

Размещено на http://www.allbest.ru//

Метод триботехнических испытаний цилиндрических поверхностей трения

М. И. Прудников

Рассмотрены вопросы стандартизации и автоматизации триботехнических испытаний для одноступенчатого решения задачи технологического обеспечения износостойкости. Предложен и обоснован метод испытаний цилиндрических поверхностей трения, а также его реализация в виде автоматизированной системы научных исследований.

Ключевые слова: автоматизированная система; триботехнические испытания; трибохарактеристики; цилиндрическая поверхность; индентор.

цилиндрический трение триботехнический износостойкость

На сегодняшний день трибометрия является основным источником получения данных по триботехническим показателям. В последнее время все больше возрастает значение лабораторных испытаний, которые, в отличие от триботехнических испытаний в условиях эксплуатации и на стендах, не требуют больших затрат времени и в большей мере позволяют изменять условия на поверхности трения и выделять основные параметры, оказывающие влияние на триботехнические характеристики. В условиях постоянно увеличивающегося количества триботехнических материалов и технологических методов обработки поверхностей трения возникает необходимость систематизации данных, полученных средствами трибометрии, организации автоматизированных баз данных, информационно-поисковых и экспертных систем. При создании баз данных всегда встает вопрос о сопоставимости результатов различных экспериментальных исследований. В трибологии отсутствуют инвариантные, т.е. не зависящие от методов и режимов их определения показатели. В связи с этим необходима разработка единых научно обоснованных и совершенных с технической точки зрения методов триботехнических испытаний.

Для триботехнических испытаний применяются различные испытательные установки, номенклатура которых достаточно велика и уже с трудом поддается учету. Часто используются установки, выполненные в единственном экземпляре. Сравнивать полученные на различном испытательном оборудовании результаты экспериментальных исследований затруднительно, так как на процессы трения и изнашивания влияет большое количество факторов, в том числе жесткостные и вибрационные характеристики систем измерения [2]. Следовательно, методика испытаний, применяемое автоматизированное оборудование и управляющие программы должны быть составными частями единой системы как единого метода испытаний.

Существующие стандартные методы испытаний ориентированы на конкретные области использования, перечень которых весьма ограничен, классифицированы по объектам испытаний. Анализ результатов исследований, проведенных в рамках международного трибологического проекта VAMAS (Versailles Project on Advanced Materials and Standarts) [8], посвященного сопоставлению и унификации используемых в мировой практике методов испытаний на трение и изнашивание, показал следующее. Количество существующих международных стандартов мало. Практически очень мало существующих в разных странах стандартных методов имеют одинаковую область применения, и они зачастую дополняют друг друга. Многие методы совпадают по сути, но имеют отличия в отдельных элементах методики.

Следует отметить, что фактически существующие стандартизованные и распространенные нестандартизованные методы лабораторных испытаний, за редким исключением, предназначены для оценки триботехнических характеристик материалов. Поэтому в методике, как правило, заранее оговаривается или вовсе не учитывается способ подготовки испытуемой поверхности образца. По мнению автора, в настоящий момент актуально рассмотрение триботехнических свойств поверхности трения, получившей определенное технологическое воздействие, ведь поверхностные слои трибоэлементов, характеризующиеся совокупностью геометрических и физико-механических параметров качества, оказывают основное влияние на процессы трения и изнашивания.

Реализация перспективного одноступенчатого решения задачи технологического обеспечения износостойкости сдерживается из-за отсутствия базы данных по зависимости триботехнических показателей от условий обработки трибоэлементов [12].

Отсутствие единого нормализованного метода испытаний, применимого для данной области, привело к многообразиям экспериментальных исследований и получению несопоставимых данных по износостойкости [13].

Будем рассматривать триботехнические испытания цилиндрических поверхностей трения при трении скольжения в условиях граничной смазки. Обзор исследований показал, что большинство из них проводились применительно к наружным цилиндрическим поверхностям при испытаниях по схеме «вал - колодка», имитирующей наиболее распространенное сопряжение «вал - втулка». При этом не было единого подхода к выбору материала контртела, его обработки, назначению нагрузочно-скоростных параметров испытания, выбору оборудования и схем измерения, что и привело к получению несопоставимых данных [13]. Сама схема «вал - колодка» обладает рядом недостатков, которые существенно ухудшают повторяемость опытов. В частности, при испытании по такой схеме изнашивается как образец, так и контртело, что усложняет интерпретацию результатов. Изготовление колодок для испытаний наружных и внутренних цилиндрических поверхностей достаточно трудоемко и материалоемко. При испытании практически невозможно обеспечить одинаковое прилегание цилиндрических образцов и колодок, что значительно увеличивает период приработки на макроскопическом уровне [7] и может привести к срабатыванию сформированного технологическими методами обработки поверхностного слоя. К тому же, как известно, история приработки в значительной степени влияет на процесс установившегося изнашивания. Результаты испытаний по данной схеме в большинстве случаев нельзя использовать применительно к реальным узлам трения, а только лишь для качественной сравнительной оценки [1].

Представляется более целесообразным для триботехнических испытаний цилиндрических поверхностей трения использовать схему с сосредоточенным (герцевским) контактом, при реализации которой можно избежать перечисленных недостатков. Для такой схемы можно использовать малогабаритные, относительно простые, но в то же время высокоточные системы нагружения, а также инденторы простой геометрической формы в качестве сменных трущихся элементов, применяемые для производства стандартных изделий, которые дешевы и недефицитны, в высокой степени идентичны по форме, размерам, объемным и поверхностным свойствам. Все это хорошо отразится на воспроизводимости экспериментов. В практике триботехнических испытаний, как показывает анализ, уже применялись подобные схемы [6], однако они были реализованы таким образом, что номинальная (или контурная) площадь контакта изменялась в процессе испытания по мере изнашивания образца и/или контртела. Единого подхода к интерпретации результатов триботехнических испытаний, проведенных при постоянно изменяющихся условиях трения, пока нет [6].

В предлагаемом методе в качестве индентора используется твердосплавный ролик диаметром 15,2 мм и шириной 4,6 мм, представляющий собой серийно выпускаемую сменную неперетачиваемую пластину, применяемую для металлорежущего инструмента. Одинаковые инденторы используются для испытания как наружных, так и внутренних цилиндрических поверхностей (рис. 1) при трении скольжения в режиме граничной смазки. Возможно аналогично проводить испытания плоских поверхностей при трении индентора по торцу цилиндрического образца.

а) б)

Рис. 1. Схемы испытаний цилиндрических поверхностей: а - наружных; б - внутренних

Индентор принимается абсолютно жестким, гладким и неизнашиваемым за один цикл испытаний, что подтверждено предварительной серией экспериментов. Схемы с трением по радиальной цилиндрической поверхности вращающегося образца реализуются в большинстве серийно выпускаемых машин трения. За базовую установку была взята машина трения мод. МИ-1М. Для закрепления испытуемых образцов были изготовлены сменные держатели образца и индентора, обеспечивающие самоустановку последнего относительно поверхности трения образца на промежуточной сферической опоре (рис. 2).

Применение описанной схемы позволяет улучшить равномерность приложения нагрузки, износа образца и исключить период приработки на макроскопическом уровне, длительность которого существенно выше, чем на микроуровне [7], что значительно сокращает общую продолжительность испытаний. Испытания проводятся практически при постоянных условиях трения и смазки, постоянной геометрии контакта. Из рассмотрения исключается фактор контртела, параметры которого не изменяются в течение одного цикла испытаний, что значительно облегчает интерпретацию результатов и позволяет оценивать износостойкость поверхности трения образца применительно к практически неизменному, фиксированному качеству поверхностного слоя индентора.

а) б)

Рис. 2. Держатели индентора и способы установки образцов для испытаний цилиндрических поверхностей: а - наружных; б - внутренних

Метод испытаний разрабатывался на основе общего подхода, изложенного в литературе [16], с учетом ГОСТ 30480-97 и ГОСТ 30858-2003. Для получения достоверных и воспроизводимых результатов необходимо максимально строгое и точное воспроизведение и поддержание в процессе испытаний всех контролируемых условий и режимов трения. Размеры образцов назначались в соответствии с требуемой скоростью скольжения и ГОСТ 30480-97, согласно которому диаметр образца, испытываемого на машине трения, должен быть не менее чем в 2,3 раза больше диаметра шпинделя машины. Скорость скольжения, принятая равной 1м/с, назначалась по результатам анализа условий работы типовых узлов трения с цилиндрическими поверхностями и исходя из требования обеспечения граничного режима смазки, о чем подробнее будет сказано ниже. Испытания по предлагаемому методу проводятся при комнатной температуре (без использования внешних нагревателей или охлаждающих устройств). Продолжительность испытаний, принятая равной 5 ч, установлена по результатам предварительных экспериментов. За это время полностью завершается процесс приработки и износ образца достигает измеримой современными средствами величины. Достаточно надежным критерием окончания приработки является стабилизация значений коэффициента трения, интенсивности изнашивания и температуры. Поверхности трения образца и индентора непосредственно перед опытом тщательно очищаются промывочными жидкостями и просушиваются. В качестве смазочного материала при испытаниях используется масло И-20А, как наиболее распространенное и недифицитное, характеристики которого хорошо изучены. Смазывание осуществляется окунанием образца на фиксированную глубину в ванночку со смазочным материалом постоянного объема и конфигурации.

Нагрузки на индентор выбираются исходя из недопустимости достижения предельной величины относительного сближения и требования обеспечения условий граничной смазки.

Предельная величина относительного сближения определена значением е=0,38 [7], после достижения которого дальнейшее увеличение нормальных напряжений будет приводить к макроскопическим деформациям контактирующих тел, на которые деформации в зонах фактического контакта микронеровностей не будут влиять. Начиная с указанной величины относительного сближения будет сказываться взаимное влияние микронеровностей на процессы деформирования поверхностного слоя.

Величина контактного сближения далее рассчитывается в предположении преобладания его пластической составляющей при начальном приложении нагрузки. Справедливость данного допущения будет показана ниже. При коэффициенте трения f?0,4 увеличением сближения вследствие наличия относительного скольжения контактирующих поверхностей можно пренебречь [7].

Предложена формула для расчета пластических деформаций поверхностного слоя одной из контактирующих деталей с учетом шероховатости, волнистости и физико-механических свойств [11], полученная на основе следующих соотношений:

; ; ,(1)

где Ar, Ac, Aa, - соответственно фактическая, контурная и номинальная площади контакта; tm, tmw - относительная опорная длина соответственно профиля шероховатости и волнистости на уровне средней линии; Rp, Wp - высота сглаживания соответственно профиля шероховатости и волнистости; yпл - величина пластических деформаций; N - приложенная нагрузка; С - коэффициент стеснения; k - коэффициент упрочнения поверхностного слоя; ут - предел текучести материала; Hм0 - микротвердость поверхности.

Так как в предложенной схеме испытаний исключается влияние макроотклонения на величину контактных деформаций, то величину пластических деформаций можно определить как [11]

Учитывая тесную корреляционную связь параметров Rp=3Ra, Wp=0,6Wz и принимая tm=0,5, tmw=0,5, н=2, нw=2 и [11], получим

, (2)

где Pa=N/Aa - номинальное контактное давление.

Величина относительного сближения, обусловленная пластическими деформациями, с учетом формулы (2):

.(3)

Величину номинального контактного давления Pa для рассматриваемого случая контакта определяют по формулам теории Герца [7].

Из формулы (3) очевидно, что нагрузки, соответствующие определенной величине контактного сближения, в значительной мере определяются отношением .

Используя формулы (1), найдем отношение Ac/Aa:

. (4)

Очевидно, что Ac/Aa<1. Тогда с учетом формулы (3) после несложных преобразований получим

.

Для величины относительного сближения е=0,33 получим Wz>2,33Ra. Можно показать, что при е=0,33 и Wz=2,33Ra при расчете по формуле (4) контурная площадь Ac будет равна номинальной, Aa. Таким образом, при Wz<2,33Ra величиной Wz в расчетах можно пренебречь, а в формулу (3) подставить Wz=2,33Ra, что соответствует случаю Ac=Aa.

В рассматриваемой схеме контакта в общем случае реализуется граничный режим смазки с элементами эластогидродинамики [4]. Для оценки режима смазки в парах трения с неконформными поверхностями в ряде работ [14] рекомендуется использовать критерий л, представляющий собой отношение теоретической толщины эластогидродинамической пленки смазочного материала h для гладких поверхностей к эквивалентной шероховатости:

.(5)

При л<0,4 устанавливается режим граничной смазки.

Величина h для рассматриваемого контакта определяется из соотношения [15]

, (6)

где R - приведенный радиус контактирующих цилиндров; з, б - динамическая вязкость и пьезокоэффициент вязкости смазочного материала; P0 - максимальное давление в контакте по Герцу; E` - приведенный модуль упругости; v - скорость скольжения.

Условия граничной смазки предложено определять с учетом пластических деформаций поверхностного слоя [11] неравенством, которое для рассматриваемого случая можно записать в виде

, (7)

где П - комплексный параметр свойств поверхностного слоя, определяющий несущую способность контактирующих деталей машин [11]; f - коэффициент трения скольжения.

По результатам расчета по программе на ЭВМ с использованием приведенных зависимостей (3, 5 - 7) получены значения нагрузок на индентор для проведения испытаний:

При расчете нагрузок по результатам анализа [10, 11, 12] принимались диапазоны варьирования: Ra=0,1…3,2 мкм; Wz=0,3…10 мкм; Hм0=2000…5500 МПа. Так как поверхность индентора условно принимается абсолютно гладкой, то она должна быть доведена до Ra?0,1/10=0,01 мкм [7]. Аналогично получены данные для внутренних цилиндрических и плоских поверхностей.

При выборе нагрузок в указанных диапазонах расчетное относительное сближение составит е=0,3…0,33 при реализации режима граничной смазки. Дополнительно проведенный расчет [7] показал, что во всем диапазоне предложенных нагрузок реализуется пластический насыщенный контакт, что подтверждает правомерность принятых допущений. Пластический насыщенный контакт достигается в тяжелонагруженных узлах трения, подшипниках скольжения, соединениях деталей, имеющих контакт в ограниченной области [7].

Для реализации метода испытаний на базе серийной машины трения МИ-1М создана автоматизированная система научных исследований (АСНИ) с учетом современных требований к измерительным системам, изложенных в соответствующих нормативных документах [3]. АСНИ включает модернизированную машину трения, спроектированную оригинальную систему нагружения (рис. 3), измерительные датчики, систему сбора данных, ЭВМ и разработанное программное обеспечение. На этапе разработки системы нагружения формировалась расчетная динамическая модель [2], а также конечноэлементная модель в среде программно-вычислительного комплекса SCAD для определения прочностных и жесткостных характеристик системы. Измерительная система включает датчики прикладываемой нагрузки, момента трения, температуры смазочного материала и линейного сближения образца и индентора. Датчик нагрузки представляет собой упругий чувствительный элемент в виде восьмигранника [17] с наклеенными фольговыми тензорезисторами на пленочной основе КФ5П1-10-400 производства НПО «Веда», соединенными по мостовой схеме.

Рис. 3. Система нагружения АСНИ с измерительными датчиками:

1 - датчик нагрузки; 2 - индентор; 3 - образец; 4 - датчик температуры

В качестве датчика момента трения используется маятниковый моментомер машины трения. Действие маятниковых датчиков основано на компенсации момента трения реактивным моментом отклоненного маятника. Основным недостатком такого датчика является его инерционность, однако для данного метода испытаний это не слишком существенно ввиду значительной их продолжительности по времени. Чувствительность маятникового датчика регулируется с помощью набора сменных грузов. Для измерения угла отклонения маятника вместо примененного в базовом варианте машины трения самописца установлен тензометрический датчик перемещения. Температура смазочного материала измеряется серийно выпускаемой погружной термопарой ТХК. Измерение температуры смазочного материала в процессе испытания не позволяет количественно оценить температуру в зоне трения. Однако, отслеживая динамику ее изменения, можно установить момент стабилизации температуры, что является одним из критериев завершения приработки.

Методы измерения износа регламентируются ГОСТ 27860-88. Их условно можно разделить на методы, которыми можно измерять износ в процессе испытания без останова машины трения, и методы, применимые только после снятия образцов. Применение методов второй группы не позволяет полностью автоматизировать процесс испытаний. К тому же всякий повторный перерыв в испытаниях, разобщение и снятие образцов приводят при продолжении испытаний к повторной приработке и износам, которые могут на порядок превышать износ в стационарном процессе. К методам первой группы можно отнести спектроскопические, радиометрические и методы измерения сближения при испытании. Спектроскопические методы обладают недостаточной чувствительностью, а радиометрические сложны и требуют дорогостоящего оборудования. Анализ исследований показал, что существует три зарекомендовавшие себя схемы измерения сближения в процессе испытания (рис. 4). В первой схеме [9] в качестве измерительной базы используется станина установки (рис. 4 а). Такая схема пригодна для измерения сравнительно больших величин износов, так как при этом в измеряемую величину сближения входят, кроме непосредственно износа, величина тепловых деформаций образца 1, индентора 2 и плиты 3 и величина радиальных биений образца 1. Этих недостатков лишена вторая схема [10] (рис. 4 б), где в качестве измерительной базы используется поверхность образца 1. Однако здесь щуп датчика 4, скользящий по поверхности образца 1, подвержен износу. Поэтому его приходится периодически выводить из контакта, что приводит к дополнительным погрешностям.

а) б) в)

Рис. 4. Схемы измерения износа в процессе испытаний

Применение второй схемы требует от исследователя выполнения дополнительных операций при испытании. К тому же расположение датчика непосредственно вблизи поверхностей трения неизбежно приводит к влиянию на него температурного фактора. В описываемой АСНИ измерение износа реализовано по третьей схеме [5] (рис. 4 в) - с адаптирующейся базой отсчета, - которая лишена недостатков, присущих двум другим схемам. Реализуя ее, можно добиться погрешности измерения износа ±0,1 мкм [5]. Принцип действия устройства состоит в том, что база, относительно которой измеряется контактное сближение образца 1 и индентора 2, получает дополнительное перемещение, совпадающее по направлению и равное по абсолютной величине перемещению образца, вызванному его радиальными биениями и тепловым расширением. При включении привода вращения образца 1 индентор 2 вместе с плитой 3 и датчиком линейных перемещений 4 совершает периодические перемещения в вертикальной плоскости с амплитудой, равной величине радиальных биений. Компенсатор 5 вместе с индентором 2 беспрепятственно перемещается в верхнее положение, а не доходя до нижнего положения, встречает на своем пути упор 7. В результате их взаимодействия компенсатор 5 сместится относительно индентора на величину, равную амплитуде колебаний, вызванных радиальным биением образца. Пружина 6 зафиксирует новое положение компенсатора относительно индентора. В этот момент фиксируется нуль датчика линейных перемещений 4. Аналогичным образом компенсируется тепловое расширение образца. Так как корпус датчика линейных перемещений, связанный с индентором, и щуп, связанный с компенсатором, имеют равные по величине и направлению перемещения, то на регистрирующий прибор не поступает сигнал, вызванный радиальными биениями и тепловым расширением образца. При изнашивании образца компенсатор, увлекаемый индентором, взаимодействует с упором и смещается на величину износа образца. Тогда щуп сместится относительно корпуса датчика линейных перемещений, а регистрирующее устройство запишет процесс изнашивания во времени. В качестве датчика линейных перемещений применен индуктивный датчик Н-30 с Ш-образной системой завода «Калибр» точностью до 0,1 мкм. На этапе отладки системы износ измерялся как с помощью рассмотренной схемы, так и методом естественных баз со снятием профилограмм с поверхности образца после испытаний.

Основной функцией системы сбора данных в АСНИ является регистрация поступающих с датчиков сигналов. Она включает мобильный измерительный комплекс, систему согласования SC-2345 и плату сбора данных M-серии PCI 6220 производства компании National Instruments.

Программное обеспечение АСНИ разработано в среде программирования NI LabVIEW 7. Программа содержит модули ввода исходных данных, тарировки датчиков и установки нуля, обработки и визуализации данных и обеспечивает отображение на мониторе измеряемых параметров (нагрузки, коэффициента трения, линейного износа образца, температуры смазочного материала, пути трения) в виде графиков в реальном времени. После испытаний автоматически генерируется отчет в формате HTML и создается ячейка в единой базе данных, которая включает набор данных, сформированных с учетом ГОСТ 30858-2003: исходные параметры эксперимента, максимальные и средние значения интенсивности изнашивания (), коэффициента трения () и температуры () в период приработки, средние значения интенсивности изнашивания (), коэффициента трения () и температуры () в период нормального изнашивания, общий путь трения (L) и путь приработки (), а также симплексы . Интерфейс главного модуля программы с типичными результатами испытаний представлен на рис. 5.

Рис. 5. Интерфейс главного модуля программы АСНИ

Следует отметить потенциальную возможность базирования разработанной АСНИ на любой установке, имеющей привод, при устройстве соответствующего датчика момента или силы трения и проведении уточненных расчетов.

Предлагаемый метод испытаний позволит оперативно создать базу данных по технологическому обеспечению износостойкости и пополнять ее достоверными данными.

Список литературы

Браун, Э.Д. Моделирование трения и изнашивания в машинах / Э.Д. Браун, Ю.А. Евдокимов, А.В. Чичинадзе. - М.: Машиностроение, 1982. - 191 с.

Голего, Н.Л. Схемы и динамические модели машин для триботехнических испытаний / Н.Л. Голего, В.А. Козаков // Трение и износ. - 1980. - Т. 1. - №2. - С. 334-340.

Гуртовцев, А.Л. Метрология цифровых измерений / А.Л. Гуртовцев // Современные технологии автоматизации. - 2008. - №1. - С. 66-74.

Дроздов, Ю.Н. Метод выбора керамических материалов для пары трения «кулачок-толкатель» / Ю.Н. Дроздов, А.Г. Хуршудов, В.И. Панин // Трение и износ. - 1993. - Т. 14. - №3. - С. 479-485.

Кирпиченко, Ю.Е. Устройство для прецизионного измерения износа полимерных материалов / Ю.Е. Кирпиченко, В.В. Невзоров, В.Л. Котов, Л.А. Пинчук // Трение и износ. - 1987. - Т. 8. - №5. - С. 921-923.

Козырев, Ю.П. Применение сферических контртел в роликовых машинах трения // Ю.П. Козырев, Д.Г. Точильников, Б.М. Гинзбург // Трение и износ. - 1992. - Т. 13. - №5. - С. 892-899.

Крагельский, И.В. Узлы трения машин: справочник / И.В. Крагельский, Н.М. Михин. - М.: Машиностроение, 1984. - 280 с.

Пекошевски, В. Системный анализ методологии трибологических испытаний конструкционных материалов / В. Пекошевски, В. Потеха, М. Щерек, М. Вишневски // Трение и износ. - 1996. - Т. 17. - №2. - С. 178-186.

Прокопенко, А.К. Избирательный перенос в узлах трения машин бытового назначения / А.К. Прокопенко. - М.: Легпромиздат, 1987. - 101 с.

Рыжов, Э.В. Технологические методы повышения износостойкости деталей машин / Э.В. Рыжов. - Киев: Наукова думка, 1984. - 272 с.

Суслов, А.Г. Качество поверхностного слоя деталей машин / А.Г. Суслов. - М.: Машиностроение, 2000. - 320 с.

Суслов, А.Г. Технологическое обеспечение и повышение эксплуатационных свойств деталей и их соединений / А.Г. Суслов [и др.]; под общ. ред. А.Г. Суслова. - М.: Машиностроение, 2006. - 448 с.

Суслов, А.Г. К вопросу о нормализации испытаний на трение и изнашивание / А.Г. Суслов, А.О. Горленко, М.И. Прудников // Стандартизация и менеджмент качества: сб. науч. тр. / под ред. О.А. Горленко, Ю.П. Симоненкова. - Брянск: БГТУ, 2006. - С. 33-39.

Тихомиров, В.П. Методы моделирования процессов в триботехнических системах: учеб. пособие / В.П. Тихомиров, О.А. Горленко, В.В. Порошин. - М.: МГИУ, 2004. - 292 с.

Трение, изнашивание и смазка: справочник / под ред. И.В. Крагельского, В.В. Алисина. - М.: Машиностроение, 1979. - Кн. 2. - 358 с.

Чихос, Х. Системный анализ в трибонике / Х. Чихос. - М.: Мир, 1982. - 352 с.

Saglam, H. Three-component, strain gage based milling dynamometer design and manufacturing / H. Saglam, A. Unuvar // Transactions of the SDPS. - 2001. - Vol. 5. - №2. - P. 95-109.

Размещено на Allbest.ru