Програма та методика експериментальних досліджень зношування деталей шестеренних насосів

Размещено на http://www.allbest.ru/

Таврійський державний агротехнологічний університет імені Дмитра Моторного

Програма та методика експериментальних досліджень зношування деталей шестеренних насосів

В'юник О.В. інж.

Сєрий І.С., к. т. н.

Смєлов А.О., к. т. н.

Програма та методика експериментальних досліджень впливу епіламних покриттів на зносостійкість деталей насоса

В'юник О.В., Сірий І.С., Смєлов А.О.

Анотація

зносостійкість деталь насос

Ефективність роботи сільськогосподарської техніки залежить, головним чином, від її надійності. Працездатність і ресурс техніки в значній мірі визначаються інтенсивністю зношування деталей тертя. Від матеріалу і покриття трібоспряжень залежить зносостійкість і довговічність вузлів тертя при експлуатації. В статті наведено програму і методику експериментальних досліджень впливу епіламних покриттів на зносостійкість деталей насосу НШ-К. Представлена методика мікрометражних досліджень деталей та методика визначення функціональної залежності між структурними параметрами технічного стану насосу, які обумовлюють об'ємні витрати робочої рідини та впливають на об'ємний коефіцієнт подачі насосу. Описано порядок проведення стендових випробувань. Наведені вимірювані параметри, інструменти, прилади та обладнання для проведення експериментальних досліджень.

Ключові слова: програма, методика, шестеренний насос, дослідження, вимірювання, вимірювальні інструменти, експеримент.

Программа и методика экспериментальных исследований влияния епиламних покрытий на износостойкость деталей насоса

Вьюник О.В., Серый И.С., Смелов А.А.

Аннотация

Эффективность работы сельскохозяйственной техники зависит, главным образом, от ее надежности. Работоспособность и ресурс техники в значительной степени определяются интенсивностью износа деталей трения. От материала и покрытия трибосопряжений зависит износостойкость и долговечность узлов трения при эксплуатации. В статье приведены программа и методика экспериментальных исследований влияния епиламних покрытий на износостойкость деталей насоса НШ-К. Представлена методика микрометражних исследований деталей и методика определения функциональной зависимости между структурными параметрами технического состояния насоса, которые обусловливают объемный расход рабочей жидкости и влияют на объемный коэффициент подачи насоса. Описан порядок проведения стендовых испытаний. Приведены измеряемые параметры, инструменты, приборы и оборудование для проведения экспериментальных исследований.

Ключевые слова: программа, методика, шестеренный насос, исследования, измерения, измерительные инструменты, эксперимент.

Program and methods of experimental studies of the effect of epilam coatings on the wear resistance of pump parts

Viunyk O., Sieryi I., Smielov A.

Summary

The efficiency of agricultural machinery depends mainly on its reliability - the ability to perform given functions with minimal labor costs and material resources for a long time. The efficiency and resource of agricultural machinery are largely determined by the intensity of wear of friction parts. The practice shows that 80-90% of machine parts fail due to wear. By choosing the right material and coating of the triboconjugation, you can significantly increase the wear resistance and durability of the friction units during operation. From the finish processing of parts depends not only the initial running, but also the subsequent intensity of wear during operation. One of the main advantages of the finishing antifriction non-abrasive treatment is the relative simplicity and versatility of the method, which allows the use of this method in a large machine-building enterprise with mass production, and in a small motor transport enterprise. This work is part of research on improving the post-repair durability of friction units of gear pumps by reducing wear of parts during the run-in period. The article presents the program and methods of experimental studies of the effect of epilam coatings on the wear resistance of gear pump parts. The method of micrometric research of pump parts and the method of determining the functional relationship between the structural parameters of the technical condition of the pump, which determine the volumetric flow rate of the working fluid and affect the volumetric flow rate of the pump. The procedure for conducting bench tests is described. Also the measured parameters, tools, devices and the equipment for carrying out experimental researches are given. Schemes of measurement of details of the gear pump are presented. The proposed program and methods of experimental research will determine the significance of the influence of epilam coatings on the wear resistance of pump parts.

Key words: program, technique, gear pump, research, measurements, measuring instruments, experiment.

Постановка проблеми

В наш час гостро стоїть питання підвищення ефективності використання мобільних машин, які оснащені гідравлічними системами. Одним із шляхів вирішення цього питання є відновлення зношених деталей, яке характеризується комплексом операцій по відновленню справного або працездатного стану деталей та технічного ресурсу. Припрацювання поверхонь тертя деталей після відновлення є важливим резервом підвищення надійності і ресурсу шестеренних насосів після ремонту, отже впровадження прогресивних технологій при ремонті і обкатуванні гідромашин є актуальним.

Аналіз останніх досліджень

Ця робота є складовою досліджень, присвячених підвищенню післяремонтної довговічності вузлів тертя шестеренних насосів НШ-К за рахунок зниження зносу деталей в період припрацювання. Один із шляхів прискорення припрацювання деталей є застосування припрацювальних присадок. У попередній роботі Дідура В., та В'юник О. було проаналізовано різні присадки для припрацювання деталей гідромашин після ремонту і виявлено, що найбільш перспективним є використання комплексних присадок, які містять поверхнево-активні й хімічно активні речовини [1].

Розширення обсягу знань в області фізики, хімії і механіки веде до розуміння складності структури поверхневого шару, яка складається з дефектного шару матеріалу твердого тіла, який утворився при його обробці, плівок окислів, хемосорбованих і адсорбованих шарів.

В проаналізованих роботах автори Yakovleva A.P., Крагельский И.В., Добычин М.Л., Комбалов B.C. використовували поняття молекулярних сил при описі контактної взаємодії [2], загальне рівняння сили тертя поряд з механічним компонентом, містить молекулярну складову [3]. Спільний розгляд молекулярних сил і деформованості граничного шару привело до формулювання поняття «третього тіла» у контакті. В останній час граничний шар мастильного середовища із прилягаючими плівками на твердих контактуючих поверхнях розглядається як один з основних факторів взаємодії [4].

В роботах П.А. Ребиндера використовувався комплексний підхід до розуміння фрикційної взаємодії з позицій фізико -хімічної механіки[5]

Поява високоефективних фізичних методів (растрова електронна мікроскопія, спектроскопія) дослідження структури і складу поверхневих шарів твердих тіл дозволило одержати принципові результати, які можна використовувати при описі зношування як динамічного комплексу процесів руйнування вихідних структур, формування нових структур і їх руйнування. Це дало поштовх до створення теорії фрикційної взаємодії на основі опису процесів масопереносу при терті. Одна з таких теорій запропонована в роботі[6], де автор запропонував модель тертя і вираз для коефіцієнта тертя.

Формулювання мети статті

Провести розрахунково-теоретичний аналіз підвищення довговічності вузлів тертя шестеренних насосів застосуванням фтороорганічних поверхнево - активних речовин (епіламів).

Основна частина

Загальним випадком фрикційної взаємодії [7] є виникнення перенесеної плівки на обох поверхнях тертя деталей (рис. 1).

Поверхні тіл покриті шаром перенесеної речовини (рівної товщини), а ковзання реалізується або на границі розділу 2-2 з коефіцієнтом тертя д, або на границі розділення 1-1, (Г-Г) з коефіцієнтом ju₂. Якщо д> д плівка на поверхні тіла може відшаровуватися частинками.

Структура плівки переносу характеризується істотною неоднорідністю, більшим числом пор, які є мікрорезервуарами для мастильного матеріалу. Дрібнодисперсні частки металу з активною поверхнею слугують також центрами створення полімероподібних продуктів. Присутність у зоні контакту поверхнево-активних речовин з металами приводить до реалізації особливого механізму фрикційної взаємодії, що характеризується колоїдною системою часток у мастильному матеріалі і структурними перетвореннями на поверхні розділення. Це приводить до швидкої адаптації пари тертя і переходу її в сталий режим роботи [7-8].

Рис. 1. Схема фрикційної взаємодії поверхонь, покритих плівками переносу: 1 - 1, (1'- 1') - границі розділу перенесеної плівки і поверхневого шару металу тіл; 2 - 2 границя розділу на рівні «плівка - плівка» перенесені на взаємодіючі тіла; 3 - плівки перенесені на поверхні тіл тертя; 4 - адсорбований і хемосорбований шар змащення; V, V - швидкості руху; Р - навантаження; dA - площа одиничного контакту; h - товщина перенесених плівок

Зміна режиму тертя або властивостей поверхневого шару значно впливають на величину зношування і силу тертя.

При терті, як і при ударі, шорсткості граничних поверхонь при взаємодії, сприймають як пружні, так і сильні локальні пластичні деформації з порушенням структури і появою дислокацій. У результаті збільшується вільна поверхнева енергія, і контактна зона отримує стан сильного активування. Він супроводжується випромінюванням електронів, перетворенням речовин, активацією хімічних реакцій.

Відомо, що зміна за часом у міжатомному зв'язку під навантаженням (довговічність тіла) від напруги (а) і температури (T) описується рівнянням, що лежить в основі кінетичної природи руйнування твердих тіл [9]:

де т - час до руйнування, с.;

т₀ - період теплових коливань атомів, с.;

U -величина енергетичного бар'єра, Дж ; а - напруга, МПа ;

k = 1,38 -10^-23 Дж/К - постійна Больцмана; ї - коефіцієнт, який характеризує міцністні властивості твердого тіла;

T - абсолютна температура, К.

Це загальне рівняння для довговічності справедливо для великого числа найрізноманітніших матеріалів у широкому інтервалі напруг і температур. У середньому для всіх матеріалів, незалежно від їхнього хімічного складу, типів зв'язку й структури, г₀ « 10~¹³ с. Початковий енергетичний бар'єр U₀ (енергія деструкції зв'язку) різний для різних матеріалів і по величині близький до значення енергії від активації розпаду міжатомних зв'язків у твердих тілах. Коефіцієнт у сильно залежить від структурних змін: режиму термообробки, змісту домішок, ступені орієнтації (для полімерів) і пластифікації, кристалографічної орієнтації і щільності дислокацій.

Така ж функціональна залежність (див. 1) кінетичних параметрів від температури спостерігається і для безлічі інших явищ (дифузії, випарування, протікання хімічних реакцій і так далі), які обумовлюються хаотичністю теплового руху атомів і звідси нерівномірністю розподілу теплової енергії між ними [9].

Очевидно, правомірним буде застосування подібної залежності і для процесу динамічної взаємодії тіл, зокрема для процесу граничного тертя металів. Тоді, якщо це процес протікання трибохімічних реакцій, то U - той надлишок енергії в порівнянні із середньою енергією молекул при даній температурі, яку повинні мати молекули, що вступають у хімічну реакцію.

Для коефіцієнта тертя f, аналогічне за видом рівняння має вигляд [8]:

Експерименти, проведені у фізико-технічному інституті Білоруської академії наук разом з Бердянським дослідним маслозаводом показали, що дане рівняння правильнo описує зміну коефіцієнта тертя в інтервалі навантажень від 20 до 240 МПа.

Під модифікуванням поверхонь тертя розуміють хімічне насичення поверхонь тертя у процесі самого тертя. До хімічного модифікування можна віднести і процес вибіркового переносу.

Хімічна модифікація поверхонь тертя залежить від наявності в мастильному матеріалі хімічно-активних речовин, які взаємодіючи з металевими поверхнями, знижують схильність до утворення металевих зв'язків, і перешкоджають схоплюванню і підвищеному зношуванню при важких режимах тертя. У якості критерію П _х, який враховує хімічну модифікацію, можна прийняти співвідношення [9, 10]:

де U - енергія активації розпаду міжатомних зв'язків хімічно модифікованих шарів, Дж;

T - абсолютна температура, К;

R - універсальна газова постійна, (R=8,3 Дж/моль-К).

Зносостійкість поверхонь буде залежати від співвідношення швидкості стирання модифікованих шарів і їх утворення в процесі тертя, від фізико-хімічних властивостей цих шарів, їх розмірів.

Проведені дослідження показують, що шляхом цілеспрямованої зміни зовнішніх умов, складу і природи змащення можна змінювати властивості поверхонь тертя в потрібному напрямку.

З точки зору хімотології процесу зношування деталей при обкатуванні можна виділити п'ять видів фрикційної взаємодії.

Пружне деформування. Напруги в точці контакту в цьому випадку не перевищують границі текучості матеріалу, а зношування відбувається в результаті фрикційної утоми.

Пластичне відтиснення матеріалу. Напруги досягають межі плинності, але матеріал обтікає мікровиступи, які впровадилися. Зношування - результат малоциклової фрикційної утоми.

Мікрорізання. Напруги досягають межі міцності, зношування відбувається за рахунок відриву мікростружок.

Адгезійне порушення фрикційного зв'язку. За рахунок прилипания руйнується захисна адгезійна плівка на поверхні металу.

Когезійний відрив. Міцність фрикційного зв'язку перевищує міцність основного металу, відбувається схоплювання і глибинне виривання металу.

Через те, що мікровиступи шорсткої поверхні неоднакові по висоті і формі, то в процесі припрацювання мають місце всі п'ять видів фрикційної взаємодії. На процеси мікрорізання і пластичного відтискування матеріалу можна впливати шляхом впровадження пластифікуючих присадок в обкаточні мастила. Процес адгезійного порушення фрикційного зв'язку може бути змінений шляхом введення адгезійних присадок. Процес когезійного відриву може бути оптимізований за рахунок протизадирних властивостей масел.

Таким чином, застосування найбільш раціонального набору присадок буде суттєво впливати на зношування деталей аксіально - поршневих гідромашин. У процесі життєвого циклу зношування деталей тертя можна розглядати як суму двох випадкових функцій:

U(t) = f (t) + f (t), (4)

де f ( t ) - функція, що відображає зношування при працюванні; f₂ ( t ) - функція, що відображає зношування при експлуатації.

Інтенсивність зношування деталей машин у процесі припрацювання характеризується комплексним станом поверхонь тертя. У відповідності з існуючим станом про приробіток контактуючих поверхонь деталей, один з її результатів - утворення рівноважної шорсткості, яка не залежить від вихідної і визначається тільки умовами тертя. При досягненні рівноважної шорсткості коефіцієнт тертя і інтенсивність зношування стають мінімальними. Тільки після утворення рівноважного стану поверхневого шару можна говорити про завершення процесу припрацювання. Звідси, підвищення якості процесу припрацювання деталей полягає в скороченні часу досягнення рівноважного стану контактуючих поверхонь, який характеризується найкращими трібологічними параметрами з погляду подальшої експлуатації агрегату.

З точки зору енергетичних перетворень настання рівноважного стану відбувається пропорційно збільшенню енергії активації d (A_a) в одиницю часу, яке визначають із залежності [3]:

де a - постійний коефіцієнт, с/Н;

S - площа контакту, м²; dA_T - енергія тертя, Дж; dA₀ - енергія, що приділяється, Дж.

При постійній площі контакту ( dS/dt = 0 ) процес переходить у рівноважний стан. У процесі припрацювання енергія, яка виділяється, змінюється за складним законом і при деякому критичному значенні S = S _кр досягає граничного значення і залишається незмінною або починає зменшуватися.

Швидкість збільшення площі контакту dS/dt більше при наявності в маслі спеціальних припрацювальних присадок. Це пояснюється більш низьким опором зрушенню плівок переносу, а також тим, що антифрикційні покриття в більшості випадків більш пластичні в порівнянні з основним шаром металу. Розділення поверхонь легкоплавкими евтектиками поліпшує їх припрацьованність, перешкоджає металевому схоплюванню на ділянках контакту в початковий момент і підвищує несучу здатність пар тертя. У процесі роботи опір поверхонь зношуванню і задирам визначається властивостями матеріалів деталей, і масел, які застосовуються. Процеси контакту, тертя і зношування, як правило, пов'язані з безпосередніми фізичними взаємодіями поверхонь, які здійснюють відносні рухи. На всі ці процеси впливає масло, яке виконує наступні функції: розділяє поверхні тертя і зменшує площу безпосереднього контакту металевих поверхонь; змінює пластичні властивості взаємодіючих поверхонь; охолоджує поверхні тертя і змиває з них або вимиває із зазорів частки металів і їх оксидів, які мають абразивний вплив на поверхні тертя. При наявності плівки переносу, поверхні тертя переміщаються одна щодо іншої з малим опором зрушенню і без яких-небудь ушкоджень. Залежно від товщини плівки (10^-3..,10^-2), розподілу в ній профілів і ступені геометричного прилягання поверхонь виникають різні режими змащування.

Припрацювання деталей качаючого вузла аксіально-поршневих гідромашин відбувається в режимі граничного змащення. Цей режим характеризується наступними особливостями: поверхні розташовані на близькій відстані і між поверхнями існує контакт; гідродинамічні явища і вплив об'ємних реологічних властивостей масла малі і не суттєві; трибологічна поведінка системи визначається поверхневими взаємодіями між тонкими плівками переносу і твердими поверхнями.

Основне призначення масел полягає в створенні між поверхнями, що рухаються, плівки, здатної зменшити число прямих взаємодій твердих тіл, і характеризується малим опором здвигу. Граничне мащення повинно мати високу адгезію до поверхні тертя, зменшувати зношування і мати малу міцність на зріз, що забезпечує низьке тертя.

Взаємодія твердого тіла з маслом, яке приводить до появи захисної граничної плівки, може бути представлена трьома механізмами: фізичною і хімічною адсорбцією, хімічною реакцією.

Фізична адсорбція характеризується тим, що молекули мащення затримуються на поверхні металу силами Ван-Дер-Ваальса [3]. Полярні молекули мащення, наприклад, стеаринової кислоти, приєднуються до металу головним чином у вертикальній орієнтації, утворюючи міцну плівку. Ця плівка протистоїть проникненню нерівностей і тим самим перешкоджає контакту металу з металом. Багато молекул зближаються гранично щільно і зміцніють плівку поперечними когезійними силами. Зона малої міцності на зріз створюється між зовнішніми поверхнями двох монослоїв, адсорбованих прилягаючими металевими поверхнями. Система граничного мащення з фізичною адсорбцією плівки чутлива до температури, оскільки нагрівання викликає десорбцію, порушення орієнтації і плавлення плівки. Тому граничне мащення з перевагою механізма фізичної адсорбції застосовується при низьких температурах і в умовах малого тепловиділення при терті, тобто при малих навантаженнях і швидкостях ковзання пар тертя. У системі граничного мащення може виникати хімічна адсорбція (хемосорбція), коли молекули змащення втримуються на поверхні хімічними зв'язками. Прикладом служить взаємодія стеаринової кислоти з окисом заліза в присутності води з утворенням на поверхні плівки «металевого мила» із стеарата заліза. «Металеве мило» має більш високі міцністні властивості на зріз і температуру плавлення (390 К), що підвищує стійкість плівки.

Хімічно адсорбовані плівки мають ефективну змащувальну здатність, аж до температури плавлення, незалежно від того, утворені вони на поверхні реагуючої чи ні. Вони забезпечують змазування при помірних температурах, навантаженнях, швидкостях ковзання, але виявляються непридатними у важких робочих умовах через порушення орієнтації, розм'якшення або плавлення плівки. У системі із граничним змащенням між твердими поверхнями і молекулами мащення можуть протікати хімічні реакції, коли існує обмін валентними електронами, і утворюються нові хімічні речовини (плівки солей металів, що володіють малою міцністю на зріз, але високою температурою плавлення). Ці плівки більш стійкі ніж будь-яка фізично або хімічно адсорбована плівка. Граничні мащення, що виникають у результаті хімічної реакції, придатні для високих навантажень, температур і швидкостей ковзання, але вони не повинні бути занадто активними. У противному випадку розвивається корозійно-механічне зношування.

Висновки

Таким чином, дослідження показують, що:

працездатність масла визначається стабільністю плівки на нерівностях металу, яка, у свою чергу, залежить від взаємодії металу, масла і навколишнього середовища, а також від тепловиділення на поверхнях розділу при терті. Ушкодження поверхні тертя деталі виникає у випадку, якщо контактний тиск перевищить величину несучої здатності плівки змащення;

руйнування поверхневих плівок може відбуватися поетапно. Спочатку руйнуються або термічно розкладаються зовнішні шари (фізично або хімічно адсорбовані), а потім внутрішні (оксидні і зміцнені). Таким чином, механізми порушення працездатності таких плівок масла на поверхнях тертя деталей визначаються фізичною і хімічною природою захисних поверхневих шарів, а також умовами контакту нерівностей.

Список використаних джерел

1. Ремонт автомобілів: навчальний посібник/ В.Я. Чабанний та ін. Кіровоград: Кіровоградська районна друкарня, 2007. 720 с.

2. Черкун В.В. Підвищення зносостійкості цапф шестерень гідронасосів фінішною антифрикційною безабразивною обробкою: автореф. дис. ... канд. техн. наук: спец. «Тертя та зношування в машинах». Київ, 2011. 19 с.

3. Fox M. Polymer Tribology, Lube Magazine. 2016. Vol. 135. P. 32-37.

4. Aldousiri B., Shalwan A., Chin C.W. A review on tribological behavior of polymeric composites and future reinforcements. Advances in Materials Science and Engineering. Vol. 2013. P. 1-8.

5. Закалов О.В., Закалов І.О. Основи тертя і зношування в машинах: навч. посіб. Тернопіль, Видавництво ТНТУ ім. І. Пулюя, 2011. 322 с.

6. Elvis A.l, Shahrir A., Ahmad K., Andanastuti M., Khairuddin O. Comparative Study of Characteristic of Lubricant Oils in Gasoline and Compressed Natural Gas Engines European Journal of Scientific Research. 2009. Vol.30 No.2 (2009). Р.282-293.

7. Посвятенко Е.К., Кропівний В.М., Посвятенко Н.І., Русских В.В. Ремонт шестеренних насосів гідросистем дорожніх машин. Збірник наукових праць ХНАДУ. Харків. 2008. Выпуск 38. С. 122-136.

8. Ковалевський С.В., Лукічов О.В., Матвієнко С.А. Аналіз стану проблеми реновації деталей автомобілів технологічними методами ВісникЖДТУ. 2012. № 3. С. 74-79.

9. Дідур В.В., Паніна В.В., В'юник О.В. Спосіб підвищення післяремонтної довговічності шестеренних насосів. Праці Таврійського державного агротехнологічного університету. Мелітопль, 2019. Вип. 19, т. 4. С. 110-117.

10. В'юник О.В., Дідур В.В., Паніна В.В., Дашивець Г.І. Теоретичні підходи застосування різних присадок при обкатуванні гідромашин Науковий вісник ТДАТУ. Мелітопль, 2020. Вип. 10, т. 1. С. 206-115.

11. Паніна В.В., В'юник О.В., Дашивець Г.І., Журавель Д.П. Взаємозамінність, стандартизація та технічні вимірювання: навч.-метод. посіб. до лабораторного практикуму для самостійної роботи. Мелітополь: «Люкс», 2019. - 84 с.

12. Черкун В.Е. Ремонт тракторных гидравлических систем.М.: Колос, 1984 - 253 с.

13. Yakov Nemyrovskyi., et al. “Improving the Durability of Agricultural Machinery Parts by Applying Antifriction Coatings". Acta Scientific Agriculture Volume 4 Issue 5. 2020. 46-49.

14. Ремонт машин та обладнання: підручник / О.І. Сідашенко та ін. К.: Агроосвіта, 2014. 665 с.

15. K. Friedrich Polymer composites for tribological applications Advanced Industrial and Engineering Polymer Research Vol. 1. Issue 1. 2018. P. 3-39.

16. Simon, C.T., Michael, L.M. Automotive tribology overview of current advances and challenges for the future. Tribology International, 2004. Vol. 37: 517-536.

Размещено на Allbest.ru