Метод дослідження протизносних властивостей мастильних матеріалів при радіальних коливаннях валу 
Метод дослідження протизносних властивостей мастильних матеріалів при радіальних коливаннях валу
2
НАЦІОНАЛЬНИЙ АВІАЦІЙНИЙ УНІВЕРСИТЕТ
ШИМЧУК СЕРГІЙ ПЕТРОВИЧ
УДК 621.891/892.004.12
МЕТОД ДОСЛІДЖЕННЯ ПРОТИЗНОСНИХ ВЛАСТИВОСТЕЙ МАСТИЛЬНИХ МАТЕРІАЛІВ ПРИ РАДІАЛЬНИХ КОЛИВАННЯХ ВАЛУ
Спеціальність 05.02.04 - Тертя та зношування в машинах
Автореферат
дисертації на здобуття наукового ступеня
кандидата технічних наук
Київ - 2008
Дисертацією є рукопис
Робота виконана в Національному авіаційному університеті Міністерства освіти і науки України
Науковий керівник кандидат технічних наук,
старший науковий співробітник
Стельмах Олександр Устимович,
Національний авіаційний університет
Офіційні опоненти:
доктор технічних наук, професор
Кравець Іван Андрійович,
Національна академія оборони України Міністерства оборони України, м. Київ, професор кафедри логістики
кандидат фізико- математичних наук, старший науковий співробітник
Міщук Олег Олександрович,
Український науковий-дослідний інститут нафтопереробної промисловості “МАСМА” Міністерства палива та енергетики України, м. Київ, провідний науковий співробітник
Захист відбудеться “6” березня 2008 р. о “15” годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 26.062.06 в Національному авіаційному університеті за адресою: 03680, м. Київ, просп. Космонавта Комарова, 1, корпус 1, аудит. 334
З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Національного авіаційного університету за адресою: 03680, м. Київ, просп. Космонавта Комарова, 1, корпус 8
Автореферат розісланий “2 ” лютого 2008 р.
Вчений секретар спеціалізованої вченої ради,
кандидат технічних наук О.Ю. Корчук
ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ
Актуальність теми. Сучасне машинобудування досягло свого нечуваного розвитку завдяки втіленню в життя наукових досягнень багатьох попередніх поколінь. Технологічні машини і техніка в цілому на сьогодні виконують надскладні завдання у сфері виробництва та експлуатації. Разом з тим вирішення проблеми виходу з ладу агрегатів через спрацювання поверхонь тертя їх виконавчих елементів є особливо актуальним.
Як свідчить статистика, 80-85 % виходу з ладу машин відбувається з причини зношування вузлів та деталей. Подолання тертя поглинає 30-40 % всієї енергії, що виробляється. Майже 40 % вироблюваного металу витрачається на заміну спрацьованих деталей, а не на виробництво нових. Тому підвищення надійності і довговічності машин та механізмів значною мірою залежить від вирішення триботехнічних задач, що займають ключове місце у механічних системах типу „поверхні тертя - змащувальне середовище”.
Один із найбільш ефективних способів підвищення ресурсу трибовузлів - правильний підбір мастильних середовищ. Наявність великого асортименту на ринку нафтопродуктів мастильних матеріалів та присадок до них породжує проблему оцінки їх основних експлуатаційних властивостей - протизносних і антифрикційних. Самим дешевим та відносно простим способом визначення основних трибологічних властивостей мастильних середовищ є їх випробування на лабораторних приладах тертя. Враховуючи неможливість передбачити конструкцією лабораторних приладів усіх факторів, які об'єктивно існують у реальних трибосистемах, доцільно закладати при їх проектуванні лише ті, які чинять домінуючий вплив на тертя та зношування.
Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами.
Результати, які наведені в роботі, отримано при виконанні тем: 929-Х99 „Розробка і створення трибологічного комплексу „ДЕДАЛ” по експериментальному визначенню протизносних і антифрикційних властивостей мастильних матеріалів та присадок до них, а також конструкційних матеріалів і покриттів поверхонь тертя в умовах граничного змащування”, 309-Х06 „Розробка та створення автоматизованої системи вимірювання параметрів дизельних двигунів типу УТД-20 та В-6 при проведенні випробувань з використанням ПЕОМ”, 142-ДБ04 „Дослідження впливу джерела змінного магнітного поля на деталі підшипників кочення” (№0104U003739), 227-ДБ05 „Методологія оцінки зносостійкості покриттів для швидкорізального інструменту в залежності від триботехнічних характеристик” (№0105U001814), 384-ДБ07 „Дослідження фізико-хімічної механіки утворення вторинних структур при терті в умовах граничного змащування” (№0107U0027388).
Мета роботи. На основі експериментального дослідження та теоретичного обґрунтування коливання контактного навантаження викликаного радіальними відхиленнями валу модельної трибосистеми з лінійним контактом, розробити метод оцінки протизносних властивостей мастильних матеріалів різного функціонального призначення.
Завдання дослідження:
1. Теоретично обґрунтувати фізичну сутність впливу радіальних коливань контактуючих поверхонь на зносостійкість трибосистем.
2. Розробити методику задання і контролю радіальних відхилень поверхні утворюючої циліндр валу модельної трибосистеми “вал - втулка” для експериментальних досліджень мастильних матеріалів та присадок до них на спроектованому і виготовленому приладі тертя.
3. Визначити закономірності впливу величини радіальних відхилень утворюючої циліндр валу модельної трибосистеми на зношування та структурний стан робочих поверхонь при оцінці протизносних властивостей мастильних матеріалів.
4. Дослідити вплив радіальних коливань контактуючих поверхонь на якість оцінки протизносних властивостей мастильних матеріалів.
Об'єкт дослідження: зношування робочих поверхонь деталей при радіальних коливаннях валу модельної трибосистеми “вал - втулка”.
Предмет дослідження: закономірності впливу величини радіальних відхилень валу модельної трибосистеми з лінійним контактом на протизносні властивості мастильних матеріалів та зносостійкість контактуючих поверхонь при граничному терті ковзання.
Методи дослідження: лабораторні випробування на тертя та зношування в умовах граничного змащування, диференційно-фазовий метод безконтактної лазерної профілографії-профілометрії, метод контактної профілографії-профілометрії, метод рентгеноспектральної електронної мікроскопії, метод статистичної обробки результатів, метод математичного моделювання.
Наукова новизна одержаних результатів.
1. Побудовано фізичну модель тертя валу, виготовленого з певними радіальними відхиленнями в модельній трибосистемі ковзання з лінійним контактом, на основі чого було сформульовано вимоги для задання та контролю амплітуди радіальних відхилень валу в модельному трибовузлі та розроблено і виготовлено лабораторний прилад тертя з відповідними коливаннями контактного навантаження.
2. Вперше теоретично доведено та експериментально підтверджено суттєвий вплив величини радіального відхилення валу модельної трибопари на відтворюваність результатів при оцінці протизносних властивостей мастильних матеріалів та зносостійкість контактуючих поверхонь.
3. Вперше експериментально встановлено, що радіальні відхилення валу в певних межах роботи трибосистеми ковзання призводять до підвищення її зносостійкості.
Практичне значення одержаних результатів. Розроблено лабораторний прилад тертя, що моделює відповідні умови експлуатації деталей вузлів тертя ковзання та призначений для оцінки протизносних властивостей мастильних матеріалів та присадок до них при контрольованих значеннях радіальних відхилень валу модельної трибосистеми ковзання. Прилад відрізняється компактністю, простотою в експлуатації, забезпечує високу відтворюваність результатів, дозволяє моделювати широкий діапазон режимів роботи трибосистеми. Отримані результати випробувань мастильних матеріалів різного функціонального призначення при певних контрольованих рівнях радіальних відхилень створюють передумови для розширення функціональних можливостей реальних трибосистем та збільшення їх довговічності.
Практичне значення отриманих результатів підтверджено протоколами спільних випробувань з ВАТ „ЛуАЗ” (м. Луцьк) та центральним органом сертифікації нафтопродуктів „УЦАХ СЕПРО” (м. Київ).
Розроблений новий метод використовується в лабораторії „Новітніх триботехнологій" НАУ для проведення наукових досліджень, а також залучається як кваліфікаційний (факультативно) в УкрНДНЦ хімотології та сертифікації пально-мастильних матеріалів і технічних рідин (ПММ і ТР).
Особистий внесок здобувача. Основні результати отримані здобувачем особисто. Вибір наукової проблеми, постановка задач дослідження та обговорення одержаних результатів виконано спільно з науковим керівником Стельмахом О.У. У роботах [1,2,3,6] автором було отримано основні експериментальні дані. Лабораторний прилад тертя, який описано у роботі [5], спроектовано і виготовлено разом з провідним фахівцем Бондарем В.С.
Апробація результатів дисертації. Основні результати дисертаційної роботи доповідались на VI і VIII міжнародних науково-технічних конференціях „АВІА” (м. Київ, 2004 і 2006 рр.); були представлені на Міжнародній виставці „Триботех-2003” (м. Москва) та Міжнародному авіакосмічному салоні „АВІАСВІТ XXI ” (м. Київ, 2004р.)
Публікації. За результатами роботи опубліковано 6 статей у фахових наукових журналах та збірниках, 2 з яких виконано без співавторства.
Структура та обсяг дисертації. Робота складається із вступу, п'яти розділів, висновків, списку використаних публікованих джерел із 104 видань та семи додатків. Загальний обсяг дисертації 155 сторінок. З них - 111 сторінок основного тексту, 23 таблиці та 71 рисунок.
ОСНОВНИЙ ЗМІСТ
У вступі показано важливість досліджуваної проблеми, обґрунтовано її актуальність, мету та завдання дослідження, сформульовано наукову новизну отриманих результатів, зазначено практичне значення роботи.
У першому розділі показано, що проблема оцінки протизносних властивостей мастильних матеріалів потребує детального вивчення та аналізу функціональних властивостей сучасних мастильних середовищ та присадок до них, враховуючи режими роботи трибосистеми з метою створення коректних фізичних моделей процесу.
Проведено аналіз теоретичних публікацій та експериментальних даних Костецького Б.І., Крагельського І.В., Боудена Ф. і Тейбора Д., Аксьонова О.Ф., Пронікова А.С., Матвєєвського Р.М., Стельмаха О.У., які розкривають суть проблеми взаємодії контактуючих тіл.
Виходячи з позиції, що основна частина зразків, які використовуються в модельних трибовузлах випробувальних машин та приладів тертя, мають циліндричну форму, зроблено літературний аналіз похибок будови даного типу деталей. Вибрано радіальне биття циліндричних деталей як основний фактор, що впливає на процеси тертя та зношування поверхонь. Згідно з ГОСТ 24643 - 81, радіальне биття - це похибка обробки чи складання, що характеризується як різниця між найбільшим і найменшим відхиленням діаметра від точок реальної поверхні до базової осі обертання на величину ексцентриситету е в розрізі, перпендикулярному до цієї осі.
У ході виконання роботи ми оперуватимемо такими термінами та визначеннями: радіальне биття (похибка обробки чи складання), радіальні відхилення (числові значення допуску радіального биття на вибраний типорозмір деталі), радіальні коливання (коливання, що виникають при терті деталі виготовленої з відповідними радіальними відхиленнями).
Параметри контакту при неточностях виготовлення і посадок циліндричних деталей вивчалися Кузьменком А.Г., Чернцем М.В., Проніковим А.С., Юдіним К.М., Пслом С.В. При цьому фактор радіальних коливань, як один з основних показників точності деталей, розглядався неодноразово, але експериментальних даних практично нема.
Проведено аналіз існуючих лабораторних приладів, які призначені для лабораторних випробувань мастильних середовищ на тертя і зношування в режимі граничного змащування. Показано, що в лабораторних приладах тертя з лінійним контактом не передбачений апаратний контроль величин, які характеризують точність виготовлення та складання трибопари, зокрема радіальних відхилень контактуючих поверхонь валу.
Проаналізовано відомості про вторинні структури (ВС), які напрацьовані при різних режимах роботи трибосистеми.
Зроблено висновки та поставлені задачі дослідження.
У другому розділі з метою забезпечення відтворюваності початкових умов випробувань на тертя та зношування вибрано базові методики та експериментальні прилади, які залучались для проведення і контролю лабораторних трибодосліджень. Особливу увагу приділено вибору засобів вхідного контролю матеріалів, поверхонь, середовищ та засобів вимірювання для подальшої більш коректної обробки отриманих результатів.
Контроль фізико-хімічних властивостей матеріалів модельної пари тертя та дослідження напрацьованих вторинних структур було проведено на растровому електронному мікроскопі-мікроаналізаторі РЕМ106И. Фрактографічний аналіз поверхонь виконувався на мікроскопі МИМ-10. Напружений стан поверхонь тертя оцінювався рентгенографічним методом на установці ДРОН-3 у випромінюванні Cu-Кб. Контроль початкових параметрів шорсткості контактуючих поверхонь виконувався на лазерному скануючому профілографі-профілометрі ЛСПП-05. Мікротвердість поверхонь вимірювалась на мікротвердомірі Мікрон-Гамма. В'язкісно-температурні характеристики мастильних матеріалів контролювалися на приладі ГРАДІЄНТ-1. Вимірювання величини зносу поверхонь тертя було проведено на профілографі-профілометрі Калібр М-201.
Для вивчення протизносних властивостей мастильних матеріалів при радіальних коливаннях поверхонь модельної трибосистеми вибрано лабораторні прилади тертя з лінійним контактом ПТЛК(о), ПТЛК(р), ПТПЛК.
Деталі контактуючої пари було виготовлено із сталі ШХ15, як такої, що широко використовується у машинобудуванні, підшипниковій промисловості, при випробуваннях мастильних матеріалів та має відносно стабільний хімічний склад і механічні властивості незалежно від серії поставки.
Для розробки методу лабораторних триботехнічних випробувань при контрольованих величинах радіальних відхилень було обґрунтовано вибір спектра мастильних середовищ різного функціонального призначення.
У третьому розділі показано, що радіальне биття спричиняє радіальні коливання, що характеризуються амплітудою ?х та залежать від величини радіальних відхилень д. При радіальних коливаннях робочої поверхні контрзразка контакт переміщується. При цьому виділено діапазон, де контакт стає рухомим (Аі - Бі ).
Виділяється чотири зони контактування. В зоні А контакт контрзразка 1 з плоским зразком 2 є максимально наближеним (товщина граничної плівки є мінімальною). Відстань між поверхнями 1 та 2 збільшується з наближенням контакту в зону Б. Товщина граничної плівки в зонах В і Г приблизно є однаковою і має деяке середнє значення між зонами А і Б.
Припускається, що в зонах Б,В,Г характер зношування буде однаковий (постійність контактних напружень, гарантований розподіл контактуючих поверхонь граничною плівкою). В зоні А характер зносу обумовлюється величиною радіальних відхилень. Графічно це можна представити як співвідношення кутів б і в. Кут б характеризує робочу поверхню контрзразка, що працює в режимі гарантованого змащування (в подальших трактуваннях назвемо це постійними умовами). Ділянка диска, позначена кутом в, працює під впливом радіальних коливань.
На підставі результатів проведених теоретичних досліджень та розрахунків було побудовано фізичну модель тертя валу при радіальних коливаннях контактуючих поверхонь у вигляді лабораторного приладу тертя ПТЛК(рв). Згідно з розробленою схемою, контрзразок 1 (модель валу) жорстко кріпиться на посадочній поверхні гнучкого валу 2, який конусною поверхнею К базується в порожнистому валу 3. Вал на двох конічних підшипниках 5 кріпиться в корпусі 6. Методом піджиму підшипників гайкою 4 вибирається мінімальне радіальне відхилення валу відносно осі обертання. Гнучкий вал виготовлено із сталі 50 ХФА, гартований на твердість 40 HRC. Це дозволяє максимально ефективно використовувати пружні властивості матеріалу. Піджимаючи гвинти 7, гнучкий вал деформується в місці виточки радіуса R і таким чином вибирається необхідне радіальне відхилення контрзразка 1. Контроль величини радіальних відхилень здійснювався індикатором годинникового типу 8 з ціною поділки 1 мкм.
Нерухомий плоский зразок 9 (модель втулки) кріпиться у ванночці 10, яка розміщена на штоку 11. Піджимаючи шток створюється необхідне контактне навантаження.
З метою запобігання провертанню штока в процесі тертя відносно направляючих 12 на його поверхні передбачено виточки. Відхилення штока відносно осі обертання 1мкм. Ванночка заповнюється досліджуваним мастильним матеріалом. Гвинтами 13 вибирається перпендикулярність поверхні плоского зразка відносно осі штока та паралельність відносно утворюючої циліндр контрзразка, забезпечуючи таким чином постійність контактних напружень.
Страницы: 1, 2
|
