Содержание к диссертации
Введение
Глава I Разработка оборудования для испытаний полимерных подшипников скольжения 10
1.1. Повышение производительности триботехнических экспериментов 10
1.2. Основные требования к испытательному оборудованию и разработка базового испытательного модуля 19
1.3. Разработка измерительной системы 33
1.3.1. Измерение линейного износа в цилиндрическом сопряжении 33
1.3.2. Устройства для замера момента сил трения в цилиндрических сопряжениях 37
Выводы к главе 1 47
Глава II. Методы исследования износостойкости антифрикционных полимерных композиционных материалов 48
2.1. Исследование трения и изнашивания подшипников скольжения из фторопластов при пусках 49
2.2. Применение метода краевого угла смачивания для исследования поверхностей металлополимерных пар трения 55
2.3. Влияние режима испытаний на износостойкость металлофторопластовых подшипников скольжения 61
2.4. Исследование трибологических свойств фторопластов при стабилизированных температурах 71
Выводы к главе II 82
Глава III. Разработка методов и средств ускоренных испытаний износостойкости подшипниковых материалов 83
3.1. Анализ методов расчета изменения контактных параметров в подшипнике скольжения 83
3.2. Ускоренные испытания антифрикционных материалов на основе моделирования износа подшипников скольжения сухого трения 88
3.3. Способ ускоренной приработки цилиндрических втулок из полимерных материалов 94
3.4. Износостойкость наполненных композиций на основе политетрафторэтилена 104
Выводы к главе III 109
Заключение 110
Список использованной литературы 112
- Основные требования к испытательному оборудованию и разработка базового испытательного модуля
- Применение метода краевого угла смачивания для исследования поверхностей металлополимерных пар трения
- Ускоренные испытания антифрикционных материалов на основе моделирования износа подшипников скольжения сухого трения
- Износостойкость наполненных композиций на основе политетрафторэтилена
Введение к работе
Практика эксплуатации машин и механизмов показала, что их долговечность и работоспособность в условиях Крайнего Севера резко снижается. Значительная часть неисправностей техники связана с низкой надежностью триботехпических систем, в том числе, подшипников скольжения. Анализ надежности трибосопряжений показывает, что основной причиной в данном случае является резкое повышение вязкости, а зачастую и застывание применяемых смазочных масел и спецжидкостей, в результате чего существенно повышается мощность трения и износ сопрягаемых деталей.
Одним из наиболее эффективных способов предотвращения преждевременного выхода из строя узлов трения является использование в них антифрикционных покрытий, втулок и вкладышей из полимерных композиционных материалов. Применение их позволяет уменьшить или совсем исключить использование смазки, что особенно важно для узлов, в которых смазка нежелательна, невозможна или требует сложных и дорогостоящих систем
Кроме того, например, при замене подшипников качения на металло-фторопластовые подшипники скольжения получается значительный выигрыш в размерах и массе. Для одного и того же вала масса металлофторопла-стового подшипника в 10-15 раз ниже, а наружный диаметр в 2 раза ниже, чем у подшипников качения [118].
Замена традиционных подшипниковых узлов полимерными твердо-смазочными подшипниками скольжения происходит в настоящее время во многих отраслях, являясь одним из перспективных путей совершенствования новой техники, работающей в различных условиях, в частности, при низких температурах, вакууме, в условиях стерильного производства и т. п. Современные технологии позволяют создавать широкую номенклатуру самосмазывающихся материалов, удовлетворяющих самым разнообразным требованиям. Количество вновь создаваемых материалов непрерывно растет и обеспечивает возможность значительно повысить износостойкость и долговечность изготовленных на их основе элементов узлов трения. Ресурс их состав ляет десятки, а иногда, и сотни тысяч часов. Естественно увеличивается время и затраты, связанные с ресурсными испытаниями. Возможность множества конструктивных решений, вызванная непрерывно увеличивающимся количеством новых антифрикционных материалов, многократно усложняет ситуацию.
Несмотря на постоянное внимание исследователей, разработка эффективных методов и средств определения износостойкости полимерных композиционных материалов и изделий по схеме «вал-втулка», как наиболее близкой к реальным условиям, является актуальной задачей, решение которой позволит обеспечить выбор наиболее работоспособных материалов для решения конкретных задач машиностроения.
Существует множество экспресс методов определения износостойкости подшипников скольжения. Суть их сводится к следующему: функция интенсивности изнашивания представляется в виде некоторой функции контактного давления, зависящей от нескольких параметров. Эпюра контактного давления и угол контакта определяются из решения соответствующей задачи контактного взаимодействия. Параметры изнашивания определяются исходя из результатов непрерывного измерения величины линейного износа, с учетом среднеквадратичного уклонения функции интенсивности изнашивания от степенной функции эпюры контактного давления.
В мировой практике машиностроения наблюдается ориентация на стендовые испытания, как основной путь определения долговечности деталей машин. Стендовые испытания проводятся в условиях, соответствующих типовому (определяющему работоспособность) эксплуатационному режиму. Они проводятся при оценке износостойкости деталей и узлов в целях анализа эффективности тех или иных конструкционных и технологических мероприятий, направленных на улучшение триботехнических свойств, при установлении ориентировочных сроков службы деталей и предельно допустимого износа, при контроле качества изготовления изделий и др.
Значительная продолжительность ресурсных испытаний и высокие затраты на их проведение настоятельно требуют разработки оперативных методов оценки долговечности узлов трения по результатам испытаний ограниченного объема.
Необходимость осуществления непрерывного замера линейного износа ограничивает применение существующих методов при стендовых и эксплуатационных испытаниях. В этом случае наиболее перспективными представляются методы расчета долговечности по времени достижения заданной величины износа.
При проведении ускоренных испытаний, для сравнительной оценки свойств новых материалов, контроля стабильности триботехнических свойств материалов при производстве и разработке рекомендаций по допустимым режимам нагружения необходимо проведение большого количества экспериментов с регистрацией основных триботехнических параметров -мощности трения, температуры, величины линейного износа. Необходимым условием одновременного испытания множества одинаковых образцов с регистрацией ряда триботехнических параметров является разработка автоматизированной системы измерения, преимущества которой очевидны.
Автоматизированная система сбора и обработки информации не только существенно увеличивает быстродействие и точность регистрации результатов наблюдения по заданной программе, но и раскрывает новые возможности для постановки различных экспериментов.
Серийные машины трения не обеспечивают одновременного испытания нескольких образцов. Решением могло бы быть удлинение вала и испытание системы подшипников на общем валу, а также разработка малогабаритных модулей для триботехнических испытаний. Однако при этом определенные трудности возникают с измерением момента сил трения. В системе подшипников на общем валу, например, трудность заключается в измерении момента сил трения в каждом узле в отдельности. Одним из путей повышения производительности триботехнических испытаний подшипников сколь жения из полимерных композиционных материалов является разработка малогабаритного средства измерения момента сил трения, допускающего измерение потерь на трение в каждом узле системы подшипников в широком диапазоне значений моментов.
В машинах и механизмах подшипники скольжения из антифрикционных композиционных материалов располагаются как горизонтально, так и вертикально. В тоже время, долговечность подшипников скольжения у различных схем (горизонтальной и вертикальной) значительно отличаются. Серийные машины трения не обеспечивают возможности проведения экспериментов при вертикальной нагрузке, что обуславливает необходимость создания специального оборудования для испытаний вертикально расположенных подшипников скольжения.
Традиционно при проведении ускоренных испытаний обычно ограничиваются небольшим интервалом времени, сравнимым с периодом приработки. Основное отклонение закона изменения интенсивности изнашивания от степенной функции происходит именно в этот период, что вносит существенную погрешность в прогнозирование ресурса. Поэтому режимы приработки необходимо исследовать отдельно постановкой специальных экспериментов. Значения линейного износа, полученные в период приработки, при определении параметров функции интенсивности изнашивания необходимо исключать. Для сокращения времени и материальных затрат необходимо разработать способ и техническое устройство для ускоренной искусственной приработки пары трения. Подобное устройство найдет широкое применение также при подготовке образцов к ускоренным испытаниям, а также в испытаниях, в которых необходимо обеспечить заданный угол контакта, например, при экспериментальной проверке метода тепловой диагностики трения [106].
Наличие достоверных методов ускоренных испытаний на долговечность в любом случае не исключает проведение полных ресурсных испытаний. При этом наибольшую трудность представляет привлечение большого количества персонала для проведения круглосуточных работ в течение длительного периода времени. Поэтому особую значимость имеет обоснование возможности замены длительных испытаний серией кратковременных. Анализ работ по исследованию периода приработки дает основание предположить, что для некоторого класса подшипников скольжения такая замена возможна.
При разработке методик ускоренных испытаний обычно используются некоторые закономерности или асимптотические зависимости, которые справедливы в определенном преобладающем периоде трения. При таком положении важную роль имеет исключение таких периодов трения, при которых эти закономерности нарушаются. Влияние стабилизации температуры в зоне трения на износостойкость изучено недостаточно.
Целью работы является создание эффективных методов и средств определения износостойкости полимерных композиционных материалов и изделий антифрикционного назначения на основе усовершенствования испытательной техники, обеспечения гарантированных условий контакта и обоснования возможности проведения кратковременных испытаний. Для достижения указанной цели в работе поставлены следующие задачи:
- разработка комплекса оборудования высокой производительности с широким диапазоном измерения основных триботехнических параметров с автоматизированной системой сбора обработки и регистрации информации;
- модернизация и усовершенствование испытательного оборудования машин и повышение достоверности при исследованиях износостойкости антифрикционных материалов;
- обоснование возможности замены непрерывных ресурсных испытаний металлофторопластовых подшипников скольжения серией кратковременных;
- исследование влияния стабилизации температуры на поверхности трения на износостойкость полимерных подшипников скольжения;
- разработка методики ускоренных испытаний подшипников скольжения на износостойкость, пригодную при проведении стендовых и эксплуатационных испытаний техники;
- разработка способа ускоренной приработки и проверка его эффективности при экспериментальной проверке метода тепловой диагностики трения;
В основу диссертации положены результаты исследований по следующим научно-исследовательским программам и темам:
- тема 1.11.2.1 "Разработка методов прогнозирования и оптимального проектирования узлов трения; исследование и создание полимерных материалов и конструкций для опор скольжения и герметизаторов арктической техники" (Пост. ГКНТСССР№ 10103-1540 от 24.01.87);
- тема 1.11.2.1 "Разработка методов прогнозирования долговечности и диагностики технического состояния узлов трения. Исследование триботех-нических свойств материалов и создание перспективных конструкций узлов трения, в том числе для условий Крайнего Севера" (Пост. ГКНТ СССР № 885 от 07.06.91), 1996-1998гг.;
- тема 1.5.2.5 «Разработка методов и прогнозирования работоспособности и долговечности узлов трения» (№ гос. per. 01.9.70000655"), 1996-1998гг.
- тема 2.3.3 «Математическое моделирование термоконтактного взаимодействия в трибосопряжениях и определение эксплуатационных параметров для прогнозирования работоспособности и оценки технического состояния узлов трения машин» (№ гос. регистрации 01.9.9.90001616"), 1999-2001гг;
- тема 2.3.3 «Разработка методов расчета триботехнических параметров для систем опор скольжения из полимерных композиционных материалов» (№ гос. регистрации 01.200.20045"), 2002-2004 гг.
Работа состоит из введения, трех основных глав и заключения, изложена на 125 страницах, содержит 36 рисунка, 5 таблиц и списка использованной научной литературы, включающего 135 наименований.
Основные результаты работы опубликованы в 21 научных работах, в том числе 2 статьи в Международных и Всероссийских журналах, 3 доклада на конференциях, получено 3 авторских свидетельства на изобретения.
Основные требования к испытательному оборудованию и разработка базового испытательного модуля
Отличительной особенностью испытаний на износ является трудности, связанные с замерами, обусловленные малыми значениями величины измеряемого износа. Нижний предел измеряемой величины определяется погрешностью или точностью измерительных устройств. Естественно, чем ниже такой предел, тем меньший износ можно замерить и, соответственно, тем меньше времени требуется для определения динамики изменений этой величины (в зависимости от изменения внешних факторов), которая позволяет описать функцию интенсивности износа в целом диапазоне действующих параметров.
Таким образом, ускорение испытаний требует максимального снижения нижнего предела диапазона величины износа, доступной для замера. Однако снижение этой величины всегда ограничено некоторым пределом, определяемым дополнительными возмущениями, связанными с несовершенством испытательного оборудования. Подобные возмущения возникают в последствие нарушения соосности образца и вала; смещения зоны контакта в процессе износа образца; отклонения направления действия приложенной нагрузки от направления максимального износа; появления крутящего момента в результате перекоса обоймы от положения равновесия; изменения вектора суммарной нагрузки в процессе износа и т.п.
Учитывая вышесказанное, можно заключить, что необходимым условием ускорения испытаний является наличие прецизионного оборудования, позволяющего максимально снизить установочные возмущения при проведении экспериментов. Между тем, серийно выпускаемое оборудование для триботехнических экспериментов таким требованиям не удовлетворяет.
Действительно, в машинах моделей СМЦ-2, 2070СМТ-1 и ИИ5018, предназначенных для проведения испытаний на трение по схеме «вал-втулка», применена свободная схема расположения обоймы, которая допускает нарушению соосности втулки с валом по мере износа образца, в результате которой проявится не равномерность распределения контактного давления по длине втулки.
Точность экспериментов на трение и износ зависит, в первую очередь, от того, с какой равномерностью мы сможем поддерживать однородность удельной нагрузки по всей поверхности контакта в течении всего времени испытания. Однако, как отмечалось выше, отсутствие фиксации трущегося элемента в заданном положении относительно вала неизбежно приводит к большому (зачастую недопустимо большому) разбросу экспериментальных данных, снижая точность и достоверность эксперимента.
В связи с этим при выборе конструкции испытательного оборудования на трение и износ необходим разумный компромисс между равномерной передачи нагрузки и жесткостью фиксации испытуемого элемента. Естественный путь при этом - максимальное снижение трения между фиксирующими элементами и обоймой. С этой целью удобно заменить трение скольжения трением качения. Для решения этой задачи нами были применены линейные направляющие качения, изготовленные путем совместной сверловки корпуса и обоймы с испытуемым элементом при смещении центра окружности в сторону корпуса. Линейная направляющая выбирается в отверстии шариками 0 8 мм, чередующимися с фторопластовыми цилиндрическими вставками, выполняющими роль сепаратора. Положение обоймы фиксируется шариками 2, выступающими за границу корпуса 1 (рис. 1.4) и входящими в ответный паз на ее боковой поверхности. С целью предотвращения перекоса обоймы с ее обеих сторон выполнено по две направляющие. При изготовлении таких направляющих приходится выполнять совместную сверловку обоймы и корпуса.
Для схемы трения с вертикальным расположением вала направляющие набирались в пазах горизонтально распложенного опорного фланца 1, установленного на базовом столе (рис. 1.5). Обойма 3 (рис. 1.6) в этой схеме свободно лежит на направляющих 2, (рис. 1.5) и фиксируется с боковых сторон коническими роликами 1 (рис. 1.6), установленными на шарикоподшипниках, оси которых изготовлены в виде болтов 2 с соответствующими отверстиями в опорном фланце. При завертывании болтов коническая поверхность роликов входит в соприкосновение с ответным скосом, выполненным на боковой поверхности обоймы 3, сами же ролики свободно вращаются вокруг оси. Таким образом, плоскость обоймы фиксируется перпендикулярно оси вала, свободно перемещаясь вдоль направляющих. Все элементы описанной системы фиксации перемещения обоймы в заданном направлении достаточно просты в изготовлении.
Одной из основных характеристик, определяющих триботехническое состояние в цилиндрических сопряжениях, является момент силы трения. Измерение этой величины -достаточно сложная техническая задача. Методы непосредственного измерения момента силы трения можно разбить на две основные группы: 1.Замеры в системе вала (контртела) при помощи различных видов торсионных динамометров. 2. Замеры в системе втулки (образца) с использованием тензометрических методов - «весов трения». По причинам, на которых остановимся ниже, для замеров моментов трения в разрабатываемом оборудовании выбран второй вариант. В качестве силового элемента, воспринимающего нагрузку, применена упругая балка с наклеенными на ней тензодатчиками. Балка одним концом закреплена на неподвижном основании, установленном на корпусе, а другим входит в прорезь фиксатора 5 (рис. 1.6) или 12 (рис. 1.8)., препятствуя повороту обоймы с испытуемым образцом при трении Внешняя обойма имеет прямоугольную форму и фиксируется от поворота стенками корпуса через шариковые направляющие (рис. 1.8) или коническими роликами при вертикальной схеме трения (рис. 1.6). Соединение внешней обоймы с внутренней обоймой, в которую устанавливается испытуемая втулка, должно обеспечивать свободное вращение последнего в плоскости, перпендикулярной оси вала, т.е. в плоскости действия момента трения. С этой целью между внутренней круговой и внешней прямоугольной обоймами установлен шарикоподшипник сверхлегкой серии. I Таким образом, конструкция внешней и внутренней обойм обеспечивает свободное вращение образца в плоскости действия момента силы трения, и вертикальное перемещение в результате износа. При этом направление оси цилиндрического образца, контактирующего с контртелом, остается неизменным. Этим исключаются погрешности, вызванные изменением положения образца относительно вала в течение эксперимента. Описанная схема передачи усилия трения на измерительный элемент идентична как для горизонтального, так и для вертикального расположения вала, ограничение на точность такой схемы связано с величиной коэффициента трения/,,, применяемого шарикоподшипника. Для достижения приемлемой точности необходимо, чтобы коэффициент трения испытуемого образца / существенно превышал /ш: f»fM. Соотношение этих величин определяет точность измерения момента трения. Реальные устройства эксплуатируются в самых разнообразных средах, обусловленных как внешними условиями - вакуум, вода, низкие температуры и т.п., так и особенностями конструкции - рабочие жидкости, высокие температуры, различные газы и т.д.
Для обеспечения реальных условий при испытаниях на трение и износ традиционно применяют два различных подхода. При первом испытания проводят в специальных камерах, куда помещают необходимое испытательное оборудование. Конструкция камер и их технические возможности должны обеспечивать требуемые условия. При втором подходе емкость для имитации условий среды размещается непосредственно вокруг зоны трения. В последнем случае необходимо предусмотреть изменения в конструкции испытательного оборудования, обеспечивающие герметичность такой емкости.
Применение метода краевого угла смачивания для исследования поверхностей металлополимерных пар трения
Работоспособность и долговечность подшипников и уплотнителей на основе фторопласта-4 во многом определяются состоянием двух контактирующих поверхностей.
Используемые методы профилометрирования, микрофотографирования, а также точные физические методы не всегда оправдывают себя при изучении тех поверхностных явлений, которые существенно влияют на контакт двух разнородных поверхностей.
Интегральным параметром, характеризующим адгезионные свойства поверхностей, является удельная свободная поверхностная энергия, которая как правило определяется по краевому углу смачивания [74]. Возможности этого простого метода для исследования свойств поверхностей металлопо-лимерной пары трения в настоящее время используются недостаточно.
В этой связи методом краевого угла смачивания (далее - краевой угол) исследовалось влияние процессов трения на изменение поверхностных свойств фторопластовых втулок и хромированного контртела. Втулки из фторопласта-4, наполненного на 0+40% коксом или дисульфидом молибдена, изготовлялись прессованием с последующим спеканием и испытывались при нагрузке 750 Н, скорости скольжения 0,39 м/с и пути трения 5 км. Изучалось внутренняя поверхность втулки до и после испытаний, при этом во втором случае - как след трения, так и не работавшая поверхность.
На промытые в ацетоне и спирте и просушенные поверхности втулок и контртела при одинаковых условиях наносили каплю дистиллированной воды (11,0 ± 0,2 мг), проекцию которой фотографировали с 10-кратным увеличением (рис.2.3). Краевой угол поверхностей втулок определяли с учетом кривизны согласно выражению (рис.2.3. а)
Погрешность измерения краевого угла с фотографии не превышала ±2. Статистическая обработка данных производилась по 4 - 8 измерениям при достоверной вероятности 0,9.
Результаты исследования поверхностей втулок с различной концентрацией наполнителя (рис.2.4.) говорят о том, что до испытаний на трение краевой угол наполненных композиций практически не отличается от краевого угла фторопласта-4 (кривая 1). При концентрации дисульфида молибдена более 25% наблюдается резкое снижение краевого угла. Сравнение смачивания поверхностей до и после испытаний показывает, что процесс треиия способствует значительному снижению величины краевого угла как следа трения, так и неконтактирующей с контртелом поверхности. Снижение краевого угла в последнем случае, очевидно, связано с термомеханической деформацией втулки, находящейся при испытании в жесткой обойме под воздействием приложенной нагрузки, скорости и температуры трения. Отметим, что краевой угол следа трения фторопласта-4 выше, чем краевой угол не работавшей поверхности, хотя для композиционных материалов характерно обратное явление.
На (рис.2.5) видно, что краевой угол поверхностей полимерных втулок существенно уменьшается в течении первых 5 км пути, но мало изменяется в дальнейшем (кривые 1-4). Краевой угол хромированной поверхности контртела, практически остается постоянным. Изменение краевого угла смачивания поверхности свидетельствует об изменении поверхностей энергии тела. Уменьшение краевого угла смачивания после эксперимента свидетельствует о повышении поверхностной энергии материала втулки. В случае наполненных втулок можно предположить, что если до испытаний определяющей величину поверхностной энергии являлось пленка самого фторопласта, то после трения частицы наполнителя играют существенную роль в формировании поверхностной энергии. В данном случае значение краевого угла смачивания поверхностей трения полимерных втулок составляет 80 , а значения краевого угла смачивания хромированного контртела около 50 , оста ваясь практически неизменным как до испытаний так и через 5, 10, 15 км пути. Эти данные, видимо, свидетельствует о формировании поверхностей трения как втулки так и хромированного контртела в начальный период оставаясь практически неизменными при увеличении пути трения. условиях низких температур из-за загустевания смазочных материалов пусковой момент у подшипников скольжения значительно возрастает. Кроме того, вследствие смазочного « голодания» в этот период наблюдается значительный износ. Это побуждает конструкторов применять в таких узлах подшипники сухого трения. Наиболее распространены подшипники, изготовленные из металлофторопластовой ленты, в которых антифрикционное тонкое покрытие нанесено на подложку. В ряде работ [47,54,99,113] приводятся их триботехнические характеристики. Необходимо отметить, что поверхностные слои на трущихся деталях, создаваемые искусственным путем и обеспечивающие требуемые триботехнические и поверхностные прочностные свойства при вполне определенном сочетании физико-механических характеристик материалов основы и покрытия, а также их объемов рассматривают, как поверхностные слоистые композиты - топокомпозиты [22,24]. Такое выделение вполне правомерно, поскольку антифрикционное покрытие не существует отдельно в "чистом виде" без материала основы.
Анализ научной литературы показал, что практически отсутствуют работы по исследованию влияния пусковых нестационарных периодов на износ металлофторопластовых подшипников (МФП). При ресурсе до десятков тысяч часов постановка длительных экспериментов чрезвычайно дорого, к тому же серийно выпускаемые нашей промышленностью испытательные машины трения, особенно по исследованию линейного износа, который является главным критерием для подшипников сухого трения, не пригодны для таких целей. Поэтому замена длительных экспериментов серией циклических намного упростила бы ресурсные испытания. Но в этих условиях значительная часть времени испытаний приходится на неустановившийся период. С другой стороны предыдущие исследования износа в пусковых режимах показали, что интенсивность износа практически не зависит или слабо зависит от длительности пуска и ускорения скорости, и мало отличается от интенсивности износа в установившемся режиме. Исследования поверхностей трения композиционного полимерного материала методом краевого угла смачивания показали, что поверхность трения формируется в, первые 5 км пути, оставаясь с энергетической точки трения неизменной при дальнейшем трении.
Угол смачивания хромированного контртела при 15% наполнении дисульфидом молибдена (M0S2) фторопласта-4 практически остается неизменным как до трения, так и после 10 км пути трения, что косвенно подтверждает об отсутствии пленки переноса композиционного материала на хромированную поверхность. Поэтому большой интерес представляет оценка влияния режимов испытаний на окончательные результаты. С этой целью эксперименты проводились в три этапа.
Этап 1 - циклические испытания продолжительностью по 8 часов до полной выработки ресурса. При этом после каждого цикла образец снимался с узла трения и после полного остывания и удаления свободных продуктов износа измерялся фактический линейный износ. Затем образец устанавливался на предварительно очищенный от свободных продуктов износа вал испытательной машины по предыдущему следу трения и после пятиминутного на-гружения испытания возобновлялись.
Этап 2 - непрерывное испытание длительностью, равной сумме времени всех циклов этапа 1. При этом замерялось линейное перемещение всего узла трения, состоящее из линейного износа и термоупругих перемещений. Этап 3 - соответствует этапу 1, но без снятия образца с вала испытательной машины. Выбор контртела и зазора в подшипнике определялся техническими требованиями современной авиационной техники, являющейся в настоящее время наиболее крупным потребителем МФП.
Ускоренные испытания антифрикционных материалов на основе моделирования износа подшипников скольжения сухого трения
Стендовые испытания с имитацией эксплуатационных условий являются основным путем определения ресурса узлов трения машин и механизмов. Компактность размещения элементов в реальном подшипнике скольжения в стендовых установках не позволяет размещать устройства и приспособления для осуществления непрерывного замера величины линейного износа. В свою очередь это ограничивает возможность прогнозирования ресурса подшипника скольжения из перспективного полимерного композиционного материала, используя существующие методы ускоренных испытаний.
Нами в работе [15] предложена методика ускоренных испытаний, которая позволяет определить параметры износостойкости полимерного подшипника скольжения по регистрации времени достижения заданной величины износа. Ниже приводятся основные результаты этих исследований.
Рассмотрим подшипник скольжения, схема которого представлена на рис. 3.1. Воспользуемся математической моделью изнашивания цилиндрического сопряжения с учетом изменения толщины антифрикционного слоя в процессе износа, предложенной в работе [13] О.Б. Богатиным. Определяющие уравнения при этом имеют вид: где к - известный коэффициент; со - скорость вращения; q - контактное давление; 9 - угловая координата; 0О(О - полуугол контакта; р - радиус вала. Остальные обозначения те же, что и в формуле (3.2).
Приведем основные соотношения, полученные О.Н. Поповым, одним из соавторов предлагаемой методики ускоренных испытаний [15,88].
Предположим, что износ в подшипнике достиг такой величины износа, когда для эпюры контактного давления справедливо асимптотическое соотношение (3.4). Подставляя соотношение (3.4) в (3.7) и учитывая (3.6), получим
Многочисленные расчеты, проведенные О.Н. Поповым, показали, что интеграл J/ практически не зависит от параметра р. Так, на интервале увеличения р, составляющем два порядка, изменение не превышает 2% от начальной величины. Тогда выражение для долговечности можно переписать в виде
Последнее соотношение открывает новые возможности при определении закона изнашивания исследуемого материала (3.5). Действительно, выражение (3.14) определяет три возможные зависимости долговечности t от р: при а 1 - монотонно возрастающую; при а 1 -монотонно убывающую и при а = 1 - постоянную. Таким образом, для оценки области, в которой лежит параметр а, определяющий степень нелинейности закона изнашивания материала, достаточно провести два эксперимента при различных значениях радиуса вала р . Если с увеличением р долговечность увеличивается, значит а I и наоборот.
Кроме того, при известном а полученное соотношение позволяет делать однозначные рекомендации по изменению геометрии подшипника с целью увеличения его долговечности, что особенно важно при конструировании узлов трения.
Параметры а и к, входящие в закон износа определяются из эксперимента при различных значениях радиуса вала р, . В этом случае к] и а находятся по следующим формулам:
Ниже в таблице приведены результаты эксперимента пары трения скольжения фторопласт-Ст45 с различными радиусами при нагрузке Р—61 Н, угловой скорости п,=31,4 с", эксцентриситете подшипника Д=0,0005 м и толщине втулки /г=0,004 м. Шероховатость вала при этом соответствовала 10-му классу чистоты. Значения моментов времени достижения заданной величины износа, полученные в эксперименте и расчетом, представлены в таблице 3.1.
По экспериментальным данным, при износе 200 мкм определены численные значения параметров а и к, которые составили соответственно 1,35 и 076-10 10. В последней колонке таблицы 3.1. представлены расчетные данные при найденных значениях параметров.
Сравнения времен достижения износа до 500 мкм показывает, что отклонения их расчетных и экспериментальных значений с увеличением износа заметно не увеличиваются. Этот Факт позволяет утверждать, достоверность прогнозирования долговечности на более продолжительный срок будет приемлемой для практического использования.
Интервал времени, за которое эпюра контактного давления достигает асимптотического вида, может оказаться достаточно большим, поскольку при этом величина линейного износа должна более чем в три раза превышать величину максимального деформативного смещения [100].
С другой стороны при проведении испытаний при заданных значениях площади или угла контакта испытателю неоднократно приходится останавливать эксперимент и разбирать узел трения для проверки достижения установленных показателей. При приближении к заданным величинам контроль реальной площади или угла контакта необходимо проводить чаще.
Перспективным представляется существенное уменьшение времени достижения заданной площади или угла контакта. Для этого может быть использован оригинальный способ приработки пары трения (а.с. № 1562763). разработанный автором с целью повышения производительности приработки путем предварительного формирования площадки контакта элементов пары трения. Приработку пар трения иногда не совсем верно рассматривают только как процесс формирования тонких приповерхностных слоев гетерогенной структуры. Наиболее исчерпывающее определение приработки следующее: «Приработка - процесс изменения геометрии поверхностей трения и физико-механических свойств поверхностных слоев материала в начальный период трения, обычно проявляющийся при постоянных условиях в уменьшении силы трения, температуры и интенсивности изнашивания» [103].
Предлагаемый способ предназначен для приработки пар трения типа вал - вкладыш, вал - втулка, а также тонкослойных покрытий. Способ осуществляется следующим образом. На вал 3 (рис. 3.2) устанавливается инструмент 1, а в держатель 5 первый элемент, (например, втулку) пары трения. Предварительная приработка втулки (вкладыша или покрытия) из полимерного материала осуществляется инструментом 1 с сегментным срезом 2, дли на хорды которого выбрана из условия равенства центрального угла сегмента углу контакта пары трения. Инструмент для предварительной приработки приведен на рис. 3.3. Инструмент 1 прижимается к внутренней поверхности втулки, после чего приводится во вращение вал 3. Момент окончания предварительной приработки определяется по стабилизации параметра вибрации втулки. После этого вместо инструмента 1 на вал 3 закрепляется контртело для проведения испытаний и осуществляется окончательная приработка. При больших углах контакта в инструменте формируют несколько сегментов в пределах угла контакта (рис. 3.4)
Предлагаемый способ приработки может применяться не только для ускорения периода приработки, но и также в лабораторных испытаниях для реализации чистоты эксперимента. Очевидна, возможность использования способа для исследования особенностей изнашивания подшипников скольжения при «сильном» износе. В этом случае, способ позволяет значительно сократить время получения заданного износа, соизмеримого с толщиной втулки.
Способ может применяться также, например, в экспериментальной проверке методов расчета триботехнических параметров, в которых в силу незначительности интервала времени испытаний не учитывается изменение угла контакта. В этом случае испытание не приработанного образца приводит к нежелательным погрешностям. Исходя из этого, предлагаемый способ приработки использовался при экспериментальной проверке метода тепловой диагностики трения, разработанного в Институте неметаллических материалов СО
Износостойкость наполненных композиций на основе политетрафторэтилена
Примером широкомасштабного использования модифицированных машин трения являются исследования триботехнических характеристик разрабатываемых в ИНМ СО РАН полимерных антифрикционных материалов.
Наполненные конструкционные материалы на основе политетрафторэтилена (ПТФЭ) нашли широкое применение в узлах трения благодаря низкому коэффициенту трения, высокой износостойкости, удовлетворительным механическим характеристикам и химической инертности. Современная технология переработки полимерных материалов позволяет разрабатывать наполненные композиционные материалы различного назначения, обладающие повышенными триботехническими и другими свойствами [80,81]. Для предварительного выбора наполнителя и определения ее рациональной концентрации проводятся стандартные испытания на износостойкость. Автор провел испытания свыше 200 наполненных композиций. Ниже приводятся результаты триботехнических испытаний малонаполненных композиций на основе ПТФЭ, предназначенных для малонагруженных подшипников скольжения и подвижных уплотнительных устройств [5].
В качестве основных наполнителей были использованы ультрадисперсные тугоплавкие соединения - нитриды титана, кремния и алюминия, полученные плазмохимическим синтезом и имеющие размер частиц 0,1-0,5 мкм.
Для сравнения были изготовлены малонаполненные композиции с использованием традиционных наполнителей антифрикционного назначения -дисульфида молибдена, кокса с частицами размером 10-20 мкм и алюмината кобальта с частицами размером l- З мкм, на основе которых выпускаются промышленностью наполненные материалы. Втулки (0 26x32 мм) были получены методом холодного прессования с последующим спеканием. Исследование триботехнических характеристик малонаполненых материалов осуществлялось на машине трения СМЦ-2 по схеме вал-втулка при нагрузке 67 Н и скорости скольжения 0,39 м/с на пути трения 7 км, при этом фиксировались значения массового износа. Указанные режимы выбраны исходя из наиболее распространенных режимов работы гидромоторов низкотемпературного назначения. Испытания проводились в режиме трения без смазки, представляющем собой наиболее тяжелый режим работы подшипников и уплотнительных устройств. Образцы перед испытанием промывались спиртом и сушились в течение 30 минут в сушильном шкафу при температуре 50-60 С. Контртело (стальной вал) перед каждым новым испытанием полировали до шероховатости не более 1,1 мкм. Массовый износ измерялся взвешиванием с точностью до 0,0001 г.
Результаты испытаний представлены в таблице 3.2, из которой видно, что массовый износ материалов при увеличении содержания наполнителей значительно уменьшается. В зависимости от вида наполнителя износостойкость материалов увеличивается в разной степени. Так, введение 5 мае. % дисульфида молибдена и кокса приводит к уменьшению массового износа в 6 раз, введение нитрида кремния и нитрида титана- в 15 раз, алюмината кобальта - в 12 раз. Наибольшее увеличение износостойкости отмечается при использовании в качестве наполнителя нитрида алюминия - в 74 раза. Характерной особенностью исследованных композиций является некоторое снижение износостойкости при содержании наполнителей 0,1 мае. %. При увеличении содержания наполнителей свыше 0,5 мае. % износостойкость всех композиций резко возрастает. При трении исследуемых материалов стабильного образования пленки на контртеле не наблюдается.
Исследования показали возможность создания антифрикционных материалов на основе малонаполненных фторопластов, обладающих существенно повышенной износостойкостью.
Испытания с измерением массового износа, обычно проводятся для сравнительной оценки новых материалов, но не могут быть использованы для расчета долговечности подшипников скольжения из самосмазывающихся материалов. Долговечность подшипников скольжения из представленных антифрикционных материалов для конкретных условий эксплуатации может быть рассчитана с использованием предложенной в данной работе методики ускоренных испытаний на базе разноразмерных образцов.
1. Разработана методика ускоренных испытаний на базе разноразмерных образцов, позволяющая определять ресурс подшипников скольжения из полимерных композиционных материалов по регистрации времени достижении заданной величины износа. Экспериментами на реальных подшипниках скольжения показано, что погрешность определения долговечности по предлагаемой методике не превышает 10-15 %.
2. Разработан оригинальный способ ускоренной приработки цилиндрических втулок из полимерных материалов для снижения погрешности измеряемых параметров при проведении ускоренных испытаний и сокращения времени достижения определенной величины износа (а.с. № 1562763).
3. Проведена оценка эффективности метода тепловой диагностики трения для системы подшипников на общем валу с использованием разработанного способа ускоренной приработки и измерителя момента силы трения.
4. Разработанное оборудование и методы испытаний широко используются при создании новых антифрикционных материалов и обеспечивают возможность получения более достоверной информации о триботехни-ческих характеристиках композитов при различных эксплуатационных режимах.
Разработан комплекс оборудования с повышенной точностью измерения основных триботехнических параметров полимерных композиционных материалов и изделий из них с автоматизированной системой регистрации, сбора и обработки информации оснащенной модифицированными устройствами для измерения моментов трения и износа в динамическом режиме (а.с. №1376010). Повышение точности измерения триботехнических параметров достигнуто уменьшением степеней свободы при фиксации испытываемых образцов материалов и изделий соответствующим устранением несоосности поверхностей трения. Разработаны оригинальный способ и методика обеспечения постоянства угла контакта при испытаниях подшипников скольжения из полимерных антифрикционных материалов и соответствующие методики экспериментов позволяющие сохранять постоянными скорость изнашивания, температурный режим трения и коэффициент трения в интервале времени (а.с. №1742672). Способ позволяет получить представительный объем статистической выборки и повысить точность определения триботехнических свойств антифрикционных материалов, реализованных в изделии при заданном угле контакта.
Разработаны оригинальный способ и методика оперативного достижения заданной величины износа в подшипнике скольжения из полимерного композиционного материала (а.с. №1562763). Использование способа сокращает время испытаний за счет предварительного формирования площади контакта, обеспечивающего выполнение асимптотической формулы распределения контактного давления, что позволяет упростить математическое описание процесса изнашивания, необходимого для определения ресурса подшипника скольжения.
Показана эффективность восстановления моментов сил трения в системе подшипников скольжения на общем валу по замерам температуры в неподвижных втулках с использованием оригинальных способов приработки и измерения момента силы трения.
