Содержание к диссертации
Введение
1. Состояние вопроса в задачи исследования , 7
1.1. Актуальность проблемы повышения долговечности подшипников скольжения .7
1.2. Условия работы подшипников скольжения
1.2.1 Влияние совместимости трущихся пар при различных режимах смазки на долговечность подшипников скольжения 12
1.2.1.1, Совместимость узлов трения при приработке , 14
1.2.1.2. Совместимость при режиме трения без смазки 16
1.2.2. Износ деталей подшипников скольжения 19
1.3. Экспериментальное определение износа 21
1.3.1. Выбор машины трения для испытаний на износ и задир 22
1.4. Смазочные материалы для подшипников скольжения 24
1.4.1. Выбор смазочных материалов 25
1.4.2. Виды и характеристики добавок в моторные масла 26
1.5. Выводы и задачи исследований = 37
2. Расчетно-теоретический анализ эффективности применения специальных добавок в моторные масла в подшипниках скольжения 39
2.1, Расчетно-теоретическая модель нагрузки схватывания в сопряжении «вал-втулка » 42
2.2. Расчетно-теоретический анализ влияния специальных добавок в моторных маслах на нагрузку схватывания 54
3. Методика экспериментальных исследований 61
3.1. Общая методика проведения исследований 61
3.2. Выбранные моторные масла и добавки для испытаний 62
3.3. Методика проведения лабораторных испытаний на машине трения 63
3.3.1. Факторы, влияющие на трибосистему 63
3.3.2, Оценочные факторы при проведении испытаний на машине трения 65
3.3.3, Методика лабораторных испытаний по определению влияния специальных добавок на противозадирные свойства 67
3.3.4. Методика лабораторных испытаний по определению влияния специальных добавок на износ... „ 70
3.4. Методика замера параметров шероховатости поверхности 73
3.5. Методика определения величены упругих колебаний 16
4, Результаты экспериментальных исследований влияния специальных добавок в моторном масле на работу подшипников скольжения 79
4.1. Результаты лабораторных исследований 79
4.1.1. Результаты лабораторных исследований по испытаниям на задир 80
4.1.1.1, Результаты лабораторных исследований по испытаниям на задир сопряжения «чугун - сплав АСМ» , 80
4.1.12. Результаты лабораторных исследований по испытаниям на задир сопряжения «сталь - сплав АСМ» 91
4.1.1.3. Результаты лабораторных исследований по испытаниям на задир сопряжения «сталь - бронза» 106
4.1.2. Результаты лабораторных исследований по испытаниям на износ сопряжения «сталь - сплав АСМ» 112
4,1.2.1. Данные по определению величены упругих колебаний 115
4.1.2.2. Данные по определению микрогеометрии поверхностей трения в сопряжении «сталь - сплав АСМ» 118
4.2. Выводы по лабораторным исследованиям 122
5. Комплексные испытания специальных добавок 123
5.1. Методика комплексных испытаний 124
5.1.1. Общие условия проведения комплексных испытаний 124
5 J .2. Методика снятия внешней скоростной характеристики ДВС 125
5.1.3. Методика снятия нагрузочной характеристики ДВС 126
5.1.4. Методика снятия характеристики механических потерь ДВС 127
5.2. Результаты комплексных испытаний на ДВС 129
5.3. Эффективность применения специальных добавок в моторные масла J33
Основные выводы 135
Литература
- Актуальность проблемы повышения долговечности подшипников скольжения
- Расчетно-теоретическая модель нагрузки схватывания в сопряжении «вал-втулка
- Выбранные моторные масла и добавки для испытаний
- Результаты лабораторных исследований по испытаниям на задир сопряжения «чугун - сплав АСМ»
Введение к работе
Двигатели внутреннего сгорания (ДВС) содержат трибосопряжения, являющиеся главным источником их отказа и выхода из строя. Контактное взаимодействие деталей в этих сопряжениях имеет место при различных видах трения скольжения. Износ как результат контактного взаимодействия трущихся тел приводит к необратимому изменению их размеров, что существенным образом сказывается на долговечности различных технических устройств. Повышение износостойкости узлов трения - важнейший и главный фактор увеличения срока службы и надёжности используемых ДВС.
Подшипниковые узлы (ПУ) являются важнейшими структурными элементами ДВС и составляют основную часть узлов трения. Отказы двигателей, как правило, происходят из-за отказов ПУ (наряду с отказами других узлов трения), которые, таким образом, ограничивают их долговечность. Даже при достаточно качественном изготовлении деталей ПУ, характеристики ПУ могут оказаться неудовлетворительными, и произойдёт внезапный отказ. ПУ сельскохозяйственной техники выходя] из строя в основном из-за абразивного изнашивания, связанного с попаданием грязи и пыли[18,72].
Одним из средств повышения работоспособности ПУ и управления процессами трения и изнашивания является применение специальных добавок в моторные масла, генерирующие на поверхностях трения разнообразные смазочные плёнки, предохраняющие от схватывания и заедания.
Современные топлива и масла должны отвечать целому ряду требований, которые различаются в зависимости от условий применения. Для получения масел и топлив с высокими эксплуатационными показателями требуются в первую очередь подбор высококачественного сырья и усовершенствование технологии. Однако коренное решение проблемы немыслимо без применения добавок; это - наиболее прогрессивный и экономически выгодный способ получения высококачественных масел и топлив. В последние годы в области синтеза, применения и механизма действия добавок проведены обширные исследования, но. тем не менее, многие вопросы остаются невыясненными и спорными. В этой области практика пока еще опережает разработку теоретических основ механизма действия добавок[61,79].
В настоящее время отечественная и зарубежная промышленность выпускает широкий ассортимент моторных масел и специальных добавок к ним, отвечающих высоким требованиям современной техники. К сожалению, имеющаяся шіформация о добавках крайне бедна (она, в основном, носит рекламный характер).
Во всех передовых промышленных странах с каждым годом возникает интерес к научным достижениям в области применения различных добавок в смазочные материалы. Это объясняется тем, что использование результатов этих научных исследований обычно не требуют больших капитальных затрат и благодаря чрезвычайно широкой номенклатуре узлов трения различных машин (в том числе и ДВС), приборов и аппаратов позволяет получить большой технико-экономический эффект в первую очередь за счёт уменьшения затрат на ремонт и запасные части[79].
Актуальность проблемы повышения долговечности подшипников скольжения
Каждый новый шаг в технике: освоение космоса и подводных глубин, создание уникальных машин, разработка серии мапшя и аппаратов для химической промышленности и сельского хозяйства связан с решением задач в области трения и износа.
В настоящее время решение новых проблем, которые ставит современная практика, конструирование и эксплуатация машин, ДВС, оборудования и аппаратов становится невозможным без глубокого изучения трения и износа. Сейчас на повестку дня поставлены вопросы долговечности и надёжности машин, учёта и расчёта износа деталей машин, борьбы с заеданием трущихся сочленений[54,70].
Развитие конструкций двигателей происходит при постоянном стремлении к увеличению их производительности. Что почти всегда сопровождается повышением механической и тепловой напряжённости подвижных сопряжений деталей. В связи с этим перед конструктором возникает необходимость создание новых, более совершенных узлов трения. Помимо того, ставятся задачи достижения высокой надёжности и долговечности двигателей, снижение их массы, сокращение расхода дефицитных материалов. Это особенно важно при конструировании машин массового производства. Известно, что повышение долговечности двигателя даже в небольшой степени ведёт к значительной экономии металла, уменьшению затрат на производство запасных деталей; сокращается объём и число ремонтов, а следовательно, увеличив ается количество фактически работающих машин.
Однако часто показатели надёжности и долговечности недостаточно высоки, поэтому особое внимание должно быть направлено на наиболее слабые узлы трения ДВС, износ которых лимитирует сроки службы отдельных агрегатов. Частыми из них являются уплотнения, поршневые кольца, подшипники скольжения и др. Успех работ будет зависеть от степени использования достижений в области трения, изнашивания и смазки, а также от фактических результатов всесторонних лабораторных, стендовых и эксплуатационных испытаний материалов и конструкций узлов ДВС[19].
Анализ и классификация отказов[24,38] изделий машиностроения позволили установить, что в настоящее время основной причиной выхода их из строя в условиях эксплуатации является не разрушение деталей, а юное и нестабильность триботехнических характеристик сопряжений, приводящие к постепешюй утрате работоспособности вследствие разрегулирования и снижения точности функционирования кинематических цепей, изменения прочности и жёсткости отдельных звеньев и даже полного их истирания, а также вследствие недопустимого роста энергозатрат на привод механизма из-за схватывания деталей узлов трения.
Некоторое снижение остроты этой проблемы естественно находит своё объективное отражение в статистике отказов. Достаточно сказать, что в нашей стране почти треть парка металлообрабатывающих станков и около четверти рабочей силы занято в ремонтном производстве. На ремонт машин и оборудования, а, следовательно, и на капитальный ремонт ДВС ежегодно затрачивается в два раза больше металла, чем на выпуск новой продукции. Из металла, ежегодно расходуемого на ремонт машин, можно было бы изготовить сто тысяч новых, причём доля отказов по причине износа деталей составляет более 60% от общего их числа, а при ремонте металлорежущих станков по износу выбраковывается 85 - 90% деталей[54,69].
Подшипники скольжения развиваются в нескольких направлениях: вследствие совершенствования технологии их производства, приведшего к удешевлению и повышению качества подшипников и к новым конструктивным решениям; вследствие появления новых материалов с новыми ценными свойствами; вследствие совершенствования теории и конструкции подшипников, работающих в области гидродинамической смазки; в связи с особыми требованиями со стороны новых отраслей машиностроения (энергетика, авиация, космическая техника).
В некоторых странах организованно специализированное производство подшипников скольжения в большом масштабе. В Англии обращено очень серьезное внимание на существенное значение для национального машиностроения развитие науки о трении, износе и смазке поверхностей, находящихся в относительном скольжении[54].
Всё это свидетельствует о том, что имеется актуальная для машиностроения современная «проблема» подшипников скольжения. Одна из её сторон касается создания методов испытания и оценки служебных свойств материалов для подшипников скольжения. Другая её сторона заключается в повышении долговечности подшипников скольжения путем применения специальных добавок в моторные масла[45].
Добавки помогают образованию на поверхностях трения самовосстанавливающейся плёнки мягкого металла, которая обеспечивает низкий коэффициент трения. Это позволяет повысить в 2 - 3 раза долговечность узлов трения (реализовать эффект безызносности), снизить потери на трение на 30 - 200%, уменьшить расход материалов в 2 - 3 раза и во столько же увеличить период между смазочными работами[24].
Расчетно-теоретическая модель нагрузки схватывания в сопряжении «вал-втулка
Для достижения поставленных целей и задач была разработана методика проведения исследований. По проведённому анализу и опираясь на опыт предшествующих научных работ общую методику проведения исследований можно представить в виде последовательных шагов по выполнению диссертационной работы.
Первый этап. Изучение состояния вопроса исследований. На этом этапе работы был проведён анализ факторов влияющих на подшипники скольжения; анализ условий работы подшипников скольжения; анализ основных повреждений подшипников скольжения: анализ смазочных материалов и различных добавок к ним. По окончании данного этапа работы были сделаны выводы и поставлень! задачи исследований. Второй этан. Разработка расчётно-теоретической модели повышения долговечности подшипников скольжения путём применения в моторное масло специальных добавок.
Третий этап. Непосредственная разработка методики проведения исследований влияния различных добавок на материалы подшипников скольжения при испытаниях на машине трения. Основные вопросы на этом этане работы были: выбор смазочных материалов и добавок, выявления факторов влияющих на трмбосистему, выявления факторов по которым происходит оценка влияния добавки, разработка методик но испытаниям на износ и на задир.
Четвёртый этап. Анализ полученных результатов и представление окончательных выводов исследований. Выбранные моторные масла и добавки для испытаний
На надёжность и долговечность ДВС, и в особенности на узлы трения большое влияние оказывает качество применяемых моторных масел[61,79].
Руководства по эксплуатации ДВС допускают применение моторных масел различных фирм-производителей, объединённых общей классификацией по вязкостным и эксплуатационным свойствам] 1].
В качестве смазочного материала взято минеральное всесезонное моторное масло М-53/14Г ГОСТ 17479.1-85 марки «Лукойл - Стандарт», что соответствует по вязкости SAE 10W-40, API SF/CC. Основные свойства масла представлены в таблице 7.
Как представлено в п,п. 1.4.2. ремонтно-восстановительные препараты можно разделить на три основные группы, плюс кондиционеры поверхности и слоистые добавки-модификаторы.
Для более широкого исследования влияния добавок на сопряжения «сталь - сплав АСМ», «чугун - сплав АСМ» и «сталь - бронза» приняты по несколько добавок из каждой группы: реметаллизшгш (СУРМ-КВ, СУРМ-ФОС, REMETALL); геомодификаторы (ТСК В-100, ТСК В-200, PRACTEX, PRACTEX-1, PRACTEX-2); кондиционеры металла (SMT2, FENOM, NEWMEN).
Независимыми управляемыми факторами, которые влияют на трибосистему и на интенсивность изнашивания, а таюке регулируемые машиной трения являются:
1. Частота вращения, которая принята во время проведения экспериментов равной п = І000 мин]. Выбор этой частоты вращения объясняется тем, что во время работы двигателя наступает такой режим, при котором происходит минимальное сближение рабочих поверхностей сопряжения «вкладыш - шейка вала», а, следовательно, и более ускоренное их изнашивание[64].
2. Нагрузка. В связи с тем, что одними из самых нагруженных подшипников скольжения являются подшипники коленчатого вала, то расчёт начальном нагрузки при испытаниях на машине трения ведём именно по ним. Нагрузка на коренные и шатунные подшипники коленчатого вала характеризуется высокой неравномерностью, обусловленной периодичностью вспышек в цилиндрах двигателя и особенностями кинематической схемы кривошипно-шатунного механизма. Сила, действующая на шейки коленчатого вала, изменяется периодически как по величине, так и по направлению. Под воздействием периодически изменяющейся силы движение центра шейки вала в подшипнике носит неустановившейся характер. Поэтому методика расчётов подшипников по средней и максимальной нагрузкам даёт приближённые результаты. Такой метод не учитывает релаксационных процессов в масляном слое при его неустановившемся движении и инерцию шейки под воздействием переменной силы.
Выбранные моторные масла и добавки для испытаний
Для достижения поставленных целей и задач была разработана методика проведения исследований. По проведённому анализу и опираясь на опыт предшествующих научных работ общую методику проведения исследований можно представить в виде последовательных шагов по выполнению диссертационной работы.
Первый этап. Изучение состояния вопроса исследований. На этом этапе работы был проведён анализ факторов влияющих на подшипники скольжения; анализ условий работы подшипников скольжения; анализ основных повреждений подшипников скольжения: анализ смазочных материалов и различных добавок к ним. По окончании данного этапа работы были сделаны выводы и поставлень! задачи исследований. Второй этан. Разработка расчётно-теоретической модели повышения долговечности подшипников скольжения путём применения в моторное масло специальных добавок.
Третий этап. Непосредственная разработка методики проведения исследований влияния различных добавок на материалы подшипников скольжения при испытаниях на машине трения. Основные вопросы на этом этане работы были: выбор смазочных материалов и добавок, выявления факторов влияющих на трмбосистему, выявления факторов по которым происходит оценка влияния добавки, разработка методик но испытаниям на износ и на задир.
Четвёртый этап. Анализ полученных результатов и представление окончательных выводов исследований. Выбранные моторные масла и добавки для испытаний
На надёжность и долговечность ДВС, и в особенности на узлы трения большое влияние оказывает качество применяемых моторных масел[61,79].
Руководства по эксплуатации ДВС допускают применение моторных масел различных фирм-производителей, объединённых общей классификацией по вязкостным и эксплуатационным свойствам] 1].
В качестве смазочного материала взято минеральное всесезонное моторное масло М-53/14Г ГОСТ 17479.1-85 марки «Лукойл - Стандарт», что соответствует по вязкости SAE 10W-40, API SF/CC. Основные свойства масла представлены в таблице 7.
Как представлено в п,п. 1.4.2. ремонтно-восстановительные препараты можно разделить на три основные группы, плюс кондиционеры поверхности и слоистые добавки-модификаторы.
Для более широкого исследования влияния добавок на сопряжения «сталь - сплав АСМ», «чугун - сплав АСМ» и «сталь - бронза» приняты по несколько добавок из каждой группы: реметаллизшгш (СУРМ-КВ, СУРМ-ФОС, REMETALL); геомодификаторы (ТСК В-100, ТСК В-200, PRACTEX, PRACTEX-1, PRACTEX-2); кондиционеры металла (SMT2, FENOM, NEWMEN).
Независимыми управляемыми факторами, которые влияют на трибосистему и на интенсивность изнашивания, а таюке регулируемые машиной трения являются:
1. Частота вращения, которая принята во время проведения экспериментов равной п = І000 мин]. Выбор этой частоты вращения объясняется тем, что во время работы двигателя наступает такой режим, при котором происходит минимальное сближение рабочих поверхностей сопряжения «вкладыш - шейка вала», а, следовательно, и более ускоренное их изнашивание[64].
2. Нагрузка. В связи с тем, что одними из самых нагруженных подшипников скольжения являются подшипники коленчатого вала, то расчёт начальном нагрузки при испытаниях на машине трения ведём именно по ним. Нагрузка на коренные и шатунные подшипники коленчатого вала характеризуется высокой неравномерностью, обусловленной периодичностью вспышек в цилиндрах двигателя и особенностями кинематической схемы кривошипно-шатунного механизма. Сила, действующая на шейки коленчатого вала, изменяется периодически как по величине, так и по направлению. Под воздействием периодически изменяющейся силы движение центра шейки вала в подшипнике носит неустановившейся характер. Поэтому методика расчётов подшипников по средней и максимальной нагрузкам даёт приближённые результаты. Такой метод не учитывает релаксационных процессов в масляном слое при его неустановившемся движении и инерцию шейки под воздействием переменной силы. Так начальная нагрузка при проведении экспериментов составляла 1 МПа.
Тип добавки в смазочную среду. Здесь учитывается их концентрация, которая принимается исходя из рекомендаций фирм-производителей конкретной добавки. Производится расчёт этой концентрации в соответствии с объёмом заливаемого масла в испытательную камеру машины трения (V = 150 мл).
Время приработки. Замер показаний на каждой ступени нагрузки производится в течение шестнадцати минут. Данное значение интервала времени было определено в результате предварительных испытаний на машине трения (именно по окончании этого временного интервала происходит стабилизация температуры и момента трения в зоне контакта после изменения нагрузки, что представлено на рисунках 17 и 18).
Результаты лабораторных исследований по испытаниям на задир сопряжения «чугун - сплав АСМ»
При изучении эффективности действия добавок различного функционального назначения на работу узла трения «вал - втулка» были проведены испытания сопряжений «сталь - сплав АСМ», «чугун - сплав АСМ» и «сталь - бронза».
Подробные методики проведения испытаний представлены в главе три. Для детального рассмотрения всех результатов их можно разбить на части:
- испытания на задир, которые в свою очередь можно представить в виде испытаний сопряжений «сталь - сплав АСМ»; «чугун - сплав АСМ» и «сталь - бронза»;
- испытания на износ сопряжения «сталь - сплав АСМ».
Для удобства восприятия информации все результаты рациональнее предсі авлять в графическом виде. Для этого воспользовались такими программами как Excel и Slaiistica 6.0, которые на данный момент имеют в своём распоряжении обширные графические и статистические возможности.
По окончании очередного этапа исследований делались соответствующие выводы, а по окончании всего комплекса проведённых исследований составляются общие выводы по эффективности применения специальных добавок в моторных маслах на долговечность узла трения «вал - втулка», а, следовательно, и на долговечность подшипников скольжения.
В процессе лабораторньЕх исследований на машине трения было рассмотрено четыре специальные добавки различного принципа действия. Испытания проводились на масле М-5з/14Г с введением специальных добавок: - СУРМ-КВ - «восстановитель давления масла»; - СУРМ-ФОС - «фиксатор состояния сопряжений ДВС»; - ТСК В-200 - геомодификатор трения; - SMT2 - синтетический кондиционер металла 2-го поколения.
По окончании испытаний были построены графики функций, отражающие графически обозначенные выше критерии (глава три), и произведен анализ работы сопряжения.
При представлении данных по результатам исследования имеется следующая схема.
Сначала на рисунках представлены динамика зависимости, изменения коэффициента трения и температуры от времени. Эти графики представлены последовательно в зависимости от принадлежности добавки к той или иной группе.
В таблицах же приведены данные по статистической проверки гипотез [5 7], с помощью которых устанавливали, соответствуют ли взятые из выборки данные выдвинутой гипотезе, т.е. влияет ли применение специальной добавки в моторном масле на изменение коэффициента трения и на нагрузку схватывания, а, следовательно, и на долговечность подшипников скольжения.
Так, из представленных графиков (рисунки 25 - 29) и таблицы 11 видно, что применение специальных добавок в моторное масло с целью повышения работоспособности сопряжения Б паре трения «чугун - сплав АСМ» не всегда приносит желаемого результата.
Введение в моторное масло добавки СУРМ KB уменьшает коэффициент трения по сравнению с базовым значением (чистое масло без добавки) в 1,2 - 1.4 раза. При введении в масло добавки SMT" коэффициент трения увеличивается в 3,4 - 1,6 раза, но в течение всего времени испытаний носит стабильный характер. При применении СУРМ ФОС коэффициент трения практически идентичен коэффициенту трения при работе на масле без добавки, но только в течение двух часов, так как далее происходит схватывание поверхностей трения при работе на масле без добавки. Применение препарата ТСК В-200 по коэффициенту трения не принесло желаемого результата.
Что касается температурного режима, то наилучшие показатели имеются при применении добавки SMT, в то время как добавки из группы реметаллизанты (СУРМ) показали незначительные улучшения теплового режима в узле трения «чугун - сплав АСМ».
Из таблицы 11 видно, что коэффициенты трения масла М-5з/14Г без добавки отличаются от коэффициентов трения при применении добавок.
Приведём пример: необходимо сравнить коэффициенты трения при работе сопряжения «чугун - сплав АСМ» на масле М-5з/14Г без добавки и с добавкой М 5з/!4Г + СУРМ ФОС, т.е. определить отличаются ли значения коэффициентов трения друг от друга и на сколько они отличаются.
Первым делом определяется, значимо ли расхождение средних арифметических значений обеих выборок, т.е. обладает ли сопряжение «чугун - сплав АСМ» при работе на масле М-5з/14Г без добавки более высоким коэффициентом трения, чем при работе с добавкой М-5з/14Г + СУРМ ФОС.
Оба ряда измерений являются выборками из двух нормально распределённых генеральных совокупностей со средними значениями и дисперсиями и выполняется равенство дисперсий.
Далее проверяется гипотеза, что средние арифметические значения равны. Её отклонение свидетельствует о том, что выборки относятся к разным генеральным совокупностям и их средние арифметические, таким образом, существенно отличаются друг от друга. Критерием служит реализация выборочной функции" или так называемый «двойной критерий».
Допущение о равенстве дисперсий в генеральных совокупностях можно проверить с помощью статистического теста [57]. Если гипотеза о равенстве дисперсий отвергается, т.е. если критерий Фишера («Р-критерий») указывает на наличие значимого различия между выборочными дисперсиями, то применение метода проверки гипотезы, что средние арифметические значения равньт, применять нельзя.
В окончательном варианте, анализ сравнения коэффициентов трения при работе сопряжения «чугун - сплав АСМ» на масле М-5з/14Г без добавки и с добавкой М-5з/14Г + СУРМ ФОС, представлен «Р-критерием». Таким образом, коэффициенты трения при работе сопряжения на масле М-5з/14Г без добавки обладают более высокими значениями, чем при работе сопряжения с добавкой М-5з/ї4Г + СУРМ ФОС, с вероятностью 0,9938.
