Содержание к диссертации
Введение
1 Состояние вопроса. цель и задачи исследования
1.1 Анализ работоспособности и долговечности мобильной сельскохозяйственной техники 12
1.2 Изнашивание трущихся сопряжений зерноуборочных комбайнов 23
1.3 Ресурсосберегающие триботехнические методы повышения работоспособности и долговечности пар трения мобильной сельскохозяйственной техники 28
1.4 Финишная антифрикционная безабразивная обработка как метод обеспечения работоспособности и повышения ресурса мобильной сельскохозяйственной техники 38
1.5 Выводы. Цель и задачи исследования 52
2 Теоретические предпосылки повышения долговечности трибосопряжении мобильной сельскохозяйственной техники
2.1 Теоретические предпосылки реализации избирательного переноса
в трибосопряжениях мобильной сельскохозяйственной техники 56
2.2 Системный анализ узлов трения мобильной сельскохозяйственной техники 70
2.3 Моделирование процессов изнашивания трущихся деталей мобильной сельскохозяйственной техники и прогнозирование их ресурса 83
2.4 Выводы по главе 2 96
З Методика экспериментальных исследований
3.1 Структурная схема исследований 97
3.2 Обоснование и выбор антифрикционного покрытия при экспериментальных исследованиях 100
3.3 Обоснование и выбор рабочей среды при нанесении антифрикционного покрытия методом ФАБО 107
3.4 Обоснование и выбор нанодисперсной присадки к маслу 109
3.5 Влияние антифрикционного покрытия и нанодисперсной
присадки к маслу на смачиваемость поверхности 111
3.6 Методика триботехнических испытаний 117
3. 7Методика проведения эксплуатационных испытаний 130
3.8 Обработка экспериментальных данных и оценка точности
измерения 132
4 Экспериментальные исследования и их результаты
4.1 Триботехнические испытания на машине трения ИИ 5018 137
4.1.1 Изменение триботехнических характеристик образцов при испытании на машине трения 138
4.1.2 Исследование температуры поверхностного слоя и испытания приработанных образцов на схватывание 142
4.2 Износные испытания 144
4.3 Коррозионная стойкость 148
4.4 Исследование поверхностей трения образцов 151
4.5 Выводы по главе 4 164
5 Эксплуатационые испытания. внедрение результатов исследования в производство и их технико-экономическая оценка
5.1 Результаты эксплуатационных испытаний и внедрение результатов исследований в сельскохозяйственное производство 165
5.2 Расчет экономической эффективности технологии ФАБО 166
5.2.1 Расчет себестоимости ФАБО гильз цилиндров 166
5.2.2 Расчет годового экономического эффекта 171
Общие выводы 173
Список литературы
- Изнашивание трущихся сопряжений зерноуборочных комбайнов
- Системный анализ узлов трения мобильной сельскохозяйственной техники
- Обоснование и выбор рабочей среды при нанесении антифрикционного покрытия методом ФАБО
- Исследование температуры поверхностного слоя и испытания приработанных образцов на схватывание
Введение к работе
Одной из причин кризисного состояния современного сельского хозяйства России является ухудшение его технического оснащения. Снижение качественных и количественных показателей МТП привело к резкому увеличению нагрузки на технику и снижению ее надежности. Важным резервом повышения качества ремонта тракторов, автомобилей и сельскохозяйственных машин, экономии материальных и других ресурсов является применение прогрессивных технологических процессов восстановления деталей, обеспечивающих повышение ресурса отремонтированных машин.
Ежегодно из-за неисправностей и износа простаивает от 10 до 40 % машин и оборудования [1]. Применение прогрессивных технологий при ремонте изношенных деталей в 4-6 раз сокращает количество операций по сравнению с их изготовлением, в 20-30 раз снижает расход материалов, а себестоимость восстановления и упрочнения многих деталей составляет 60-80 % от себестоимости изготовления новых, что крайне важно в условиях экономии сырья, топливно-энергетических, материальных и трудовых ресурсов [2].
Эффективность работы сельскохозяйственной техники зависит, главным образом, от ее надежности - способности выполнять заданные функции с минимальными затратами труда и материальных средств в течение длительного времени. Простои техники, вызванные устранением отказов, приводят к затягиванию агротехнических сроков проведения полевых работ, в результате чего теряется до 15-30 % урожая сельскохозяйственных культур. При наличии в нашей стране огромных посевных площадей даже небольшое снижение показателей надежности приносит значительные убытки сельскому хозяйству. Запаздывание с посевом яровых культур (например, в случае отказа техники) на 5 дней ведет к снижению урожая на 3,3 ц/га [3,4].
Работоспособность и ресурс сельскохозяйственных машин в значительной степени определяются интенсивностью изнашивания трущихся деталей. Опыт эксплуатации свидетельствует, что 80-90 % деталей машин выходят из строя по причине износа [5]. Известно, что правильно выбрав материал и покрытие трибосопряжений, можно значительно повысить износостойкость и долговечность узлов трения при эксплуатации. Оптимизация выбора покрытий узлов трения мобильных сельскохозяйственных машин представляет наиболее перспективный и экономичный путь повышения их работоспособности и ресурса. Одним из методов повышения долговечности трибосопряжений мобильной сельскохозяйственной техники является применение финишной антифрикционной безабразивной обработки (ФАБО).
Установлено, что от финишной обработки деталей зависит не только первоначальная, приработочная, но и последующая интенсивность изнашивания при эксплуатации.
Методом ФАБО восстанавливают детали ЦПГ: шейки валов, гильзы цилиндров, различные втулки, валы.
Одним из главных преимуществ ФАБО являются сравнительная простота и универсальность способа, что позволяет использовать данный метод как в крупном машиностроительном предприятии с массовым производством, так и в небольшом автотранспортном предприятии [6].
ФАБО обеспечивает повышение износостойкости деталей в 1,5-2 раза, антифрикционных и противозадирных свойств трущихся поверхностей, а т.е. является эффективным методом повышения долговечности деталей машин [6].
В работе теоретически обоснована и решена задача повышения эффективности использования мобильной сельскохозяйственной техники путем применения финишной антифрикционной безабразивной обработки (ФАБО) в сочетании с добавлением в смазочный материал металлоплакирующих нанодисперсных присадок, обеспечивающих работоспособность и долговечность трущихся деталей в эксплуатации.
Исследования были проведены в соответствии с планом развития Саратовской области по выполнению научного направления 1.2.9. «Комплексная региональная программа научно-технического прогресса в агропромышленном комплексе Поволжского экономического региона на 20 лет до 2010 года» (№ гос. регистрации 840005200) и комплексной темой № 5 НИР Саратовского государственного аграрного университета им. Н.И.Вавилова «Повышение надежности и эффективности использования мобильной техники в сельском хозяйстве».
Цель работы. Повышение долговечности узлов трения мобильной сельскохозяйственной техники путем использования антифрикционного покрытия в сочетании с добавлением в смазочный материал металлоплакирующих нанодисперсных присадок.
Объект исследований. Узлы трения зерноуборочных комбайнов СК-5 «Нива», «Дон-1200», «Дон-1500Б», «Енисей-1200».
Методика исследований включала в себя анализ ресурса и работоспособности мобильной сельскохозяйственной техники; теоретическое обоснование повышения надежности и эффективности машин за счет применения в узлах трения скольжения финишной антифрикционной безабразивной обработки и металлоплакирующих нанодисперсных присадок к смазочному материалу; лабораторные и эксплуатационные испытания исследуемых антифрикционных покрытий и смазочных материалов в узлах трения зерноуборочных комбайнов.
Эксплуатационные испытания проводили с целью выявления эффективности комбинирования антифрикционного покрытия с применением модифицированного смазочного материала в полевых условиях. В процессе исследований были использованы современные вычислительные методы, рентгенофазовый анализ, высокоточные измерительные приборы и персональная компьютерная техника.
Научная новизна диссертации заключается в комплексном подходе к решению задачи повышения долговечности мобильной сельскохозяйственной техники и обеспечения работоспособности трущихся сопряжений за счет финишной антифрикционной безабразивной обработки в сочетании с добавлением в смазочный материал металлоплакирующих нанодисперсных присадок, к анализу и обобщению теоретических положений и закономерностей, в результате которых:
• предложена структурная схема ДВС, позволяющая выделить параметры и факторы, влияющие на ресурс подсистем и двигателя в целом;
• разработана математическая модель повышения долговечности трущихся деталей мобильной сельскохозяйственной техники путем использования финишной антифрикционной безабразивной обработки и металлоплакирующих нанодисперсных присадок к смазочному материалу, содержащих медь и олово;
• разработана компьютерная программа прогнозирования долговечности узлов трения мобильной сельскохозяйственной техники за счет улучшения и совершенствования процесса приработки;
• разработаны рекомендации и комплекс средств по повышению ресурса и эффективности использования автотракторных дизелей и поршневых пневмокомпрессоров.
Практическая ценность. Предложен и внедрен в производство комплекс мероприятий и конструктивных разработок, которые позволяют:
• повысить качество приработки, сократив продолжительность и увеличив ее эффективность, а также снизить начальный (приработочный) и установившийся износ трущихся деталей жатки, молотильного аппарата и ходовой части зерноуборочных комбайнов в 1,3—1,5 раза;
• снизить износ поверхностей трения гильз цилиндров и шеек коленчатых валов ДВС в 1,4-1,6 раза;
• повысить наработку на отказ и ресурс машин при прогнозировании на 40-60 %;
• получить от внедрения ФАБО в сочетании с добавлением в смазочные материалы металлоплакирующих нанодисперсных присадок годовой экономический эффект 165 392 руб. Пути реализации работы. Результаты исследований могут быть использованы на сельскохозяйственных и других предприятиях Министерства сельского хозяйства РФ при определении состава антифрикционного покрытия и режимов нанесения его в сочетании с металлоплакирующими нанодисперсными присадками к смазочным материалам, в конструкторских бюро предприятий сельскохозяйственного машиностроения, на ремонтно-технических предприятиях, машинно-технологических станциях, в акционерных обществах и фермерских хозяйствах, а также в учебном процессе вузов аграрного образования при изучении курса «Трибологические основы повышения ресурса мобильной сельскохозяйственной техники».
Внедрение. Разработанные в диссертации модернизированное устройство (патент № 75659) и триботехнические методы повышения эффективности и ресурса узлов трения зерноуборочных комбайнов внедрены на ряде предприятий Саратовской области:
• в ООО «Деметра» (Новобурасский район Саратовской области);
• в ГОУ НПО «Профессиональное училище № 59» (р.п. Базарный Карабулак Саратовской области);
• в ОАО «Ремонтный завод «Хоперский» (г. Балашов Саратовской области).
По результатам исследований разработаны и утверждены рекомендации по повышению ресурса и эффективности использования автотракторных дизелей и поршневых пневмокомпрессоров.
На защиту выносятся следующие научные положения:
• Теоретические предпосылки повышения долговечности узлов трения мобильной сельскохозяйственной техники путем применения ФАБО в сочетании с добавлением наноприсадок в смазочный материал.
• Математическая модель повышения долговечности трущихся деталей мобильной сельскохозяйственной техники за счет использования финишной антифрикционной безабразивной обработки и металлоплакирующих нанодисперсных присадок к смазочному материалу, содержащих медь и олово.
• Результаты испытаний триботехнических и эксплуатационных испытаний антифрикционных покрытий и смазочных композиций.
• Рекомендации по повышению ресурса и эффективности использования автотракторных дизелей и поршневых пневмокомпрессоров.
Апробация. Основные положения и результаты работы были доложены, обсуждены и одобрены на научных конференциях профессорско-преподавательского состава, научных работников и аспирантов СГАУ в 2005-2008 гг.; ежегодном Межгосударственном постоянно действующем научно-техническом семинаре «Проблемы экономичности и эксплуатации двигателей внутреннего сгорания» (Саратов, 2008 г.).
Публикации. Основные положения диссертации опубликованы в 10 научных работах. Общий объем публикаций - 4,9 печ. л., из которых 2,4 печ. л. принадлежит лично соискателю. Одна работа опубликована в издании, входящем в перечень ВАК Минобразования и науки РФ. Получен патент РФ № 75659 от 20.08.2008 г. на полезную модель.
Структура и объем диссертации. Диссертация изложена на 191 странице машинописного текста, состоит из введения, пяти глав, общих выводов, содержит 60 рисунков, 18 таблиц и приложения. Список использованной литературы включает в себя 171 наименование, в том числе 6 на иностранном языке.
Изнашивание трущихся сопряжений зерноуборочных комбайнов
Уровни динамического нагружения ряда узлов комбайна при уборке, особенно высокоурожайных зерновых культур [32], достигают больших значений и зависят от скорости его движения, влажности зерносоломистой массы, состояния хлебостоя при прямом комбайнировании или валков при подборе, микрорельефа полей и дорог. Это приводит к повышенному изнашиванию сопряжений. Один из основных факторов, определяющих скорость изнашивания деталей, - это наличие абразива в зоне трения. Проведенными исследованиями [33,34] установлено, что степень запыленности воздуха при выполнении сельскохозяйственных операций колеблется от 0,5 до 7 г/м3. В зависимости от запыленности воздуха изменяется и загрязненность смазки. Исследованиями Евдокимова Ю.А. и Котенко А.Ф. установлено, что загрязненность смазки рабочих органов почвообрабатывающих, посевных и уборочных машин достигает 17-20% [34]. Большое влияние на износостойкость трущихся деталей оказывают смазочные материалы. Подавляющее большинство подшипниковых узлов мобильной сельскохозяйственной техники смазывается пластичными смазками. Большое количество этих узлов в значительной степени обуславливает надежность машины в целом. Тяжелые условия работы узлов трения требуют больших затрат на техническое обслуживание. Так, например, для комбайна "Нива" установлен следующий порядок смазывания: 58 подшипников смазывают через 240 мото-ч.; восемь подшипников смазывают через 60 мото-ч.; пять подшипников смазывают через 8...10 мото-ч. [35].
Как показывает практика операции пересмазки производятся чаще, чем установлено нормативной документацией. Это обусловлено низкой функциональной способностью пластичных смазок. Наиболее часто выходящими из строя деталями по причине износа являются: ступицы вариатора мотовила, щечки соединительного звена ножа, сферический шарнир шатуна ножа, ступицы ходового вариатора, шарнир кронштейна для натяжения шкива приводных ремней молотилки и др. (см. рисунок 1.4)[ 1,2,31,33].
Проведенными исследованиями установлено, что износ этих деталей достигает нескольких миллиметров (см. рисунок 1.5) [33].
Закономерность протекания процесса износа сопряжений во времени, согласно исследованиям В.И. Казарцева, В.Ф. Лоренца, М.М. Хрущева, X Чихоса и других ученых [8, 27, 36, 37], можно выразить кривой, изображенной на рисунке 3.7, где показаны три фазы изнашивания подвижных сопряжений: начальная, установившаяся и аварийная. Последняя фаза возникает, в основном, по причине увеличения зазора в сопряжении. Это связано с изменением размеров и формы деталей, влекущим нарушение режима смазки и интенсивным возрастанием динамических нагрузок.
Одним из основных факторов, определяющих межремонтный срок службы сопряжения, является величина начального зазора /„ач.
На изнашивание сопряженных деталей решающее влияние оказывают только главные факторы, которые и следует устанавливать. Так, например, для подшипников скольжения — это величина и характер воздействия нагрузки, скорость скольжения поверхностей трения деталей и состояние среды в зоне их контакта [38].
Процессы контакта, трения и изнашивания, как правило, связаны с непосредственными физическими взаимодействиями между совершающими относительное движение поверхностями.
Работа деталей сельскохозяйственных машин в основном происходит в режиме граничного трения [39]. Этот режим характеризуется следующими особенностями: а) твердые поверхности расположены столь близко одна к другой, что между неровностями существует заметный контакт; б) гидродинамические явления и влияние объемных реологических свойств смазки малы или несущественны; в) трибологическое поведение системы определяется поверхностными взаимодействиями между тонкими слоями граничных смазок и твердыми поверхностями.
Фрикционный контакт поверхностей деталей при наличии твердых частиц [40], в результате которого развивается абразивное изнашивание, существенно отличается от контакта при трении шероховатых поверхностей. Прежде всего, следует отметить чрезвычайно высокую концентрацию контактных напряжений под действием твердых частиц, определяющих возможность одноактного процесса разрушения (микрорезания) материала. С этим связана и способность абразивных частиц активировать физические, физико-химические и химические процессы, изменяющие свойства и состояние локальных микрообъемов поверхностного слоя материала преимущественно в сторону его разупрочнения.
Абразивное изнашивание имеет широкое распространение, так как практически трудно избежать засорения твердыми частицами воздуха, воды, топлива, смазочных материалов, различных рабочих сред гидроагрегатов; многие рабочие органы машин выполняют свои служебные функции в непосредственном контакте с почвой, грунтом, строительными материалами, рудой и пр. Даже в контакте с материалами растительного происхождения неизбежно действие на детали машин и их рабочие органы твердых частиц как окклюдированных (в частности, двуокись кремния придает прочность волокнам растений), так и приставших к волокнам снаружи мелких почвенных частиц.
Системный анализ узлов трения мобильной сельскохозяйственной техники
Двигатель современного комбайна является сложной трибомеханической системой, которая включает в себя совокупность механизмов и технических систем, на долю которых приходится наибольшее число отказов среди других агрегатов мобильных сельскохозяйственных машин. К основным характеристикам системы относят техническую функцию, рабочие переменные, структуру и взаимодействие между элементами системы. Техническая функция пар трения ДВС состоит в ограничении или передаче движения. В настоящей работе изучаются только пары трения скольжения, совершающие непрерывное и прерывистое вращение и возвратно-поступательное движение. К рабочим переменным (входным параметрам) отнесены нагрузка Р, действующая на трибосопряжение, скорость V относительного перемещения элементов, температура Т , С, и качество смазки QM [90-92, 101]. Рисунок 2.4 - Элементарная трибомеханическая система: 1 - подвижный элемент; 2 - неподвижный элемент; 3 -смазка; 4 - оболочка; 5 - окружающая среда
Структура системы задается ее элементами с их свойствами и взаимодействиями. Взаимодействие между элементами определяется их расположением /гт;п (толщиной смазки), наличием вторичных структур, температурой элементов t, расходом смазки G , износом U и механическими потерями/ Это выходные параметры системы, от состояния которых зависит долговечность пар трения (рисунок 2.4) [82, 94, 96, 98, 99].
Согласно исследованиям В.В. Сафонова [102], температура существенно влияет на механические и теплофизические свойства, интенсивность процессов физико-химической механики, протекающих на поверхности фрикционного контакта, таких, как окисление, восстановление, выгорание отдельных компонентов и структурные превращения.
Тенденция повышения мощности современных машин неизбежно влечет за собой ужесточение температурного режима работы подвижных сопряжений. В условиях граничной смазки способность смазочных слоев нести нагрузку в контакте поверхностей трения зависит от взаимодействия компонентов смазочного материала с материалом деталей, что происходит за счет физической абсорбции, хемосорбции или трибохимических реакций. Определяющим фактором данных процессов является температура, развивающаяся при трении и вызывающая нагрев тонких поверхностных слоев сопряженных тел и смазочного слоя, разделяющего их. Исследована способность смазочных материалов не допускать металлического контакта и заедания трущихся поверхностей в условиях граничной смазки в определенном диапазоне температур и при сочетании различных материалов деталей. Установлено, что в тяжело нагруженных узлах трения температура в контактных зонах достигает очень высоких значений (до 1000 С и выше), что приводит к расплавлению металлических и разложению неметаллических материалов [102].
Однако недостаточно изучены вопросы определения максимальных температур на поверхности трения в условиях граничной смазки, влияния окружающих факторов на процессы теплообразования и теплопередачи, практически не исследованы физико-химические процессы, происходящие в поверхностных слоях деталей под действием высоких температур. Изучение этих вопросов и разработка мероприятий, позволяющих эффективно использовать полученную при трении температуру для создания поверхностных пленок с высокими трибологическими свойствами, позволит снизить износ трущихся деталей и повысить долговечность агрегатов машин.
Для определения максимальной температуры в зоне фактического контакта пары трения «поршневое кольцо - гильза» В.В. Сафоновым и другими исследователями [102, 103, 104] была рассмотрена одномерная модель установившегося режима трения в данной системе (рисунок 2.5).
Первоначально определяли среднюю температуру на фактическом пятне контакта. Обозначим через &иг\ среднюю температуру z -oro элемента системы, где г - радиус точки.
Тепловыделение в зоне трения Q составляет часть мощности трения Nj, которая переходит в тепло: Q = yNr=ykPVS, (2.17) где у - коэффициент, учитывающий часть мощности трения, переходящий в тепло; V- скорость движения поршня; S — площадь поршня S = 2%г21,1 - ход поршня.
Граничное условие для «9j на внутренней поверхности кольца (закон вынужденной конвекции): 1-7 = 1( 1- ,) ПРИ Г = ги (2.18) dr 1 где Aq- коэффициент теплопроводности кольца; а і - коэффициент теплоотдачи кольца; Зж - температура рабочей среды в кольцевом зазоре; ttl = 0,021 -=L Re Wpr,,, (2.19) с 1 где Л-ж - коэффициент теплопроводности рабочей среды; с - кольцевой зазор; Re ж - число Рейнольдса.
Если принять, что все параметры процесса трения не зависят от температуры, то уравнение (2.9) при / = 1, 2 с граничными условиями (2.10), (2.11), (2.13), (2.14), (2.15), (2.16), (2.17) составляют краевую задачу для системы линейных дифференциальных уравнений с постоянными коэффициентами.
Однако, коэффициент теплоотдачи согласно формуле (2.11) зависит от температуры, а коэффициент трения зависит от максимальной температуры на поверхности трения.
Максимальная температура на поверхности трения и температура вспышки определяются по формуле [104]: тах = $о + $ + #всп , (2.20) где о - исходная температура пары трения; і9всп - температурная вспышка на фактическом пятне касания; 3 — средняя температура номинальной (или контурной) поверхности трения.
Обоснование и выбор рабочей среды при нанесении антифрикционного покрытия методом ФАБО
Гидродинамическая теория смазки показывает, что если вал геометрически правильной формы посажен в подшипник также правильной геометрической формы с некоторым зазором, то при определенном и неизменном соотношении между зазором, вязкостью масла, нагрузкой и конструктивными размерами деталей сопряжения положение вала в подшипнике будет зависеть только от частоты вращения этого вала (при неподвижном подшипнике). При п = 0 вал опирается на подшипник, (рисунок 3.8, а). При пуске в ход и возрастании частоты вращения вал, захватывая смазку, проталкивает ее в самую узкую часть клиновидной щели, и эта смазка приподнимает вал, одновременно смещая его в сторону, обратную направлению качения. Достигнув определенной частоты вращения, о нагруженный вал всплывает в подшипнике, и рабочие поверхности разделяются слоем смазки. При дальнейшем возрастании частоты вращения центр вала описывает кривую, близкую к полуокружности (рисунок 3.8, б), и при бесконечно большой частоте вращения оба центра (вала и подшипника) совпадают [8]. Центр бала
Наибольшую опасность при эксплуатации мобильной сельскохозяйственной техники представляет период трогания машины, когда на рабочих поверхностях деталей узлов трения скольжения отсутствует сплошная масляная пленка. Наличие антифрикционного покрытия позволяет частично решить проблему износа в период граничного трения и неустановившегося гидродинамического режима смазки.
При переводе трущихся деталей машин в режим ИП необходимо создавать максимально благоприятные условия для формирования сервовитной пленки. Смазочные материалы с нанодисперсными присадками позволяют резко снизить интенсивность изнашивания.
При лабораторных и эксплуатационных испытаниях нами была использована металлоплакирующая наноприсадка ПМО-2, которая представляет собой седиментационно устойчивую суспензию нанодисперсного порошка смеси сплавов цветных металлов. Масло содержит сверхтонкие о оксиды Си - Sn с дисперсностью частиц - 80... 100 А и дополнительно -олеиновую кислоту при следующем соотношении, % по массе: сверхтонкие оксиды Си - Sn - 0,08-0,2; олеиновая кислота - 0,02-0,025; октадециламин (ОДА) - 0,0045-0,009; масло - до 100.
Состав предлагаемой смазочной композиции обеспечивает диффузию его составляющих, определяющую структурные изменения и формирование поверхностных слоев трения деталей.
Для получения сверхтонких оксидов Си - Sn использовали латунь марки ЛА 67-2,5 (ГОСТ 17711-72). Олеиновая кислота служила стабилизатором для получения однородного состава во всем объеме и повышения седиментационной стойкости смазочной композиции. Молекулы олеиновой кислоты взаимодействуют с частицами Си - Sn путем хемосорбции и способствуют их равномерному распределению в масле. Ill Количество стабилизатора определяли аналитическим методом: 9mdl К = (3.1) ?п (ds+2bf-dl где рт - плотность порошка Cu-Sn; р„ - плотность стабилизатора; 5 толщина оболочки стабилизатора; ds - диаметр частиц.
Учитывая, что средний размер частиц около 10 нм, плотность олеиновой кислоты р„=0,9 г/см , средняя плотность металлов (олова, бронзы, меди, латуни) pw=5,2 г/см , а длина молекул олеиновой кислоты около 2 нм, получаем: 5,2-Ю3 К = —т—2 Г5 г = 3,31, 0,9(10 + 2,2)3-103 т.е. для создания устойчивой дисперсной системы принимаем соотношение по массе дисперсная частица - стабилизатор, равное 3:1.
Таким образом, соотношение ингредиентов в моторном масле при добавлении сверхтонких порошков оксидов металлов будет следующим (% к массе): Cu-Sn - 0,1; олеиновая кислота - 0,02; ОДА - 0,006; моторное масло - до 100. Такая концентрация стабилизатора в приработочном масле является минимальной, так как обеспечивает лишь создание монослоя молекул олеиновой кислоты вокруг частиц порошка. Для дальнейших исследований с учетом использования олеиновой кислоты в качестве активатора поверхности определяем ее концентрацию в масле 0,2 % по массе.
Исследование температуры поверхностного слоя и испытания приработанных образцов на схватывание
Изучение колебаний температуры представляет большой интерес, так как этот показатель может существенно влиять на характер трения, связанного с поверхностным разрушением трущихся тел. Наряду с моментом трения температура является критерием оценки прирабатываемости, поскольку при достижении оптимальной шероховатости сопрягаемых поверхностей она длительное время остается постоянной.
На рисунке 4.3 представлены результаты исследований изменения температуры в зависимости от времени испытания. Из рисунка видно, что поверхности с ФАБО-покрытиями прирабатываются лучше, чем сульфомолибдированные и без покрытия. Это подтверждается пониженным значением их температуры по сравнению с другими образцами.
Если температура в период испытаний у необработанных пар составляла 115... 125 С, то у ФАБО-пар, испытанных на масле с присадкой, она была ниже в период установившегося трения - 80 С. Понижение температуры в процессе трения у поверхностей с приработочными покрытиями можно объяснить тем, что медные и сульфидные соединения, расположенные в поверхностных слоях, способствуют устранению очагов схватывания, уменьшают и облегчают деформирование соприкасающихся микронеровностей, уменьшают разрушения микроконтактов под действием тангенциальных сил, а также лучше адсорбируют смазку на поверхности.
В качестве критериев оценки противозадирной стойкости были приняты величина и характер изменения момента трения, а также состояние поверхностей трения образцов в процессе испытаний. Результаты испытаний, приведенные на рисунке 4.36, показали, что схватывание образцов трения без приработочного покрытия наступило через 10 мин при нагрузке 0,7 кН и моменте трения 1,3 кН-см; образцов с сульфомолибдированным покрытием -через 16 мин при 1,1 кН и 1,2кН-см. Нагрузка схватывания пар образцов с ФАБО-покрытием, испытанных на масле с наноприсадкой ПМО-2, была выше в 1,9 раза.
При этом качество поверхности образцов без покрытия с наступлением схватывания резко ухудшалось, она становилась более шероховатой, появлялись мостики схватывания.
Повышенная противозадирная стойкость образцов с приработочными покрытиями обеспечивается соединениями меди и молибдена, которые, обладая хорошей пластичностью, предотвращают контактное схватывание и задиры.
Из рисунка 4.1, б видно, что суммарный износ у пары образцов с ФАБО-покрытием, испытанных на масле с присадкой, в среднем в 1,8 раза ниже, чем у образцов без покрытия, ив 1,6 раза ниже, чем у сульфомолибдированной пары. Суммарный износ трущихся поверхностей характеризуется постепенным нарастанием, и после трех часов испытаний достигает у немодифицированных образцов 3,3 мг, а у пары с антифрикционным покрытием - в среднем 1,8 мг.
Пониженный износ образцов с антифрикционными ФАБО-покрытиями, испытанными на масле с ПМО-2, обеспечивается процессами, протекающими при явлении избирательного переноса. При этом процесс приработки протекает без видимого схватывания. Уменьшение износа имеет прямую связь с увеличением контактной выносливости трущихся поверхностей, модифицированных антифрикционными покрытиями. Исследование износостойкости производили на проволочном приборе (рисунок 4.4). На рисунке 4.5 показан внешний вид образцов.
Выбор материала ролика и величины нагрузки на струну (рисунок 4.6) позволяет с определенными допущениями считать методику приемлемой для решения поставленной задачи. Очевидно, что такие испытания не дают возможности получить исчерпывающие сведения о влиянии модифицирования поверхностей указанными способами на износ образцов применительно к конкретному случаю вследствие различий в кинематике, температурном режиме изнашивания и пр.
Все образцы были испытаны не менее чем в трёхкратной повторности. Варианты испытаний принимались следующие:
1) образец без покрытия, приработанный в течение 3 ч на машине трения ИИ 5018 и испытанный на проволочном приборе при «сухом» трении;
2) образец с ФАБО-покрытием, приработанный на машине ИИ 5018 и испытанный на проволочном приборе при «сухом» трении;
3) с ФАБО-покрытием, прошедший приработку на машине трения ИИ 5018 в течение 3 ч на масле с наноприсадкой и испытанный на проволочном приборе при «сухом» трении.
По износу поверхностного слоя роликов (см. рисунок 4.6) путем замера площади сечения канавки с помощью профилографа-профилометра судили об износостойкости.
