Экспериментальные исследования изнашивания пар трения в загрязненной рабочей среде

Размещено на http://www.allbest.ru/

Контрольная работа

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ИЗНАШИВАНИЯ ПАР ТРЕНИЯ В ЗАГРЯЗНЕННОЙ РАБОЧЕЙ СРЕДЕ

Содержание

1. Экспериментальные исследования по определению влияния механических примесей, содержащихся в масле, на износ качающего узла аксиально-поршневого насоса

2. Стендовые испытания аксиально-поршневых насосов при загрязнении масла водой

Литература

1. Экспериментальные исследования по определению влияния механических примесей, содержащихся в масле, на износ качающего узла аксиально-поршневого насоса

Экспериментальные исследования по влиянию механических загрязнений на износ пары трения «поршень-втулка» аксиально-поршневых гидронасосов серии PVB производились на машине трения СМТ-1 и на стенде КИ-4815М.

На машине трения образцы подбирались таким образом, чтобы они максимально соответствовали указанным парам трения. Испытания проводились в режиме «диск-колодка» при радиальной нагрузке 500…900 Н, скорости скольжения 0,8…1,3 м/с.

Диски имели геометрические размеры 50 х 10 мм, шероховатость поверхностей трения Ra = 0, Химический состав материала дисков был следующий: С - 0,37%; Si - 0,30%; Mn - 0,83%; Cr - 0,90%, что соответствует стали 40Х по ГОСТ 4543-71.

Твердость поверхности трения составляла 43,5 - 44 НРС; микротвердость (измерения выполнены на приборе «Duriment») HV = 487…549; микроструктура поверхностного слоя - мартенсит отпуска.

Колодки получены из кольца (внутренний диаметр - 50 мм, наружный диаметр - 70 мм), разрезанного на 8 равных частей. Химический состав колодок следующий: Sn - 5,75%; Zn - 3?7%; Pb 10%; Ni 1%; Cu - все остальное. Шероховатость поверхностей трения Ra = 0,8…0,9; микротвердость образцов: (светлая фаза), (темная фаза); микроструктура образцов представляла собой твердый раствор Sn в Cu и включения Pb, номинальная площадь контакта составляла 158,6 мм.

Сравнительные испытания проведены со смазкой (окунанием) маслами ИГП-18 - чистым и отработанным маслом той же марки, отобранным из гидросистемы автоматической линии Берарди - 375. Основные показатели свежих и отработанных масел приведены в табл. 1.1.

Таблица 1.1 Показатели масла ИГП-18

Масло		Св,%	См,%	К	кг/м	Зольность	Ba	Fe
Свежее ИГП-18	17,65	Отс.	0,02	1,0	872	0,24	0,0025	0,0006
Отраб. ИГП-18	18,53	Отс.	0,03	0,9	875	0,17	0,0025	0,0011

Масло	Ca	Pb	Al	Cu	Mn	Si	Cr
Cвежее ИГП-18	0,003	Отс.	0,0002	Отс.	Отс.	0,0035	Отс.
Отраб. ИГП-18	0,015	0,0002	0,0002	0,0002	Отс.	0,0027	0,0001

Испытания проведены на скорости 1,3 м/с. Номинальные давления в контакте составили 3,15; 4,4; 0,5; 5,6 МПа. При этом максимальные коэффициенты трения, измеренные на пути трения 1000 м, находились в пределах 0,024…0,022 как для чистого, так и отработанного масла. Отмечено, что при испытании на отработанном масле устойчивый режим трения достигается на пути трения на 10 - 15 % меньше, чем на свежем масле.

Таким образом, проведенные испытания не выявили ухудшения основных триботехнических характеристик при смазке образцов отработанным маслом.

Проведенные испытания позволили ограничить выбор причин, играющих определяющую роль в снижении смазочных свойств масел, и сделать вывод о том, что с целью восстановления последних из масел необходимо удалить легколетучие компоненты деструкции масел и механические примеси.

Как было указано выше, исследование влияния степени загрязненности масла на триботехнические характеристики образцовых пар трения проведены в режиме «диск-колодка». Материал и механические свойства диска и колодки подбирались так, чтобы они максимально соответствовали материалу и механическим свойствам поршня и втулки гидронасоса фирмы «Vickers». Химический состав материала поршня был следующим: C - 0,39 %; Si - 0,05 %; Mn - 0,78 %; Cr - 0,07 %; Ni - 0,07 %; Cu - 0,02 %, что по содержанию углерода аналогично стали 40Х.

Микротвердость поверхности поршня находилась в пределах 584…701. Микроструктура поверхности - мартенсит мелкоигольчатый. Шероховатость поверхности поршня (Ra) измерена на приборе «Talisurf-4» и находилась в пределах 0,035…0,075 мкм. С целью обеспечения максимальной степени подобия образец «диск» был выполнен из стали 40Х, закален до твердости в пределах = 570…690, исходная шероховатость поверхности Ra = 0,04…0,08 мкм. Образец «колодка» выполнен из бронзы, имеющей следующий химический состав в % : Sn - 5,75; Zn - 3,7; Pb 10; Ni 0,1; Cu - все остальное, что соответствует марке Бр.06 Ц603 по ГОСТ С13-79; микроструктура представляет собой -твердый раствор Sn в Cu ( = 80…91) и содержит включения свинца ( = 62…70). Корпус качающего узла насоса выполнен из материала следующего состава в %: C - 0,82; Mn - 0,17; Cr - 0,06; Ni - 0,03; Cu - 3,0; Si - 0,02; Fe - все остальное.

Корпус является, вероятно, продуктом порошковой металлургии. Микротвердость мягкой фазы = 103…138.

Испытания проведены при скорости скольжения = 1 м/с. Номинальное давление составило 3,92 МПа. Влияние примесей на износ оценивалось на пути трения = 4000 м. Потеря массы () определялась взвешиванием на весах ВЛТ-200 с точностью 0,00005 г и оценивалась интегральной интенсивностью изнашивания:



, (1.1)

где потеря массы в г; номинальная площадь контакта, см, путь трения, см.

После каждого испытания образцы притирались с пастой для получения исходной шероховатости поверхности, промывались хлороформом, затем устанавливались для проведения очередного испытания. Результаты испытаний представлены в таблице 1.2. Каждый результат является средним по трем испытаниям.

Таблица 1.2 Результаты испытаний образцов «диск-колодка» при смазке маслом ИГП-18 с механическими примесями

№№	Количество неорганических примесей,%		Коэф. трения	Температура в зоне контакта,
		диска	колодки
1	2	3	4	5	6
1	0,39	903	4,14	0,063	68
2	0,20	456	1,72	0,06	68
3	0,08	240	1,14	0,058	68
4	0,04	7,18	0,49	0,027	52
5	0,02	5,88	0,13	0,0009	20

Анализ результатов испытаний позволил сделать следующие выводы:

- интенсивность изнашивания стального образца значительно выше интенсивности изнашивания бронзового образца, т.е. в паре трения «поршень-втулка» следует ожидать в первую очередь износа поршня;

- при наличии в масле 0,04% неорганических примесей в три раза увеличивается коэффициент трения, вдвое возрастает температура в зоне контакта.

Так как пара трения гидронасоса «поршень-втулка» работает в условиях возвратно-поступательного трения, машина трения СМТ-1 не может обеспечить полное подобие условий трения образцов и натурных деталей. С целью уточнения данных, полученных на машине трения СМТ-1, были проведены стендовые испытания насосов с искусственным загрязнением рабочей жидкости вначале механическими неорганическими примесями, а затем водой. Причиной выбора насосов послужило то обстоятельство, что насосы этой серии обладают высокой надежностью и практически не имеют конструкционных и технологических отказов.

Методика проведения испытаний заключалась в следующем. В гидробак стенда КИ4815-М через фильтр заливалось свежее масло ИГП-18. Температура масла по ходу испытаний насоса с помощью теплообменника поддерживалась постоянной в пределах 30…32. Нагрузка на насос задавалась регулируемым дросселем и составляла 4 МПа, что соответствует оптимальному режиму работы испытуемого насоса. Подача насоса в начале испытаний составляла 0,417 м/с при заданном давлении. Загрязнение масла механическими примесями осуществлялось путем введения их в гидробак стенда. После проведения очередного испытания насос вскрывался. С двух контрольных поршней снимались профилограммы шероховатости и профиля линейной части поршней с помощью профилографа-профилометра «». Хотя механические примеси добавлялись в масло в известном количестве, окончательно их содержание определялось на основе анализа масла, взятого непосредственно из корпуса насоса после вскрытия последнего. Химический анализ показал меньшее содержание механических примесей по сравнению с их количеством, введенным в масло, что объясняется выпадением в осадок наиболее крупных частиц размером 250х875 (металл) и 175х350, 250х625 мкм (кварц), а также составляющих максимальную долю частиц металла и кварца размером 40 мкм (данные микроскопического анализа пробы, взятой со дна гидробака). Содержание абразивных частиц в искусственно добавляемых примесях по данным спектрального анализа было следующим:



Таблица 1.3 Результаты спектрального анализа абразивных частиц, %

Ba	Fe	Pb	Si	Ca	Cu	Al	Cr
0,0072	6	0,084	1,5	0,18	1,5	2,7	0,33

Результаты спектрального анализа отложений на дне гидробака после проведения испытаний приводятся в таблице 1.

насос поршневой загрязнение масло

Таблица 1.4 Результаты спектрального анализа отложений на дне гидробака

Ba	Fe	Pb	Si	Cu	Al	Ca	Cr
0,035	0,1550	0,0060	0,0400	0,007	0,018	0,7	Отс.

Различие в спектральных анализах механических примесей объясняется тем, что основная доля частиц находилась во взвешенном состоянии и участвовала в абразивном изнашивании исследуемых пар трения.

Так как при испытаниях на машине трения было установлено, что интенсивность изнашивания диска (аналог поршня) на 1 - 2 порядка выше, чем интенсивность изнашивания колодки (аналог втулки), то можно считать, что величина износа пары трения «поршень-втулка» будет определяться в первую очередь износом поршня. Действительно, профилограммы втулок показали очень низкие значения шероховатости поверхности, порядка сотых долей микрометра, поэтому дальнейшее профилографирование втулок не выполнялось. Уменьшение интенсивности абразивного изнашивания деталей из более мягкого материала связано с тем, что абразивные частицы внедряются в поверхностный слой мягкого материала и таким образом могут быть приведены в пассивное состояние. На этот факт указывали И.В. Крагельский и др. в работе [3].

Величина изношенного слоя металла определялась путем совместного наложения профилограмм цилиндрической поверхности поршней по 6 контрольным сечениям.

Скорость изнашивания по слою определялась как

, (1.2)

где величина изношенного слоя, мкм; продолжительность испытаний, ч.

Интегральная интенсивность изнашивания по слою определялась как

, (1.3)

где путь трения, определяемый как

, (1.4)

где - длина рабочей поверхности поршня; частота вращения вала насоса.

На основании расчетных данных по интенсивности изнашивания построен график ее зависимости от процентного содержания (по массе) механических примесей (рис. 1).



Рис. 1. Зависимость интегральной интенсивности изнашивания () и шероховатости () поршней от содержания механических примесей ()

На рис. 1 показано также изменение , осредненного по двум контрольным поршням, в зависимости от . Следует отметить, что характер изменения шероховатости точно повторяет характер изменения интенсивности изнашивания, что говорит о хорошем качестве эксперимента. Согласно экспериментальным данным, существенное увеличение изнашивания поршней начинается при содержании механических примесей, большем чем 0,04%. При изменении от 0,04 до 0,05% интегральная интенсивность изнашивания возрастает почти в два раза. При содержании механических примесей, большем чем 0,06%, следует ожидать катастрофического износа. На рис. 1 заметно, что минимальное значение изнашивания поршней наблюдалось при содержании загрязнений в количестве 0,02%, т.е. произошло снижение изнашивания по сравнению с изнашиванием при меньших . Этот факт позволяет предположить, что наличие механических примесей до известного предела может сказываться на работе насоса положительно. Возможно, это связано с тем, что механические частицы, попадающие в зазор, ведут себя подобно подшипникам и таким образом улучшают условия работы пар трения.

Ниже приводятся результаты расчета срока службы насоса в часах непрерывной работы по формуле (3.6.1) по средней скорости изнашивания, т.е. с учетом уменьшения скорости изнашивания после приработки. Вероятность безотказной работы принята равной 0,9 и 0,95.

Таблица 1.5 Расчетный срок службы насоса

Содержание мех. примесей, , %	Срок службы насоса, ч
	Р(Т) = 0,9	Р(Т) = 0,95
0,005	22900	19600
0,010	21500	18700
0,039	18400	16300
0,060	8190	7340
0,022	26300	22200
0,050	10000	8790

На основании экспериментальных и расчетных данных можно рекомендовать допускать содержание механических примесей в рабочих жидкостях гидравлических систем в пределах 0,02…0,025% (по массе) при условии установки фильтров с тонкостью очистки, меньшей, чем величина характерного зазора.

2. Стендовые испытания аксиально-поршневых насосов при загрязнении масла водой

Для определения влияния воды, содержащейся в масле, на изнашивание поршней аксиально-поршневых насосов были проведены стендовые испытания, которые отличались от предыдущих тем, что в гидробак стенда КИ-4815М доливалась дистиллированная вода в установленном объеме. Для того, чтобы сравнить полученные данные с данными по изнашиванию поршней при содержании абразивных частиц в масле, методика обработки была аналогичной прежней, т.е. проводилось профилометрирование контрольных поршней для определения параметра шероховатости , совместное наложение профилограмм цилиндрической поверхности поршней для определения величины изношенного слоя, а также обработка профилограмм шероховатости для получения опорных кривых поверхностей поршней. Кроме того, контролировалась объемная подача насоса .

При рассмотрении изменения интегральной интенсивности изнашивания поршней насоса 10 по слою (рис.2) наблюдалось ее возрастание при увеличении процентного содержания воды в масле, причем вид зависимости соответствует степенной (показательной) функции типа , где показатель степени . Функция продольной шероховатости, характеризующейся параметром , при увеличении содержания воды в масле имеет такой же вид, что, по-видимому, подтверждает достоверность экспериментальных данных. Наличие постоянной тенденции к увеличению шероховатости с увеличением говорит о катастрофическом изнашивании пар трения в данных условиях. Увеличение интегральной интенсивности изнашивания в 2 раза происходит при содержании воды (по объему).



Рис.2. Зависимость интегральной интенсивности изнашивания () и шероховатости поверхности () поршней насоса от содержания воды в масле ()

Стендовые испытания насосов при загрязнении масла механическими примесями показали, что существенное увеличение изнашивания поршней (в 2 раза) начинается при содержании механических примесей = 0,04%. Однако катастрофический износ с тенденцией к увеличению шероховатости поверхности происходит при . Существующие методы очистки масел гидросистем технологического оборудования в целом позволяют справиться с проблемой загрязнения масел механическими примесями, а содержание их в количестве, большем чем 0,05…0,06%, бывает сравнительно редким. Гораздо более опасным для работы гидроприводов технологического оборудования является попадание в гидробаки воды в любом количестве, хотя бы на уровне «следов» (), поскольку, как показали стендовые испытания, при этом шероховатость поверхности поршней имеет устойчивую тенденцию к увеличению, а износ возрастает по показательному закону и имеет значения гораздо большие, чем при содержании механических примесей (при увеличении от 0 до 0,5% скорость изнашивания увеличивается в 30 раз).

Расчетный технический ресурс насоса при содержании воды в масле в количестве 0,3…0,5% сокращается в 3 раза. Недопустимым последствием работы насоса в обводненном масле является проявление пластических деформаций, связанных, по-видимому, с локальным повышением температуры в зонах трения. Наличие пластических деформаций указывает на «катастрофический» характер изнашивания поршней.

Для получения более достоверных, приближенным к реальным, интенсивностям изнашивания пар трения, уточнения модели гидроэрозионного изнашивания и ее проверки продолжительность стендовых испытаний была увеличена до 30…100 часов. Помимо насоса испытывались еще три насоса той же серии - . После каждого испытания производилось взвешивание всех поршней на весах ВЛТ-200, а также 20-кратное измерение цилиндрической поверхности каждого из 9 поршней с помощью профилометра «Калибр-206». Стендовые испытания проводились при различном давлении на выходе испытуемого насоса. Скорость изнашивания поршней (по массе) определялась по формуле:

(2.1)

где масса поршня после го испытания, г; масса поршня после ()-го испытания, г; продолжительность испытания, ч.

Интенсивность изнашивания по массе определялась как



(2.2)

где номинальная площадь контакта, определенная как сумма площадей поверхности всех 9 поршней блока, м; путь трения за 1 час.

Интенсивность изнашивания по слою определялась как

(2.3)

где плотность стали, кг/м.

После каждого испытания определялась кислотность масла в мг КОН на 1 мл масла по следующей методике. После 5-минутного кипячения с обратным холодильником 50 мл спирта и добавления нескольких капель фенолфталеина производилось титрование спирта до появления слабо-розовой его окраски. Затем в колбу со спиртом добавлялось 50 мл исследуемого масла. После 5-минутного кипячения раствора производилось его титрование в присутствии фенолфталеина 0,05% раствором едкого натра КОН до появления слаборозовой окраски раствора. Кислотное число масла в мг КОН определялось как

(2.4)

где титр раствора КОН, объем раствора КОН, затраченный на титрование.

В процессе испытаний насосов велись наблюдения за влажностью воздуха и его температурой.

Как указывалось выше, во второй серии испытаний контрольными являлись все 9 поршней, входящих в качающий узел каждого насоса. Испытывались 3 насоса и один насос , причем каждый насос испытывался при различном давлении в напорной линии и различном содержании воды в гидросистеме стенда. Количество экспериментов для получения средней скорости изнашивания поршней составляло от 3 до 10. Суммарная продолжительность испытаний составила от 30 до 100 часов.

По данным опроса специалистов, обслуживающих гидросистемы технологического оборудования заводов «КамАЗ», попадание воды в гидросистемы ограничивается обычно 1… 3% (по объему), поэтому при проведении стендовых испытаний максимальное содержание воды составляло именно 3%.

В таблицах 2.1 - 2.5 представлены экспериментальные данные по износу (по массе) поршней насосов при различном содержании воды и заданном давлении на выходе насоса.

Таблица 2.1 Скорости изнашивания блока поршней насоса PVB-15 при МПа

,%	за время г/ч	Среднее значение
	10	20	30	40	50	60	70	80	90	100
0	2	2	1	0	0						1
0,01	2	10	15	15	23						13
0,05	15	18	9	48	15						21
0,2	23	15	7	40	1	120	18	15	19	0	26
0,3	47	29	25	24	8						27
0,5	19	34	38								30
3,0	42	60	25								42

Таблица 2.2 Скорости изнашивания блока поршней насоса PVB-15 при МПа

	за время , г/ч	Среднее значение
	10	20	30
0	8	12	1	7
0,5	56	38	50	48
1,0	60	36	108	68
2,0	70	81	71	74
3,0	91	108	92	97

Таблица 2.3 Скорости изнашивания блока поршней насоса PVB-15 при МПа

	за время , г/ч	Среднее значение
	10	20	30
0	4	8	0	4
0,5	74	7	30	37
1,0	40	28	46	38
2,0	60	37	71	56
3,0	54	62	76	64

Таблица 2.4 Скорости изнашивания блока поршней насоса при 3 МПа

С, %	за время (ч), , г/ч	Среднее значение
	10	20	30
0	4	4	1	3
0,5	36	92	40	50
1,0	32	79	72	61
2,0	50	66	91	69
3,0	64	86	60	70

Таблица 2.5 Скорости изнашивания блока поршней насоса при 6 МПа

, %	за время (ч), , г/ч	Среднее значение
	10	20	30
0,5	28	54	8	30
1,0	56	40	60	52
2,0	62	48	31	47
3,0	60	54	36	50



На рис. 3 приведена экспериментальная зависимость средней скорости изнашивания блока поршней от содержания воды в масле и давления, развиваемого насосом. Кривые 1 - 5 построены методом наименьших квадратов, исходя из того, что предполагаемая функция может быть описана показательной зависимостью вида , где .

Качественный вид кривых 1 - 5 принципиально не отличается от вида зависимостей, полученных в первой серии испытаний. Скорость изнашивания поршней резко возрастает при появлении воды в масле в минимальном количестве и продолжает возрастать, но менее существенно, при . Если при изменении содержания воды от 0 до 0,5 % по кривой 1 скорость изнашивания возросла в 30 раз, то при изменении от 0,5 до 3 % скорость изнашивания блока поршней увеличилась в 1,4 раза.

Согласно литературным данным [3, 6, 9, 19, 27] подобное увеличение износа пар трения при наличии воды в смазке может объясняться рядом причин, наиболее существенными из которых, по-видимому, следует считать коррозионно-механическое разрушение и кавитационное изнашивание. Выбор именно этих из всех рассмотренных выше причин обусловлен тем, что на поверхностях поршней насосов после испытаний нами наблюдались следы коррозии в виде пятен (при ), а также питтинг. Для оценки скорости механохимического износа был выполнен расчет по формуле (3.19) применительно к условиям нашего эксперимента. При этом оказалось, что скорость механо-химического изнашивания при 3% воды в масле составляет всего г/ч, тогда как минимальное значение скорости изнашивания, зафиксированное в процессе эксперимента, равно г/ч.



Рис. 3. Экспериментальная зависимость скорости изнашивания поршней (по массе) от содержания воды () и давления ()

Если учесть параболическое изменение скорости коррозии в соответствии с диффузионной кинетикой окислительных реакций, то скорость механохимического износа составит г/ч, что меньше экспериментального ее значения на три порядка.

Визуальный осмотр поршней после испытаний в обводненном масле показал наличие пятен коррозии на их внешней поверхности, следовательно, коррозию все-таки необходимо учитывать. В работе[36] указано, что скорость коррозии низколегированной стали () под морской водой и в воздухе промышленной атмосферы примерно одинакова и составляет 0,06…0,066 мм/год. При 100 % концентрации воды скорость изнашивания блока поршней при коррозии может быть определена по следующей формуле:

, (2.5)

где плотность стали, площадь поверхности поршня; количество поршней в блоке.

Для любого содержания воды в масле скорость изнашивания блока поршней определится как

. (2.6)

Результаты расчетов скорости коррозионного изнашивания блока поршней по (2.6) при различном содержании воды в масле приводятся в табл.2.6. Для сравнения в этой же таблице приведены значения фактической скорости изнашивания блока поршней при давлении = 5 МПа ().

Таблица 2.6 Расчетная скорость коррозии блока поршней насоса

, %	0	0,01	0,05	0,2	0,3	0,5	3,0
, г/ч	0	0,018	0,091	0,362	0,543	0,905	5,43
, г/ч	1	11	21	26	27	30	42
в % от	0	0,16	0,43	1,39	2,01	3,02	12,9



Из таблицы 2.6 видно, что коррозионный износ становится ощутимым лишь при = 3 % и составляет при этом около 13 % от общего износа.

Для оценки величины кавитационного изнашивания с учетом влияния абразивных частиц, содержащихся в потоке жидкости, была применена формула, предложенная С.П. Козыревым в [14]:

, (2.7)

где процентное содержание абразива в потоке жидкости; скорость движения жидкости.

Поскольку при испытаниях попадание абразива из внешней среды было исключено, было сделано предположение, что в пределе равно величине убыли массы поршней. Тогда, в условиях эксперимента, скорость кавитационного изнашивания может быть определена:

, (2.8)

где время эксперимента (испытания).

В результате расчетов по формуле (2.8) оказалось, что величина гидроабразивного изнашивания при кавитации не превышает 0,13 г/ч, что объясняется небольшой скоростью потока жидкости, которая менялась от 1,85 до 2,4 м/с. При рассмотрении причин, влияющих на износ поршневых пар в присутствии воды, необходимо также учитывать износ при трении скольжения. Однако номинальная площадь контакта рассматриваемых пар трения составляет лишь 10 % общей площади поверхности поршня. Трение скольжения классического типа осуществляется лишь при движении торцевой поверхности поршня относительно диска АПН, а также при движении поршня вдоль втулки в случае перекоса поршня. В связи с этим можно предположить, что износ при трении скольжения не может составлять значительную долю от общего износа, полученного экспериментально. Анализ профилограмм поверхности поршней, полученных после испытаний с различным содержанием воды в масле, в общем, подтверждает это предположение, так как износ вблизи торцов цилиндрической части поршней не превышает 20 % от общего износа, хотя «бочкообразность» профилей прослеживается. Следы же пластической деформации, возможной при локальном повышении температуры, наблюдаются вдоль всей поверхности поршней и не могут быть объяснены только работой сил трения скольжения. Кроме того, невозможно объяснить наличием трения тот факт, что при уменьшении нагрузки на насос (давления в напорной линии) износ поршней увеличивался.

Одновременное присутствие пузырьков воздуха (газа) в масле резко ухудшает условия эксплуатации насосов. Например, увеличение содержания воздуха от 5 до 9 % увеличивает износ в 2 раза.

Можно предположить, что при испытаниях на машине трения пары трения изнашивались бы сильнее при увеличении содержания воды с увеличением нагрузки, поскольку вязкость водно-масляной эмульсии меньше, чем вязкость чистого масла, а значит, смазывающая способность эмульсии хуже и коэффициент трения выше. При увеличении же нагрузки сплошность смазывающей пленки нарушалась бы легче, и соответственно, увеличился бы износ. Таким образом, полученные экспериментальные данные не могут быть полностью описаны имеющимися в настоящее время моделями изнашивания. На рис. 3 кривые 2, 4, а также 3 и 5, полученные при испытаниях насосов и , показывают увеличение скорости изнашивания с уменьшением давления в напорной линии насоса. Только кривая 1 нарушает эту закономерность. Это можно объяснить меньшим содержанием воздуха в масле в этом случае, т.е. если бы содержание воздуха в масле при давлении, создаваемом насосом , равным 5 МПа, составляло около 9 %, то кривая 1 находилась бы между кривыми 3 и 5.



Рис. Экспериментальная зависимость продольной равновесной шероховатости поверхности поршней насосов () от содержания воды ()

Из литературных источников известно, что величина исходной шероховатости поверхности трения прямо пропорциональна величине последующего износа [3]. Вид экспериментальной зависимости продольной шероховатости поршней насосов от содержания воды в масле (рис. 4) подтверждает сделанный вывод о показательном характере функции скорости изнашивания, поскольку такой же характер имеет функция шероховатости. Исходная шероховатость поршней насоса была приблизительно в три раза меньше, чем исходная шероховатость поршней насоса . Кроме того, время испытаний насоса в первой серии экспериментов составляло 6-9 часов, тогда как время испытаний насосов во второй серии экспериментов составляло от 30 до 100 часов. В связи с этим значения шероховатости поршней , по-видимому, в большей степени отличаются от истинных значений равновесной шероховатости, чем ее значения, полученные для поршней насосов .

Масла серии ИГП (ТУ 38101413-78), в том числе ИГП-18, по международной классификации принадлежат к классу и содержат антиокислительную, противоизносную, антикоррозионную и противопенную присадки. В работе [37] указывается, что в процессе эксплуатации под влиянием температуры, кислорода, воды и при каталитическом воздействии металла масла окисляются, а окисление сопровождается снижением их смазывающих и защитных свойств. Авторы указывают, что заметное влияние кислотного числа масел на износ гидромоторов и гидронасосов сказывается при его увеличении на 0,5…0,6 мг КОН/г масла, причем износ увеличивается в 2…2,5 раза при значении кислотного числа 0,94…1,2 мг КОН/г. Для выявления степени влияния окислительного износа в проведенных испытаниях были измерены значения кислотного числа масла ИГП-18 при различном содержании воды в масле гидросистемы стенда, которые приводятся в таблице 2.7. Кислотное число определялось дважды: непосредственно после стендовых испытаний и после того, как масло отстоялось в течение 6 месяцев.

Таблица 2.7 Измеренные значения кислотного числа масла ИГП-18 после стендовых испытаний

,%	0	0,01	0,05	0,2	0,3	0,5	1	2	3
мг КОН после испыт.	0,56	0,67	0,67	0,73	0,73	1,96	-	-	2,08
мг КОН после отстаив.	0,62	0,63	0,63	0,63	0,68	0,70	0,74	0,73	-

По результатам проведенных измерений видно, что кислотное число масла с увеличения содержания в нем воды после 6-месячного его отстаивания изменяется незначительно: с изменением содержания воды от 0 до 2 % увеличение кислотного числа составило 0,11, а само значение его соответствуют техническим условиям эксплуатации масел данного класса. Итак, повышение кислотности масла ИГП-18, обусловленное попаданием в него значительного количества воды (до 2 %), не может повысить износ в 30 и более раз, как это было в эксперименте. Следовательно, доля окислительного изнашивания в данных условиях, по-видимому, невелика. Отметим, что характер графической зависимости кислотного числа масла от содержания в нем воды также имеет вид степенной функции (см. рис. 5).

Рис. 5. Влияние воды, содержавшейся в масле ИГП-18, на его кислотное число

Таким образом, результаты экспериментов указывают на преобладающее значение гидроэрозионного вида изнашивания при сравнительно небольшом давлении в напорной линии насосов - от 3 до 6 МПа.

Иллюстрацией к последствиям испытаний насосов в условиях обводненной смазки могут служить фотографии поверхности поршней, полученные с помощью микроскопа «Люмам». На рис. 6 представлена поверхность цилиндрической части поршня насоса до проведения испытаний. На ней видны следы инструментальной обработки. На рис. 7 показана та же поверхность после испытаний в масле, загрязненном водой. Темные пятна представляют собой каверны, образовавшиеся в результате гидроэрозионного износа. На месте каверн через полгода после испытаний возникли очаги коррозии. Фрагменты профиля рабочей поверхности поршня со следами пластических деформаций представлены на рис. 8.

Рис. 6 Фрагмент поверхности поршня насоса перед проведением испытаний



Рис. 7 Фрагмент поверхности поршня насоса после проведения испытаний в обводненном масле

Рис. 8. Фрагменты поверхности поршня насоса после испытаний с маслом, загрязненным водой и воздухом

Согласно предложенной модели гидроэрозионного изнашивания гидромашин в присутствии воды и воздуха, скорость изнашивания должна быть прямо пропорциональна количеству воды и воздуха в масле и площади контакта металла и рабочей жидкости, и обратно пропорциональна давлению на выходе насоса и прочности металла. Расчеты по уравнениям (3.5.64) и (3.5.78) показали удовлетворительную согласованность модели с экспериментальными данными. Из результатов расчета следует, что влажность воздуха почти не сказывается на величине гидроэрозионного износа, который при этом на 2-5 порядков меньше, чем в случае непосредственного попадания воды в масло в минимальном количестве (например, при = 0,01%). По расчетным данным построены графические зависимости скорости изнашивания поршней насосов и от содержания воды и воздуха в масле при различном давлении в гидросистеме стенда (рис. 9 - 14). На графики нанесены экспериментальные точки. Анализ графиков показал, что содержание воздуха в сравнительно небольших пределах (от 5 до 9%) увеличивает износ в среднем на 20%, а содержание воды от 0 до 0,4% увеличивает износ в 30 - 60 раз. При изменении от 0,4 до 5% износ увеличивается в полтора с лишним раза.

Для оценки качества экспериментальных зависимостей был применен критерий Фишера, равный

, (2.9)

где дисперсия адекватности; дисперсия воспроизведения.

В свою очередь

, (2.10)

где дисперсия аппроксимации, которая определялась как



, (2.11)

где - количество полученных в эксперименте значений функции; значение функции, вычисленное по принятой модели; экспериментальное значение функции.

Дисперсия воспроизведения вычислялась как

, (2.12)

где средняя квадратичная погрешность измерений.

Согласно данным, полученным по уравнениям (2.9 - 2.12), был сделан вывод, что для всех экспериментальных зависимостей принятые модели адекватны реальным процессам. Итак, предложенная модель гидроэрозионного изнашивания позволяет объяснить следующие явления:

а) усталость материалов пар трения гидроаппаратов при загрязнении рабочей среды водой и воздухом;

б) наличие питтинга на наружной и внутренней поверхностях поршней, работающих в обводненном масле;

в) уменьшение износа поршней насосов при увеличении давления в гидросистеме до 6-7 МПа. Следует отметить, что предложенная модель может применяться для расчета гидроэрозионного изнашивания любых объемных гидромашин. Вопросы расчета гидроэрозионного износа при кавитации в лопастных гидромашинах по предложенной модели требуют дополнительных исследований.



Литература

1. Актуальные направления развития исследований в области трения и изнашивания / В.А. Белый, А.И. Свириденок // Трение и износ. -Т.8.- №1.- 1987.

2. Н.А. Буше. Трение, износ и усталость в машинах.- М.: Транспорт, 1987.

3. Основы расчетов на трение и износ / И.В. Крагельский, М.Н. Добычин, В.С. Комбалов. М.: Машиностроение,1977.

Rostoker and Nicols. Environment - Sensitiv Mechanical Behavior, n.y-London-Paris, Garden and Breach Sci.Publ., 1966.

5. Хрупкое разрушение стали в присутствии органических жидкостей / Х. Никольс, У. Ростокер. // Сб. Чувствительность механических свойств к действию среды: М.; Мир, 1969.

6. В.Д. Робертсон, А.С. Тетельман. - в кн.: Механизмы упрочнения твердых тел. М., «Металлургия», 1965.

7. У.И.Икрамов, К.Х.Махмаков. Расчет и прогнозирование абразивного износа. Ташкент: «Фан», 1982.

8. Г.В. Карпенко. Влияние среды на прочность и долговечность металлов. Киев, 1976.

9. М.И. Чаевский, В.Ф. Шатинский. Повышение работоспособности сталей в агрессивных средах при циклическом нагружении. «Наукова Думка», 1970.

10. В.Я. Скрицкий, В.А. Рокшевский. Эксплуатация промышленных гидроприводов. М: Машиностроение, 198

11. В.И. Лобойко, Г.В. Карпенко, И.И. Василенко. «Физико-химическая механика материалов», 1976, т.12.

12. В.В. Романов. Влияние коррозионной среды на циклическую прочность металлов. М., «Наука», 1969.

13. Гидравлика, гидромашины и гидроприводы: учебник для студ. вузов /Башта Т.М. -2-ое изд, перераб. И доп.- М.: Машиностроение, 1982.

14. С.П.Козырев. Гидроабразивный износ металлов при кавитации. М: Машиностроение, 1971.

15. О.П.Бударова, Е.П.Мосина. Расчет гидроэрозинного износа пары трения «поршень-втулка» при содержании воды и воздуха в рабочей жидкости. Тез. докл. науч. конф. «КамПИ-КамАз». Набережные Челны,1990.

16. И.И.Мосин, О.П.Бударова. Разработка расчетного метода определения износа пар трения при содержании воды в смазке. Тез. докл. науч. конф. «КамПИ-КамАз». 1988.

17. И.И.Мосин, О.П.Бударова. Эксплуатация и надежность высоконагруженных объемных гидромашин. Учебное пособие. Набережные Челны, 1995.

18. Бударова О.П., Бударова Н.А. Исследование кавитационного износа объемных гидромашин при комплексном загрязнении рабочей жидкости. Сборник докладов международной научно-техн конференции «Современное состояние и перспективы развития гидромашиностроения в ХХ1 веке». Санкт-Петербург, СПГТУ, 2003.

19. В.А. Рокшевский, В.В. Татьков, Г.В. Ливада, В.М. Рябошапка. Снижение содержания воздуха и воды в рабочих жидкостях гравлических систм. Обзор. М., НИИМаш, 1981.

20. Ponice A.L., Schmitt R.H. Modern Hidraulic Fluids Balance Performance Testing, HPMP, 1977, Aug.

21. Kavitationserhalten von verschicdenen Druckfrussigbeiten. Industrie-Anzeiger, 1972, V.29, N71.

22. Свешников В.К. Станочные гидроприводы. Справочник. 4-е изд.,перераб. и доп. М.: Машиностроение, 2004, 448с.

23. В.И.Костецкий, И.Г.Носовский, Л.И.Бершадский. Надежность и долговечность машин. Киев; «Техника», 1975.

24. Л.А.Кондаков. Рабочие жидкости и уплотнения гидравлических систем. М: Машиностроение, 1982.

25. А.С.Проников. Надежность машин. М: Машиностроение, 1978.

26. Барышев В.И. Надежность и диагностика гидропривода. Учебное пособие. Челябинск, Издательство ЮУрГУ, 2003, 154с.

27. В.Т. Степуренко, Г.Т. Проскуряков, М.Г. Сахаров, В.Н. Олейник. К вопросу о влиянии воды в минеральных смазочных маслах на выносливость стали. Защита металлов. Том 11, №2, 1975.

28. В.Т. Степуренко, М.Г. Сахаров, Ю.В. Степуренко, Г.Т. Проскуряков. К вопросу о влиянии среды на выносливость стали. Защита металлов. Том 6, 1978.

29. В.Т. Степуренко, Г.Т. Проскуряков, М.Г. Сахаров, В.Н. Олейник. О коррозионном влиянии смазочных масел на выносливость стали. Сб. Избирательный перенос при трении. М., Наука, 1975.

30. В.М. Коновалов, С.А. Россомахин, В.А. Никулин, С.С. Пецура. О характере распределения контактных нагрузок при кавитационном износе материала. Трение и износ. Том 8, №1, 1987.

31. В.Г. Неволин. К кинетике кавитационной эрозии. Трение и износ. Том 8, №1, 1987.

32. А.И. Некоз. Анализ кавитационно-эрозионного изнашивания как процесса коррозионно-механического разрушения. Трение и износ. №4, 198

33. В.Н. Лозовский. Надежность гидравлических агрегатов. М., Машиностроение, 197

3 Машиностроительный гидропривод/ Л.А. Кондаков, Г.А. Никитин, В.Н. Прокофьев, В.Я. Скрицкий, В.Л. Сосонкин. Под ред. В.Н. Прокофьева. М., Машиностроение, 1978.

35. Дж. С. Спринжер. Эрозия под воздействием капель жидкости. М., Машиностроение, 1981.

36. Коррозия. Справочник./Под ред. Л.Л. Шрайера. М., «Металлургия», 1981.

37. Б.Х. Мичник, Б.Н. Кононюк, Е.С. Венцель, Г.Ф. Ливада, М.В. Можаров, А.Т. Мацак, В.И. Перфильев. Исследование смазывающих свойств гидравлических масел серии ИГП с различной степенью окисленности. Трение и износ. Том 7, №6, 1986.

38. А.П. Крешков. Основы аналитической химии. Книга вторая. М., «Химия», 1970.

39. Официальный бюллетень Госкомизобретений «Открытия, изобретения, промышленные образцы, товарные знаки». А.с. №1047950.

40. Т.А. Сырицын. Эксплуатация и надежность гидро- и пневмоприводов: Учебник. - М., Машиностроение, 1990.

41. Каверзин С.В. Курсовое и дипломное проектирование по гидроприводу самоходных машин. Красноярск: Производствнно-издательский комбинат «ОФСЕТ», 1997, 382 с.

42. Дудкин В.Т., Мосин И.И. Вспомогательные элементы объемных гидравлических и пневматических приводов. Учебное пособие. Набережные Челны, КамПИ, 1996, 140с.

43. Бударова О.П., Нафиков Р.Д. Экспериментальное определение оптимального варианта установки фильтров в гидравлических системах. Сб. докл. Всероссийской науч. - техн. конф. «Динамика машин и рабочих процессов», Челябинск, изд. Центр ЮУрГУ, 2009.

4 Голубев В.И. Монтаж, испытания и эксплуатация гидроприводов. Учебное пособие. М., Изд. МЭИ, 2000

Размещено на Allbest.ru