Закономерности изнашивания смазываемых деталей при эксплуатации в режиме "пуск-стоп"

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство образования республики Беларусь

Учреждение образования

Белорусский государственный университет транспорта

Кафедра «Материаловедение и технология материалов»

ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА

к дипломному проекту

Закономерности изнашивания смазываемых деталей при эксплуатации в режиме «пуск-стоп»

Разработала Лашенко С.В.

студентка группы Мо-51

Научный руководитель

д.т.н. Богданович П.Н.

Введение

В современном машиностроении основная часть деталей узлов трения выходит из строя вследствие износа. Износ - это изменение размеров и формы твёрдого тела в результате изнашивания. Изнашивание - это процесс отделения материала с поверхности твёрдого тела при трении и (или) увеличение остаточной деформации, сопровождающийся постепенным изменением размеров этого тела.

Одним из важных эксплуатационных факторов, влияющих на износостойкость и долговечность узлов трения является эксплуатация их в режиме «пуск-стоп». При переменном режиме движения наблюдается наибольшее изнашивание деталей трибосопряжений по сравнению с их непрерывным движением.

Пусковой период связан с повышенной интенсивностью износа, зависящей от длительности бездействия узла перед пуском, от температуры деталей и свойств смазки. Пусковой период сопровождается изменениями величин и форм зазоров, а в некоторых узлах - резкими изменениями. В отдельных сечениях зазоры могут достигать даже нулевых значений.

Данный режим движения характерен для узлов трения автомобилей эксплуатирующихся в пределах города.

Пусковые износы деталей двигателя являются актуальной проблемой эксплуатации транспортных машин. Одним из основных факторов, определяющих величину пусковых износов, является время задержки поступления масла к рабочим поверхностям. В начальный период работы двигателя масло не поступает к деталям. В этом случае интенсивность изнашивания поверхностей определяется адгезионными качествами масла, т. е. его способностью образовывать граничные плёнки, состоящие из полярно-активных молекул смазочного материала. Процесс взаимодействия поверхностей при граничной смазке характеризуется наличием площадок местного контактирования. В пределах таких площадок развиваются большие контактные напряжения. В результате происходит образование адгезионных связей и последующее их разрушение.

С процессами трения в режиме «пуск - стоп» во многом схожи процессы, происходящие при реверсивном трении. При подготовке данного дипломного проекта основной акцент будет сделан на особенности реверсивного трения.

Снижение интенсивности изнашивания при таком режиме является актуальной и важной задачей современного машиностроения.

Цель исследования - выявить закономерности влияния режимов нагружения на толщину смазочного слоя и изнашивание деталей трибосопряжений, эксплуатирующихся в непрерывном режиме и в режиме «пуск - стоп».



1. Изнашивание смазываемых деталей, эксплуатирующихся в режиме «пуск-стоп» и при реверсивном движении

1.1 Особенности изнашивания деталей, работающих в режиме «пуск-стоп»

Основной причиной ухудшения технического состояния любого автомобиля является износ его деталей, механизмов и узлов. К факторам, оказывающим наибольшее влияние на интенсивность износа деталей, относится режим движения, нагрузка, дорожные и климатические условия, качество топлива, технического обслуживания и мастерство вождения.

В частности на износ деталей и механизмов машины сильно влияет переменный режим движения, т.е. большое число ускорений, замедлений и остановок. Такие условия эксплуатации характерны для узлов трения автомобилей эксплуатирующихся в городах с интенсивным движением. От частого и резкого изменения числа оборотов коленчатого вала в первую очередь изнашиваются подшипники коленвала - это связано с ухудшением подвода смазки в область трущихся поверхностей [1].

В значительной мере долговечность трибосопряжений определяется частотой и правильностью выполнения запуска машины, поскольку износ деталей в пусковой период является наиболее интенсивным. Так, средний износ цилиндров и поршневых колец дизеля за один пуск эквивалентен 3-5 часам непрерывной его работы в нормальных условиях. Причина повышенного износа деталей в период пуска заключается в следующем: после остановки двигателя масло вытекает из зоны контакта и переход к скольжению в момент пуска осуществляется в режиме граничного трения. Кроме того, снижение температуры смазочного материала в период остановки машины даже до 20°С ухудшает его смазочную способность [2].

Интенсивность изнашивания трущихся поверхностей, при подготовке двигателя к принятию нагрузки, зависит от вязкости масла в момент остановки двигателя, продолжительности перерыва в работе, технического и теплового состояния узлов трения при пуске, режима послепускового прогрева, конструктивных особенностей и характеристик смазочных систем, питания и пуска, качества топлива и моторного масла и многих других конструктивных и эксплуатационных факторов.

Масло в момент остановки двигателя имеет малую вязкость, быстро стекает в главную масляную магистраль и далее в поддон картера. Наиболее интенсивно масло вытекает из узлов трения в течение 5-6 часов после остановки двигателя. Условия работы трущихся пар при пуске двигателя определяются толщиной и прочностью оставшихся масляных пленок. Чем меньше толщина слоя масла, тем вероятнее непосредственный контакт поверхностей трения.

Прочность оставшихся масляных пленок зависит от вязкости масла. В свою очередь вязкость напрямую зависит от температуры. Увеличение вязкости масла с понижением температуры затрудняет его подачу к узлам трения, так как смазка не втягивается валом в зону трения. Уменьшение вязкости масла с увеличением температуры способствует разжижению масла, что приводит к его вытеканию из узла терния. По этим причинам узлы трения некоторое время после начала пуска работают при недостаточном количестве масла.

Благодаря достаточно высокой вязкости при рабочих температурах и ее меньшему изменению с понижением температуры загущенные масла медленнее стекают в поддон картера после остановки двигателя и быстрее поступают к узлам трения при пуске. Образование устойчивого слоя масла на поверхностях трения при использовании загущенных масел способствует уменьшению износа [13].

Скорость подачи масла к узлам трения увеличивается по мере прогрева двигателя после пуска. Интенсивность изнашивания деталей при этом уменьшается. Износ при пуске на этапе подготовки двигателя к принятию нагрузки фактически определяется износом деталей в течение 10 секунд после включения стартера.

Режим пуска на износ влияет следующим образом: с увеличением частоты вращения коленчатого вала при прогреве ускоряется нагрев масла и охлаждающей жидкости. Однако резкое увеличение температуры подшипников и давления в масляной магистрали может быть причиной задиров вкладышей и нарушений в работе смазочной системы.

Ухудшение условий образования топливно-воздушной смеси и большее обогащение смеси при низкотемпературном пуске увеличивает количество в ней топлива в капельножидком состоянии. Жидкое топливо попадает на стенки цилиндра и уменьшает толщину масляной пленки или смывает ее.

Содержание топлива в масле, стекающем со стенок цилиндра, при температурах (-20)-(-10)С может достигать 10-40%. Разжижение масла топливом до определенного предела может способствовать снижению износа. Смесь масла с топливом имеет меньшую вязкость, быстрее поступает к узлам трения и обеспечивает лучший отвод теплоты от трущихся поверхностей.

Изнашивание деталей двигателя зависит от пусковой регулировки топливной аппаратуры и применяемого способа облегчения пуска. Наименьшие износы при пуске карбюраторного двигателя имеют место при оптимальном для пуска обогащении смеси топлива с воздухом. Износы будут меньше при подаче во впускной трубопровод легковоспламеняющейся пусковой жидкости и в случае предпускового подогрева двигателя. Применение пусковой жидкости сокращает продолжительность пуска и послепускового прогрева и уменьшает вероятность смывания масляной пленки со стенок цилиндра несгоревшей частью топлива. Снижение износа гильз цилиндров после предпускового подогрева объясняется уменьшением вязкости масла в картере.

Правильность выбора способа пуска и соответствие топливно-смазочных материалов оценивают по относительной доле износов при пуске в общих эксплуатационных износах двигателя. Относительная доля износов при пуске для различных типов двигателей составляет 2-25 %. Пробег автомобиля, эквивалентный по износу цилиндров одному пуску и прогреву двигателя, составляет летом 3-16 км и зимой 12-100 км. Эквивалентные по износу пробег автомобиля и время работы тракторного дизеля (в моточасах) зависят от конкретных условий пуска, режимов работы двигателя под нагрузкой и их сопоставимости, поэтому являются величинами условными.

Меньшая относительная доля износов при пуске в суммарных эксплуатационных износах деталей двигателей связана с применением топлив и моторных масел лучшего качества и показывает целесообразность снижения минимальной температуры надежного пуска двигателей без их предварительного подогрева при использовании загущенных масел и эффективных средств облегчения воспламенения топлива. Снижение времени пуска в этих случаях позволяет повысить коэффициент использования автотракторного парка в зимнее время.

1.2 Виды и закономерности изнашивания деталей в режиме «пуск-стоп» и при реверсивном движении

К деталям, работающим в режиме «пуск-стоп» относятся детали двигателей внутреннего сгорания. Это детали цилиндропоршневой группы, коленчатые валы, подшипники коленчатых валов, шейки, вкладыши и т.д.

Коленчатый вал испытывает большие нагрузки и подвергается скручиванию, изгибу и механическому изнашиванию. Крутящий момент, развиваемый на коленчатом валу, передается на трансмиссию автомобиля, а также используется для привода в действие различных механизмов двигателя. Силы, действующие на коленчатый вал, складываются из сил давления газов и инерционных сил движущихся масс. Особенно большие силы возникают в момент выключения сцепления. Основными неисправностями валов являются износ опорных шеек из-за повреждения вкладышей или деформация - искривление вала из-за перегрева. В результате этого увеличиваются зазоры в подшипниках, в то время как условия смазки ухудшаются. Все эти нагрузки и силы, действующие, на коленчатый вал приводят к проявлению дефектов и возникновению изнашивания.

Процесс изнашивания деталей сопровождается сложными физико-химическими явлениями и многообразием влияющих на него факторов. В зависимости от материала и качества поверхности сопряженных деталей, характера контакта, нагрузки, скорости относительно перемещения процесс изнашивания протекает различно.

ГОСТом 16429-70 установлены три группы изнашивания в машинах: механическое, малекулярно-механическое и коррозионно-механическое. Ведущим процессом разрушения является механическое изнашивание, в которое входит абразивный и усталостный износ. Сопутствующим видом изнашивания является молекулярно-механическое.

Из приведенных видов изнашивания коленчатым валам характерно абразивное изнашивание, усталостное, схватывание.

Абразивное изнашивание образуется в результате режущего или царапающего действия твердых тел и частиц. При этом абразивными частицами являются не только частицы попадающие в узлы трения снаружи, но и частицы продуктов износа деталей и нагара, образующиеся внутри агрегатов автомобиля. Причем, когда твердые частицы взвешены в жидкости (масле), такое изнашивание называется гидроабразивным. Абразивному изнашиванию на коленчатых валах, прежде всего, подвергаются шатунные и коренные шейки и вкладыши подшипников скольжения.

Усталостный износ - особый тип разрушения поверхности вызванный повторно действующими циклами напряжения, амплитудное значение которого не превышает предела упругости материала. При усталостном изнашивании трущихся деталей возникает микропластические деформации сжатия и упрочнения поверхностных слоев металла. В результате упрочнения возникают остаточные напряжения сжатия. Повторно-переменные нагрузки превышающие предел текучести металла при трении качения, вызывают явления усталости, разрушающие поверхностные слои. Разрушение поверхностных слоев происходит в следствии возникших микро- и макроскопических трещин, которые по мере работы развиваются в одиночные и групповые углубления и впадины. Глубина трещин и впадин зависит от механических свойств металла деталей, величины удельных давлений при контакте и размера контактных поверхностей.

Молекулярно-механическое изнашивание вызывается молекулярным взаимодействием между тесно сближенными поверхностями металлов, которое приводит к прочному «схватыванию» их в местах контакта, глубинного вырывания материала, переноса его с одной поверхности трения на другую. Этот процесс резко возрастает при значительных нагрузках и отсутствии масляной плёнки между трущимися поверхностями [2].

Виды и закономерности изнашивания вкладышей. Если вкладыш проработал значительное время, то на нем могут быть обнаружены признаки различных дефектов, в период приработки нового вкладыша можно обнаружить конкретный дефект в чистом виде [3].

Наиболее распространенными дефектами вкладышей и шеек коленчатого вала являются:

· некруглость (овальность) и нецилиндричность (конусообразность, бочкообразность или седлообразность);

· изменение размеров;

· образование рисок и царапин на поверхности;

· образование задиров и трещин.

Образование некруглости и нецилиндричности, а так же рисок и царапин на шейках имеют 100% коленчатых валов. Задиры шеек имеют до 33% валов, расплавление вкладышей и наволакивание металла на шейки -- менее 5% валов, пятна коррозии на шейках -- до 10% валов.

Если некруглость и нецилиндричность шеек свыше допустимых пределов, то работа вала может привести к образованию трещин, выкрашиванию антифрикционного сплава, а также к повышенной утечке масла из подшипников и преждевременному износу вкладышей. Увеличение диаметрального зазора между шейками коленчатого вала приводит к уменьшению давления масла, возрастанию динамических нагрузок и скоростей изнашивания шеек и вкладышей, а также к авариям вследствие перехода трибоузла от трения при гидродинамической смазке к трению при граничной смазке, что приводит к повышению температуры в зоне трения и коэффициента трения, а иногда к задиру или расплавлению антифрикционного слоя вкладыша. Неравномерный износ шеек по окружности происходит вследствие ряда причин: неудовлетворительного качества смазки; плохого качества очистки масла; неравномерно действующих усилий на шейку и т. д.

Задиры и риски на шейках вала появляются при подплавлении подшипников. Также задиры шеек часто возникают из-за попадания продуктов износа и абразива в зону трения, увеличения коэффициента трения вследствие нарушения режима трения и перехода от трения при гидродинамической смазке к трению при граничной смазке и соответственно к уменьшению минимальной толщины масляной пленки. Для уменьшения вероятности образования задиров, рисок и царапин на шейках и снижения скорости изнашивания необходимо обеспечить непрерывную подачу и сплошность смазочного материала в узле трения, а также увеличить твердость и износостойкость поверхностного слоя шеек валов [14].

Наиболее характерные признаки износа рабочего слоя вкладышей подшипников представлены в таблице 1.

Основной физической первопричиной износа является нарушение сплошности масляной пленки и работа подшипника в режиме граничного трения. Граничное трение возникает при повышенных нагрузках на подшипник, недостатке масла или его высокой температуре, повышенной шероховатости шейки. Граничное трение неизбежно при пуске двигателя и во время его остановки [4].

Таблица 1

Наиболее характерные признаки износа рабочего слоя вкладышей подшипников

	Износ рабочего слоя по всей ширине подшипника в зоне максимальной нагрузки. Возможными причинами могут быть: несоосность подшипника и шейки вала, недостаток масла или его высокая температура, шероховатость шеек вала.
	Местный износ в виде резко очерченного блестящего пятна через непродолжительное время работы. Причина -- наличие инородной частицы между постелью и вкладышем
	Следы приработки по краям смазочной канавки в случае неточности изготовления вкладыша. Необходимо устранить натир по краям канавки во избежание нарушения подвода масла.
	Риски и царапины, вызванные частицами загрязнений в масле
	Наволакивание металла рабочего слоя по направлению вращения шейки. Причина -- работа в режиме граничного трения из-за недостаточного прокачивания двигателя маслом перед пуском.

Причиной граничного трения является недосточное количество смазочного материала между трущимися деталями. Это одна из самых распространенных причин разрушения сопряженных пар трения. Начинается оно с разрушения масляной пленки. Это происходит по нескольким причинам:

· Нарушение подачи масла. Если масло вытекло из пробитого поддона, срезаны шлицы привода маслонасоса или забит маслоприемник, то в результате происходит разрушение масляной пленки, контактирование поверхностей, рост температуры и плавление материала. К аналогичному результату приводит также недостаточный зазор в подшипнике, несоосность и неправильная форма постели - все это вызывает резкий рост нагрузок и выдавливание масла из зазора между вкладышем и шейкой вала.

· Разжижение масла топливом или охлаждающей жидкостью. Разжижение масла топливом приводит к уменьшению вязкости масла. Это недопустимо, так как во время остановки двигателя масло будет быстро стекать из узла трения, и во время следующего пуска, в начальный момент, двигатель будет работать без смазки, в режиме граничного трения, что приведет к его быстрому изнашиванию.

С процессами трения в режиме «пуск - стоп» во многом схожи процессы, происходящие при реверсивном трении. Разница заключается только во времени уменьшения толщины масляной плёнки в зоне контакта. Хотя при малой вязкости масла эти процессы растянуты во времени одинаково.

Наиболее полно описанием реверсивного терния и процессами, происходящими при нем занимался Евдокимов В.Д. Он показал, что при реверсивном трении возникают упругие деформации вне зоны контакта. Также в своих экспериментах он показал отличительные особенности реверсивного трения от одностороннего.

Поверхности трущихся пар претерпевают определенные изменения, в основе которых лежат упруго - пластические и пластические деформации. Так как изменение деформаций многих материалов обычно начинается с упругих, то перемена направления знака деформирования должна отразиться в первую очередь на упругих перемещениях, а с дальнейшим их ростом -- и на пластических. Поэтому эффект от знакопеременного нагружения при трении легче заменить на упругих деформациях поверхностных слоев.

Критерии износостойкости, усталостная природа износа, сдвиговые деформации и их роль в обобщенном законе трения, предварительные смещения и усталостная прочность антифрикционных покрытий тесно связаны с упругими деформациями поверхности при трении. В связи с этим возникла необходимость изучения упругих деформаций не только при постоянном направлении силы трения, но и в условиях знакопеременного трения.

Экспериментально установлено, что упругие деформации поверхностных слоев вне зоны контакта при определенных условиях более длительного трения полностью не исчезают, а сохраняются, накапливаются и благодаря пластическим деформациям в зоне контакта и вблизи нее становятся остаточными. Величина деформаций зависит от направления скольжения. Это позволяет предположить, что реверсивность трения отражается на остаточных внутренних напряжениях поверхностных и глубинных слоев обоих контртел.

При изучении эксплуатационных и физико-механических свойств деталей машин, в частности износостойкости подшипниковых материалов, большой интерес представляют остаточные внутренние напряжения первого рода. Их величина и знак оказывают различное влияние на износостойкость материалов, для увеличения которой предпочтительнее создавать в поверхностных слоях напряжения сжатия. Установлено, что при трении в поверхностных и глубинных слоях металла возникают внутренние напряжения, зависящие от режимов трения [5].

1.3 Влияние свойств масел на изнашивание деталей ДВС в режиме «пуск-стоп» и при реверсивном движении

Моторное масло - это важный элемент конструкции двигателя оно смазывает, защищает от износа и охлаждает.

На рисунке 1 изображена зависимость износа узла трения от пробега автомобиля на одном масле.

Самым продолжительным и стабильным является период II (устойчивая работа), износ практически не наблюдается. Именно поэтому очень важно знать ресурс масла, время его замены. Если промедлить или поторопиться с заменой масла, то процесс изнашивания двигателя увеличивается. Использование качественного масла, правильность его подбора, наряду с правильной эксплуатацией, и своевременной заменой поможет существенно продлить ресурс автомобиля [6].

Рисунок 1 - Зависимость износа в узле трения от пробега автомобиля до замены масла: I - приработка (обкатка); II - устойчивая работа; III - аварийный износ

Известно, что трение, коррозия и общий износ наносят огромный ущерб деталям ДВС. Опыт эксплуатации ДВС показывает, что если не применять специальные защитные смазочные материалы, то детали, находящиеся в паре трения быстро изнашиваются.

Наибольшие потери на трение приходятся на цилиндропоршневую группу ДВС во время запуска и остановок, особенно при эксплуатации автомобилей в условиях низких температур.

При наличии загрязнений в моторных маслах происходит повышенный износ сопряженных деталей поршневого двигателя, увеличивается нагароотложение. Загрязнения засоряют каналы для подвода масла к местам смазки, забивают маслоочистительные устройства системы смазки, нарушают температурный режим работы двигателя. В поршневых двигателях наиболее распространенным видом износа деталей является абразивный; ему подвергаются подшипники и шейки коленчатого вала, поршни, цилиндры [15].

Абразивный износ деталей происходит вследствие попадания твердых частиц в слой жидкой смазки, разделяющей поверхности трения, при контакте этих частиц с трущимися поверхностями. Величина абразивного износа зависит от размеров этих частиц, их соизмеримости с зазорами между поверхностями трения, а также от формы, твердости и механической прочности частиц. Воздействие, оказываемое содержащимися в масле неорганическими загрязнениями на суммарный износ деталей поршневого двигателя, значительно превышает влияние загрязнений, попадающих в двигатель другими путями [16].

Наиболее сильный износ провоцируют отдельные частицы размером от 8 до 60 мкм, а самыми разрушительные из них являются частицы размером 18-30 мкм. Зависимость изнашивания от диаметра частиц показана на рисунке 2.

Несвоевременная замена масла так же приводит к работе пар трения в не благоприятных условиях. Это связано с ухудшением свойств моторного масла, а именно меняется его вязкость, повышается склонность к образованию отложений на деталях и в каналах системы смазки.

Рисунок 2 - Диаграмма износа от размера абразивных частиц

Использование некачественного масла вызывает ускоренный износ и быстрый выход двигателя из строя. Масло, не обладающее всем комплексом свойств, необходимым для нормальной смазки пар трения, не предотвращает образование задиров и разрушение рабочих поверхностей вкладышей коленчатого вала. Повышенная склонность некачественных масел к образованию смолистых отложений может привести к засорению и полному закупориванию масляных каналов и оставить пары трения без смазки, что вызовет их ускоренный износ, образование задиров и заклинивание.

Режимы и условия эксплуатации автомобиля также влияют на скорость износа двигателя. Превышение допустимого числа оборотов приводит к разрушению деталей. Около 70% износа двигателя приходится на режим пуска. Особенно способствует снижению ресурса холодный пуск, если в двигатель залито масло с несоответствующей вязкостно-температурной характеристикой. При температуре 30°С он эквивалентен (по износу) пробегу в несколько сотен километров. Связано это, прежде всего, с высокой вязкостью масла при низкой температуре -- для его поступления к парам трения требуется больше времени. Короткие поездки на непрогретом двигателе зимой способствуют появлению отложений в системе смазки и коррозионному износу поршней, их колец и цилиндров.

Вязкость масла влияет на толщину масляной пленки, которая образуется между трущимися поверхностями. Чем выше вязкость масла, тем больше толщина масляной пленки, чем ниже вязкость, тем меньше толщина масляной пленки. Важно понимать основные требования к вязкости масел:

1. Вязкость масла не должна быть слишком низкой, потому что это может привести к повреждению двигателя из-за возникновения трения «металл-металл».

2. Вязкость масла не должна быть очень большой потому, что деталям будет «трудно двигаться» относительно друг друга и его будет тяжело прокачать по масляным каналам, что приведет к отсутствию смазки в узлах трения и возникновению «сухого трения», а также повышенному расходу топлива [7].

Важным фактором при изнашивании в режиме «пуск-стоп» является температура, так как от температуры зависит, какой будет вязкость масла. В свою очередь от вязкости зависит, будет ли смазка попадать в узел трения при пуске и будет ли оставаться масляная пленка на узлах трения во время остановки. Зависимость вязкости от температуры представлена на рисунке 3.



Рисунок 3 - Зависимость вязкости моторного масла от температуры

При низких температурах вязкость достаточно высока, а с ростом температуры вязкость моторного масла падает, т.е. масло становится более жидким.

Скорость падения кинематической вязкости с ростом температуры характеризуется индексом вязкости масла. Индекс вязкости показывает «степень разжижения» масла. Чем ниже индекс вязкости масла, тем сильнее масло разжижается, т.е. толщина масляной пленки становится очень маленькой (а за этим следует повышенный износ). Чем выше индекс вязкости масла, тем меньше масло разжижается, т.е. обеспечивается необходимая для защиты трущихся поверхностей толщина масляной пленки, а, следовательно, уменьшается износ. Зависимость износа узлов трения от вязкости масла представлена на рисунке 4.

Рисунок 4 - Зависимость износа узлов трения от вязкости масла

На практике, в случае реальных моторных масел, низкий индекс вязкости означает плохой запуск двигателя при низких температурах или плохая его защита от износа при высоких температурах. Чем выше индекс вязкости моторного масла, тем в более широком температурном диапазоне масло обеспечивает работоспособность двигателя - обеспечивается более легкий пуск двигателя при низких температурах и достаточная толщина масляной пленки (и, соответственно, защита двигателя от износа) при высоких температурах [2].

Влияние вязкости на пуск двигателя: c уменьшением вязкости масла облегчается пуск двигателя и ускоряется подача масла на стенки цилиндра в момент пуска. Однако необходимо учитывать, что удельная нагрузка, которую может выдержать смазываемый подшипник, возрастает с увеличением числа оборотов вала и повышением вязкости масла. С повышением вязкости масла возрастает толщина масляной пленки, разделяющей трущиеся поверхности, что косвенно приводит к некоторому повышению степени сжатия топливно-воздушной смеси в цилиндре (компрессии) из-за снижения потерь на прорыв газов в полость картера через изношенные кольца поршня, что, в конечном счёте, приводит к улучшению условий сгорания топлива в процессе рабочего цикла. Однако вязкие масла низкого качества (имеющие низкий индекс вязкости) при низких температурах создают проблемы при запуске двигателя, а также создают предпосылки для трения без масла при пуске. В связи с этим выбор вязкости масла - это комплексная задача, решение которой должно одновременно удовлетворить всем вышеназванным требованиям.

Для решения проблемы в масла добавляют вязкостные присадки.

Вязкостными называют присадки, улучшающие вязкостно-температурные характеристики масел, т.е. присадки, уменьшающие изменения вязкости при повышении температуры [6]. Масла, содержащие эти присадки, сочетают в себе хорошие пусковые и антифрикционные свойства, характерные для маловязких масел при низких температурах, и хорошие смазывающие свойства высоковязких масел при высоких температурах. При низких температурах вязкость масла, содержащего вязкостную присадку, ниже вязкости базового масла. Так как вязкостные присадки также увеличивают низкотемпературную вязкость, требуются сравнительно маловязкие масла для получения масел с заданными вязкостными характеристиками с помощью вязкостных присадок.

От свойств применяемой смазки зависят упругие деформации вне зоны контакта: с увеличением вязкости масла уменьшается абсолютная величина деформации при заданной силе трения. Наличие поверхностно - активных веществ в смазке также сказывается на упругих деформациях. Так, например, касторовое масло, обладающее малой вязкостью, но высокой поверхностной активностью, заметно уменьшает деформации [17].

На характер упрочнения поверхностных и глубинных слоев металлических образцов в сравнимых условиях реверсивного и одностороннего трения оказывают влияние смазки и поверхностно - активные присадки. Установлено, что при трении в инактивном вазелиновом масле, а также в индустриальных маслах кривые наклепа при реверсивном трении лежат ниже кривых наклепа при одностороннем трении. Применение поверхностно - активных присадок в виде органических спиртов в общем сохраняет данную закономерность, но изменяет микротвердость. Наиболее контрастное изменение микротвердости наблюдается при использовании в качестве поверхностно - активной присадки 2% олеиновой кислоты. Знакопеременное протекание сдвиговых деформаций облегчает проявление адсорбционного эффекта по сравнению с односторонним трением, в результате чего адсорбционное понижение прочности сменяется адсорбционным упрочнением. Действие поверхностно - активных веществ смазки проявляется не только в условиях установившейся динамики трения, но и в начальный момент, когда трение носит статический характер. Также установлено, что поверхностно-активные присадки к смазке, особенно олеиновая кислота в концентрации 0.5-2,0% сглаживают пики статической силы трения и уменьшают упругие деформации вне зоны контакта.

В таблице 2 приведены экспериментальные данные по упругим деформациям и силе трения для образца из стали 45 при одностороннем и реверсивном вращении стального кольца с нагрузкой в 3 MПа. Из таблицы видно, что при реверсивном трении обезжиренных образцов и образцов, покрытых слоем смазки без поверхностно - активной присадки, сила трения и деформации поверхностных слоев вне зоны контакта больше, чем при идентичных условиях одностороннего трения.

Такая особенность реверсивного трения, вероятно, сказывается не только на упругих деформациях и силе трения, но и на разнообразных свойствах поверхностных и глубинных слоев. Воздействие смазки с поверхности активными присадками при реверсивном трении может быть использовано в механизмах, где необходимы плавные и точные микроперемещения в условиях реверсивного скольжения, например в прецизионных станках.

Таблица 2

Влияние реверсивности трения на упругие деформации и силу трения (образцы обезжирены)

Смазка	Одностороннее трение	Реверсивное трение
	Д, мкм	F, Н	Д, мкм	F, Н
Масло индустриальное 12	0.21	61	0.35	110
Тоже, без присадки	0,17	53	0,24	76
Тоже, с 0.5% олеиновой кислоты	0.13	42	0.17	65
Тоже, с 2% олеиновой кислоты	0.08	25	0.07	24

Отмеченная общая тенденция к уменьшению силы трения и упругих деформаций вне зоны контакта под воздействием смазки с поверхностно-активными присадками независимо от направления трения объясняется адсорбционными процессами, в первую очередь пластифицированием металла в зоне контакта с переносом пластических деформаций в тонкий поверхностный слой.

В зоне растяжения поверхностно-активная присадка не только сокращает протяженность повышенного наклепа, но и в некоторой степени снижает микротвердость ниже исходной. Очевидно, в этом случае зона растяжения при трении с раскрытыми микропорами и трещинами более благоприятна для проявления адсорбционного эффекта, нежели зона сжатия с закрытыми дефектами.

Установлено, что реверсивное трение со смазкой не дает такого четкого глубинного упрочнения, как без смазки, а глубина упрочнения при реверсивном и одностороннем трении оказывается практически одинаковой и даже с некоторой тенденцией к увеличению при одностороннем трении. Очевидно, при трении со смазкой из-за меньших значений силы трения и локализации деформаций в более тонком поверхностном слое максимальная глубина пластической деформации определяется нормальным давлением с первых моментов трения. Исходя же из наличия на эпюрах внутренних напряжений при реверсивном трении со смазкой площадок практически равных напряжений, можно полагать, что в глубинных слоях металла, несмотря на плавное снижение микротвердости, все же существует некоторый объем с определенным нарушением такой плавности изменения свойств. Вероятно, метод измерения внутренних напряжений является более чувствительным к остаточным изменениям в объеме металла, чем метод микротвердости. Для изучения влияния реверсивности трения на упрочнение поверхностных слоев были применены и другие пары трения, и экспериментальные установки. Среди них определенный интерес представляет трение тонких пластинок, при котором на первый план выделяются упруго-пластические деформации от трения, не завуалированные объемными свойствами металла.

Наличие упругих деформаций вне зоны контакта, а также преобладание пластических деформаций в зоне контакта ограничивает переходный участок вблизи контакта с упруго-пластическими деформациями и постепенным их переходом в упругие. Зависимость упругих деформаций поверхностей от направления трения является результатом определенного различия в характере пластических деформаций. Так как одним из показателей пластических деформаций является величина микротвердости, то реверсивность трения должна влиять на ее изменение [5].

Рассмотренные зависимости позволяют сделать вывод о том, что основными факторами, определяющими возможность надёжной работы деталей трибосопряжений при пуске, являются:

1) Свойства моторного масла и в первую очередь его способность образовывать прочные адсорбционные и химически модифицированные смазочные слои, обеспечивающие снижение коэффициента трения и доли металлического контакта в широком диапазоне температур.

2) Время поступления масла к рабочим поверхностям при пуске, определяемое конструктивными особенностями смазочной системы и вязкостно-температурными свойствами масла.

3) Режим работы двигателя и его сопряжений при пуске - прогреве, основными параметрами которого являются нагрузка и частота вращения коленчатого вала.

1.4 Повышение долговечности пар трения, работающих при реверсивном движении

Детали, работающие в режиме «пуск - стоп», работают в тяжелых условиях, поэтому для их бесперебойной работы необходимо обеспечить непрерывную подачу смазочного материала и сплошность смазочного слоя, разделяющего трущиеся детали. Так как при трении возникают задиры, то применяют антифрикционные, противоизносные и противозадирные присадки.

Антифрикционные присадки снижают или стабилизируют коэффициент трения, т.е. повышают маслянистость, уменьшают коэффициент трения между поверхностями трения, смазываемыми маслом, и устраняют при этом прерывистое скольжение [6].

В качестве антифрикционных присадок применяются вещества, обладающие поверхностной активностью: природные жиры, жирные кислоты (как лауриновая, стеариновая и олеиновая), их эфиры и соли и др. Молекулы указанных веществ, адсорбируясь на поверхности металла, препятствуют непосредственному контакту трущихся поверхностей. Для повышения маслянистости и снижения коэффициента трения используют АФП поверхностно - активного характера, у которых должна быть длинная неразветвленная углеводородная цепь с активной концевой группой, отвечающей жирным кислотам и сложным эфирам. Молекулы такой АФП группируются на поверхности металла так, что полярная группа находится в контакте с металлом, а другие группы направлены наружу.

Противоизносные и противозадирные присадки предназначены для снижения коэффициента трения, уменьшения износа и повышения прочности масляной пленки на трущихся деталях. Применение таких присадок позволяет предотвратить задиры и схватывание поверхностей трения.

Противоизносные и противозадирные присадки в отличие от антифрикционных не просто образуют адсорбционный слой, а химически взаимодействуют с поверхностью металла.

Действие противоизносных и противозадирных присадок объясняется образованием на смазываемых металлических поверхностях тонких слоев с ориентированными молекулами масла. В таком ориентированном слое масло имеет более высокое значение вязкости, повышенную способность сопротивляться нагрузкам и не допускать непосредственного контакта трущихся поверхностей даже при высоких удельных нагрузках. На смазываемой поверхности происходит химическая реакция между активными веществами присадки и металлом. При этом на металле образуются пленки, препятствующие износу и задирам.

Противоизносные и противозадирные присадки получают, обрабатывая триизобутилен серой в мольном отношении 1:5-1:25 при температуре 182-260°С, давлении 0,1-0,8 МПа и при продувке реакционной смеси инертным газом.

Хорошими противоизносными и противозадирными присадками являются серусодержащие соединения: осерненные минеральные масла, олефиновые полимеры, дисульфиды и полисульфиды и др. В условиях повышенных температур и нагрузок эти соединения взаимодействуют с металлом с образованием пленки сульфида железа на поверхностях трения, препятствующей износу и задиру [8].

Таким образом, в настоящее время не изучено влияние длительности периода остановки и режимов нагружения, вязкости и состава смазочного материала на толщину смазочного слоя, трение и изнашивание деталей трибосопряжений, работающих в режиме «пуск - стоп» и при реверсивном движении. Поэтому задачами данного дипломного проекта являются:

- разработать методику испытаний;

- изучить влияние режимов нагружения на толщину смазочного слоя, разделяющего трущиеся тела;

- выявить закономерности трения и изнашивания деталей трибосопряжений, работающих в непрерывном режиме и в режиме «пуск - стоп».



2. Методика проведения испытаний

2.1 Материалы для исследования

Один из элементов был изготовлен из стали 45, а сопрягаемый элемент из бронзы БрОФ10-1. Сталь 45. Класс: сталь конструкционная углеродистая качественная. Химический состав и механические свойства стали 45 представлены в таблице 2 и в таблице 3 соответственно.

Таблица 3

Химический состав в % стали 45

C	Si	Mn	Ni	S	P	Cr	Cu	Al
0,42-0,5	0,17-0,37	0,5-0,8	до 0,3	до 0,04	до 0,035	до 0,25	до 0,3	до 0,08

Таблица 4

Механические свойства стали 45

Предел текучести, у0,2, МПа	Предел прочности при растяжении ув, МПа	Относительное удлинение после разрыва, д, %	Относитель-ное сужение, ш, %	Ударная вязкость, кДж / м2	НВ, не более	Предел выносливости,у-1, МПа
275	530	15	32	29	197	231

Броф10-1 - оловянно-фосфорная бронза, 1% фосфора, 10% олова. Характеризуется высокими антифрикционными и коррозионными свойствами, а также повышенной износостойкостью. Механические свойства бронзы представлены в таблице 5.

Таблица 5

Механические свойства бронзы

Марка	Предел прочности при растяжении, ув, МПа	Относительное удлинение, д, %	HB	Назначение
БрОФ10-1	250	1-2	100	Подшипники скольжения



Таблица 6

Физические свойства бронзы

Коэффициент линейного расширения a-106, 1/град	Теплопроводность, кал/смсекград	Модуль упругости Е, МПа	Предел текучести, у0,2, МПа
17,1-17,3	0,15-0,2	0,1	140

В качестве смазочного материала использовалось чистое индустриальное масло И-8А. И-8А - масла дистиллятные, из малосернистых и сернистых нефтей селективной очистки. Применяют в различных отраслях промышленности для смазывания наиболее широко распространенных легконагруженных, высокоскоростных узлов и механизмов, замасливания волокон и в производстве масел, смазок и резин. Ряд отраслей народного хозяйства используют эти масла в качестве рабочей жидкости для гидравлических систем различных строительных машин, а так же шпинделей шлифовальных кругов металлорежущих станков, контрольно-измерительных приборов. Технические характеристики индустриального масла И-8А представлена в таблице 7.

Таблица 7

Технические характеристики индустриального масла И-8А

Показатели	И- 8А
Плотность при 20 °С, кг/м3, не более	880
Вязкость кинематическая, при 40 °С, мм2/с	9-11
Кислотное число, мг КОН/г, не более	0,02
Температура, °С: - вспышки в открытом тигле, не ниже - застывания, не выше	150 (130) -15
Стабильность против окисления: - приращение кислотного числа, мг КОН/г, не более - приращение смол, %, не более	0,2 (0,3) 1,5
Зольность, %, не более	0,005
Содержание механических примесей	отсутствие



2.2 Схема фрикционного контакта и установка для испытаний

Испытания на трение и изнашивание образцов по схеме «ролик - частичный вкладыш» были проведены на машине трения СМТ-1. Машина СМТ-1 предназначена для испытания материалов на трение и износ, для изучения процессов трения и износа металлов, сплавов и жестких конструкционных пластмасс. Машина предназначена для работы в помещениях лабораторного типа.

Рисунок 5 - Схема триботехнического испытания: 1 - частичный вкладыш; 2 - ролик; 3 - емкость со смазочным материалом

Принцип действия машины заключается в истирании пары образцов, прижатых друг к другу силой Р. В процессе работы на нижнем образце измеряют момент трения.

На машине трения СМТ-1 можно проводить испытания в различных средах как в режиме трения качения без проскальзывания, так и при наличии проскальзывания. В данной машине введено плавное регулирование частоты вращения образцов и расширен диапазон измерения момента трения и скоростей скольжения, установлены малоинерционные измерители момента трения и температуры.

Технические характеристики машины трения СМТ - 1: частота вращения вала нижнего образца от 75 до 1500 мин ^-1. Измерения частоты вращения вала нижнего образца в диапазоне А от 75 до 750 мин ^-1, а в диапазоне Б от 150 до 1500 мин ^-1. Пределы допускаемой приведенной погрешности измерителя частоты вращения вала нижнего образца ± 3%, а предел допускаемой погрешности счетчика суммарного числа оборотов вала нижнего образца ± 100 оборотов. Номинальная цена единицы наименьшего разряда счетчика суммарного числа оборотов вала нижнего образца - 100 оборотов. Число разрядов счетчика числа оборотов вала нижнего образца - 6. Максимальный допускаемый момент трения для образцов "диск - диск" в диапазонах чисел оборотов А и Б и для образцов "вал-втулка" и "диск - колодка" в диапазоне чисел оборотов А - 20 Нм, а для образцов "вал - втулка" и "диск - колодка" в диапазоне оборотов Б - 10 Нм. Диапазоны измерения момента трения в диапазоне I составляет от 1 до 10 Нм, а в диапазоне II от 2 до 20 Нм. Предел допускаемого значения среднего квадратического отклонения случайной составляющей приведенной погрешности измерителя момента трения в режиме статического нагружения составляет 1%. Диапазон I для измерения усилий на образцы для пар "диск - диск" и "диск - колодка" составляет от 200 до 2000 Н, а диапазон II для пары "вал - втулка" - от 500 до 5000 Н.

2.3 Методика эксперимента

Перед испытаниями ролик и вкладыш протирались бязью смоченной в керосине. Далее ролик закреплялся на валу машины трения, а частичный вкладыш - с помощью винтов в державке. На ролик сверху подводился вкладыш так, чтобы их поверхности касались друг друга. Снизу устанавливалась емкость со смазочным материалом. В качестве смазочного материала использовалось индустриальное масло. Задавалась нагрузка в интервале 100 - 500 Н. Затем включалась установка. Частота вращения вала в начальный момент времени находилась в интервале 0,52 - 1,0 м/с. В момент пуска ролик, во время своего вращения относительно вкладыша, начинал увлекать за собой смазочный материал в зону контакта. Пара трения смазывалась чистым индустриальным маслом.

Коэффициент трения определялся по измерению момента трения, который регистрировался с помощью электромагнитного датчика, встроенного в кинематическую схему машины. Коэффициент трения f рассчитывался по формуле

, (1)

где N - нагрузка на вкладыш, Н;

r - радиус ролика, 0,025 м.

Температура в зоне контакта образцов измерялась с помощью термопары, которая устанавливалась в просверленном отверстии частичного вкладыша на расстоянии около 2 мм от поверхности ролика.

Износ (по потере массы) регистрировался на аналитических весах ВЛР-200 с погрешностью, равной 0,0001 г. Интенсивность изнашивания I_h определялась по формуле

, (2)

где ?m - изменение массы образца в результате изнашивания;

с - плотность материала исследуемого образца, для стали

45 - 7800 кг/м³, для бронзы БрОФ10-1 - 8760 кг/м³;

А_а - номинальная площадь поверхности трения, 210^-4, м²;

- скорость вращения ролика, м/с ;

t - время динамического контакта [18].



Для оценки толщины смазочного слоя использовалось устройство, принцип действия которого основан на использовании 4-проводной электрической схемы (рисунок 7) [9, 10]. Физической основой используемой методики является то, что толщина смазочного слоя в зоне трения определяет силу тока между контактными поверхностями тел и контактное сопротивление R_c [11]. Формирование и разрушение граничного слоя и другие процессы в зоне трения приводят к изменению его структуры и толщины и, следовательно, контактного сопротивления. Последнее рассчитывалось по падению напряжения на контакте, которое регистрировалось вольтметром. После обработки АЦП 6 данные измерения момента трения, температуры и падения напряжения записывались в программе на ЭВМ 7 (рисунок 6) [12].

Рисунок 6 - Блок-схема устройства для определения контактного сопротивления:

1 - вал; 2 - узел нагружения; 3 - датчик нагружения; 4 - медно-графитовая щетка (1-й токосъемник); 5 - вкладыш (2-й токосъемник); 6 - источник тока; 7 - аналого-цифровой преобразователь (АЦП); 8 - электронно-вычислительная машина (ЭВМ); 9 - смазочный слой; 10 - ролик; 11 - емкость со смазочным материалом



Рисунок 7 - Четырехпроводная электрическая схема регистрации контактного сопротивления: I -- источник тока; R1 - калибровочное сопротивление, R2 -- магазин сопротивлений; R2 - контактное сопротивление; V -- вольтметр

При проведении испытаний чередовались периоды эксплуатации и остановки. Так на рисунках 8, 9, 10 и 11 представлены графики времени эксплуатации и остановки.

После включения установки задавалась нужная частота вращения ролика и прилагаемая на него нагрузка. Продолжительность динамического контакта ролика относительно вкладыша составляла 15 и 5 минут, после чего установка выключалась, и вращение ролика прекращалось. Продолжительность статического контакта составляла 2 и 5 минут, после чего установка запускалась, и ролик вновь вращался относительно вкладыша, с той же частотой и нагрузкой 15 и 5 минут. Продолжительность динамического контакта во всех режимах составляла 2 часа.

Рисунок 8 - Режим испытаний: 15 мин - динамический контакт, 2 мин - статический контакт



Рисунок 9 - Режим испытаний: 5 мин - динамический контакт, 2 мин - статический контакт

Рисунок 10 - Режим испытаний: 15 мин - динамический контакт, 5 мин - статический контакт

Рисунок 11 - Режим испытаний: динамический контакт - непрерывно



3. Закономерности трения и изнашивания смазываемых деталей при различных режимах нагружения

3.1 Влияние режимов нагружения на трение бронзы по стали

Испытания проводились при скорости 0,5 м/с в режимах «пуск - стоп» и при непрерывном режиме. Задаваемые нагрузки: 1; 1,5; 2; 2,5 МПа. Результаты испытаний представлены в таблице 8.

Таблица 8

Значения коэффициента трения при различных режимах нагружения

N, МПа	f
	15-5	15-2	5-2	непрерывно
	v = 0,5 м/с
1	0,064	0,062	0,084	0,07
1,5	0,070667	0,042667	0,070667	0,114667
2	0,073	0,034	0,073	0,119
2,5	0,088	0,136	0,1368	0,1576

Рисунок 12 - График зависимости коэффициента трения от нагрузки при различных режимах нагружения:

1 - режим испытаний: 15 мин - динамический контакт, 5 мин - статический контакт;

2 - режим испытаний: 15 мин - динамический контакт, 2 мин - статический контакт;

3 - режим испытаний: 5 мин - динамический контакт, 2 мин - статический контакт;

4 - режим испытаний: динамический контакт - непрерывно

По результатам таблицы построили график зависимости коэффициента трения от нагрузки при различных режимах нагружения.

С увеличением нормальной нагрузки, для режима испытаний, где 5 мин - динамический контакт, 2 мин - статический контакт и режима - 15 мин - динамический контакт, 2 мин - статический контакт, коэффициент трения при граничной смазке переходит через минимум. Это связано с тем, что при малых нагрузках коэффициент трения определяется в основном фактической площадью контакта (ФПК) и сопротивлением граничного слоя сдвигу. Это сопротивление увеличивается с ростом сжимающего усилия. Это характеризуется повышением пьезокоэффициента и молекулярной составляющей. Однако фактическая площадь контакта и пьезокоэффициент увеличивается значительно медленнее, чем необходимая для этого нормальная нагрузка. В итоге значение коэффициента трения падает. При больших нагрузках увеличивается фактическая площадь контакта и глубина внедрения растет пропорционально нагрузке. В этих условиях сила трения растет быстрее нагрузки, поэтому коэффициент трения возрастает.

Значения коэффициента трения при режиме испытаний, где 5 мин - динамический контакт, 2 мин - статический контакт больше, чем при режиме 15 мин - динамический контакт, 2 мин - статический контакт. Это связано с тем, что продолжительность динамического контакта составляет 5 мин, за это время смазочный материал не успевает создать прочную равномерную масляную пленку на всей поверхности контактной площадки трущихся поверхностей, следовательно, поверхности выступов трущихся тел будут соприкасаться, обеспечивая высокий коэффициент трения.

Значения коэффициента трения при непрерывном режиме больше, чем при режиме, где 15 мин - динамический контакт, 5 мин - статический контакт. Это связано с влиянием температуры на процессы трения. При непрерывном режиме наблюдается постепенный рост температуры. С ростом температуры уменьшается вязкость смазочного материала. В результате уменьшается количество молекул жидкости продавливаемых через зазор, следовательно, прочность масляной пленки уменьшается и в контакт могут вступать поверхности выступов сопрягаемых тел, что ведет к росту коэффициента трения.