Проблемы машиностроения и надежности машин, 2021, № 3, стр. 55-62
Смазочные свойства граничных пленок в критических условиях работы трибосистемы
Р. Г. Мнацаканов 1, О. А. Микосянчик 1, А. Е. Якобчук 1, *, Б. Д. Халмурадов 1
1 Национальный авиационный университет
Киев, Украина
* E-mail: a-yak@ukr.net
Поступила в редакцию 26.10.2020
Принята к публикации 24.02.2021
Аннотация
Рассмотрена кинетика изменения смазочных, антифрикционных и противоизносных свойств литиевых смазок Aero Shell Grease 33 и Эра ВНИИНП-286М в условиях прекращения подачи смазочного материала в зону фрикционного контакта. Установлена взаимосвязь между степенью нарушения самоорганизации диссипативных структур и удельной работой трения. Предложена эмпирическая зависимость прогнозирования линейного износа контактных поверхностей в критических условиях трения, учитывающая влияние контактной нагрузки, удельной работы трения и толщины смазочного слоя.
Роль смазочного материала в повышении эксплуатационной надежности трибосистем. Разрушение граничных смазочных слоев при трении происходит при критическом давлении в контакте. Управление процессами поверхностной активности контактных поверхностей в процессе их активации при трении, применение смазочного материала с поверхностно-активными веществами, противоизносными и антизадирными присадками, антифрикционными добавками может обеспечить значительное повышение критического давления и начальной температуры разрушения граничного слоя и вторичных структур, что будет способствовать продлению срока эксплуатации пар трения.
В работах [1, 2] исследовано, что существует оптимальный диапазон проявления эффективных смазочных свойств при формировании пленки смазочным материалом на контактных поверхностях, который зависит от внешних факторов и прочности сцепления пленки по отношению к поверхности. Исследование структуризации граничных пленок смазочного материала показали, что на скорость протекания окислительных реакций и полимеризационных процессов существенно влияет поверхность элементов трибосопряжений, которая является составной частью реагирующей системы [3, 4]. Процессу структуризации смазочного материала способствует также введение в него присадок, которые повышают противоизносные свойства смазочных материалов, что обусловлено образованием полимолекулярных мезоморфных эпитропно-жидкокристаллических структур [5, 6].
На природу сформированных граничных пленок смазочного материала существенное влияние оказывают условия работы триботехнических элементов. В работе [7] установлены закономерности формирования на контактных поверхностях граничных слоев физической природы, которые характеризуются идентичностью реологических свойств с объемной жидкой фазой смазочного материала в условиях качения с проскальзыванием 3%. Однако, при увеличении степени проскальзывания с 10 до 40% создаются предпосылки для формирования на поверхностях трения хемосорбционных пленок.
Совершенствование контрольно-измерительных приборов и стремительное развитие вычислительной техники обеспечивают реальную возможность впервые исследовать трибологические процессы образования диссипативных структур при трении на атомарном и молекулярном уровнях. Например, комплекс SFA позволяет измерять толщину пленки до 0.1 нм и фиксировать крайне малые поверхностные силы [8, 9]. Значительные преимущества данного комплекса позволяют использовать его в качестве основного инструмента при исследовании реологических, смазочных и антифрикционных свойств трибоконтакта на наноуровне [10].
Возникает необходимость в разработке принципиально новых методик оценки кинетики изменения триботехнических характеристик смазочных материалов и вторичных структур (образование, изменение и разрушение) в процессе контактного взаимодействия. Внедрение автоматизированных методов и средств контроля триботехнических параметров и испытания контактных поверхностей в реальном масштабе времени в режимах, максимально приближенных к эксплуатационным, является составной частью задачи по повышению точности и достоверности при использовании полученных экспериментальных результатов в реальных узлах трения.
Цель и задачи исследования. Целью исследований являлось установление влияния контактного напряжения на триботехнические свойства литиевых смазок в нестационарных условиях трения при прекращении подачи смазочного материала в зону контакта.
Для достижения поставленной цели были решены следующие задачи: 1) разработка средств и методов контроля смазочной способности смазок непосредственно в процессе работы; 2) выявление закономерностей влияния толщины смазочного слоя на коэффициент трения и удельную работу трения в контакте; 3) установление влияния градиента скорости сдвига смазочных слоев на количество циклов наработки до схватывания пар трения; 4) установление факторов, влияющих на линейный износ контактных поверхностей в условиях прекращения подачи смазочного материала в зону контакта при переходе работы трибосистемы в режим масляного голодания.
Методика определения триботехнических параметров контакта в критических условиях работы пар трения. Эксперименты проводились на установке СМЦ-2 с регистрацией показателей трибоконтакта в режиме online. Момент трения, частота оборотов роликов, температура смазочного материала, падение напряжения в смазочном слое в контакте записываются и обрабатываются на ПК (программное обеспечение ProfiLab) в реальном масштабе времени с графическим изображением их изменений.
Разработанная программа приема данных по RS-232 каналу принимает коды изменения напряжения тока в триботехническом контакте при 2 и 4 А для вычисления толщины смазочного слоя, регистрирует коды для определения крутящего момента, частоты вращения образцов, объемной температуры масла. Принятые коды поступают на программный блок фильтрации и нормирования, предназначенный для блокировки ошибочно принятых сигналов, сглаживания и преобразования кодов в реальные физические величины.
Смазочные свойства (гидродинамическая и негидродинамическая составляющие толщины смазочной пленки) определяются методом падения напряжения в режиме нормального тлеющего разряда. Согласно этой методике, измеряется падение напряжения в смазочном слое при силе тока 2 и 4 А, затем по тарировочным таблицам проводится определение толщины смазочного слоя
где U2A и U4A – падение напряжения в смазочном слое при силе тока 2 и 4 А; k – коэффициент, зависящий от типа смазочного материала.При частых пусках–остановках на контактных поверхностях формируются граничные адсорбционные слои смазочного материала негидродинамической природы, толщина которых определяется в момент остановки. В период пуска наблюдается прирост толщины смазочного слоя и его стабилизация при достижении заданного режима вращения за счет формирования общей толщины смазочного слоя в контакте, которая содержит гидро- и негидродинамическую составляющие.
Расчет коэффициента трения проводится по формуле
где М – крутящий момент; d – диаметр образца; N – нагрузка.Расчет удельной работы трения проводят путем интегрирования площади, ограниченной кривой момента трения, и выбора произвольного диапазона интегрирования по оси абсцисс по координате времени наработки элементов трибосопряжения, по которой определяется угол поворота контактных поверхностей с зафиксированной их частотой вращения в определенное выбранное время наработки, с учетом кинетической энергии вращающихся деталей по формуле
(3)
$А = \left[ {\left| {\mathop \smallint \limits_0^{{{t}_{i}}} {{M}_{{i~}}}\left( t \right) \cdot 2{{\pi }}{{n}_{i}}\left( t \right)d\left( t \right) - \frac{1}{2}\mathop \sum \limits_0^{i = {{n}_{{ti}}}} \,J{{п}_{i}} \cdot {{\omega }}_{i}^{2}} \right|} \right]{\text{/}}F,$Исследуемые нестационарные условия трения подразумевали цикличность проведения экспериментов в режиме “запуск (4 секунды)–стационарная работа (7 секунд)–торможение (3 секунды)–остановка (3 секунды)” (рис. 1). Воспроизводился режим качения с проскальзыванием 20%.
Контактное напряжение по Герцу составляло 250, 400, 550 и 700 МПа. Первые 300 циклов работа пар трения осуществлялась путем окунания нижнего ролика в ванночку со смазкой и периодического намазывания смазки на ролик. Это способствовало достаточной подаче смазки в зону контакта и предохраняло переход трибосистемы в граничный режим смазочного действия. Дальнейшие исследования проходили в условиях, при которых подача смазочного материала прекращалась. С 300 цикла наработки ванночка убиралась, смазка удалялась с контактных поверхностей (вытиралась ветошью). Таким образом, триботехнические свойства смазки в созданных экспериментальных условиях масляного голодания обусловлены смазочными, антифрикционными и противоизносными свойствами граничных пленок, сформированных в процессе трения на активированных поверхностях металла.
Исследуемые образцы изготовлены из стали 30ХГСА (HRC 35). Смазывание поверхностей осуществлялось литиевыми смазками на синтетической основе Aero Shell Grease 33 и Эра ВНИИНП-286М.
Результаты исследований и их обсуждение. В настоящей статье представлены и проанализированы результаты исследований только после 300 цикла наработки, при переходе трибосистемы в режим масляного голодания. С повышением σmax c 250 до 700 МПа существенно снижается несущая способность смазочного граничного слоя, толщина которого уменьшается в 15 и 3.5 раза при смазывании поверхностей смазками ВНИИНП – 286М и Aero Shell Grease 33 соответственно (рис. 2).
Смазка Aero Shell Grease 33 характеризуется более эффективными смазочными свойствами, по сравнению с исследуемой смазкой Эра ВНИИНП-286М. Особенно это проявляется при нагрузках, превышающих 400 МПа. Если при σmax 250 МПа толщина граничных пленок, сформированных компонентами синтетической смазки Aero Shell Grease 33, в 1.9 раза превышает толщину граничных пленок смазки Эра ВНИИНП-286М, то при σmax 550–700 МПа этот показатель увеличивается в 8–10 раз.
Снижение толщины смазочного слоя обусловливает, прежде всего, корреляционное уменьшение антифрикционных свойств исследуемых смазочных материалов. Однако, изменения коэффициента трения с повышением нагрузки не столь существенны. В исследуемом диапазоне нагрузок коэффициент трения снижается в 3.4 и 2.5 раза для Эра ВНИИНП-286М и Aero Shell Grease 33 смазок соответственно (рис. 3).
Прежде всего, это обеспечивается за счет локального разрушения структурированных граничных смазочных слоев, уменьшения эффективной вязкости смазки и проявлением гидродинамических эффектов при механическом и термическом плавлении пленки в фрикционном контакте [11].
Механическая деструкция граничных слоев происходит вследствие резкого повышения градиента скорости сдвига смазочной пленки (γ), который, согласно [12], представляет отношение скорости скольжения в контакте к толщине смазочной пленки. Если для смазки Эра ВНИИНП-286М с повышением нагрузки с 250 до 700 МПа градиент скорости сдвига смазочных слоев увеличивается в 20 раз, то для смазки Aero Shell Grease 33 данный параметр увеличивается в 3.5 раза (табл. 1).
Таблица 1.
Смазочный материал | Контактная нагрузка, МПа | |||
---|---|---|---|---|
250 | 400 | 550 | 700 | |
Градиент скорости сдвига смазочных слоев, с–1 | ||||
Эра ВНИИНП–286М | 1.4 × 105 | 4.2 × 105 | 1.4 × 106 | 2.9 × 106 |
Aero Shell Grease 33 | 7.5 × 105 | 9.1 × 104 | 1.4 × 105 | 2.6 × 105 |
Количество циклов наработки до схватывания пар трения | ||||
Эра ВНИИНП–286М | 300 | 80 | 50 | 20 |
Aero Shell Grease 33 | 900 | 150 | 130 | 100 |
Следовательно, смазка Aero Shell Grease 33 характеризуется более эффективными смазывающими свойствами, а ее синтетические компоненты по реологическим характеристикам являются более стабильными к увеличению градиента скорости сдвига, по сравнению с компонентами смазки Эра ВНИИНП-286М. Стойкость смазочной пленки к механической деструкции вследствие увеличения градиента скорости сдвига является определяющим фактором, обеспечивающим нормальную работоспособность пар трения в критических условиях. В табл. 1 указано количество циклов наработки трибоэлементов в условиях масляного голодания до проявления первых признаков схватывания, которые проявлялись визуально на дорожке трения, при этом наблюдалось повышение шума и остановка машины трения. Анализ полученных результатов показывает, что с увеличением нагрузки резко сокращается период наработки трибосистемы – в исследуемом диапазоне контактных нагрузок работоспособность пар трения снижается в 15 и 9 раз соответственно при смазывании контактных поверхностей Эра ВНИИНП-286М и Aero Shell Grease 33.
Разрушение смазочной пленки при трении является одним из ведущих факторов, обусловливающих интенсификацию энергетических процессов, происходящих в зоне контакта. Прежде всего, это проявляется в нарушении структурной приспосабливаемости контактных поверхностей и смазочного материала в критических условиях трения, разрушением ранее образованных метастабильных структур. Переход трибосистемы в термодинамически неустойчивое состояние характеризуется, прежде всего, резкой активацией металла вследствие концентрации напряжений на локальных участках фрикционного контакта в местах разрушения экранирующей пленки смазочного материала, что проявляется в повышении удельной работы трения.
При σmax 250 МПа, согласно расчетной зависимости оценки режима смазочного действия ${{\lambda }} = h{\text{/}}\sqrt {R_{{a1}}^{2} + R_{{a2}}^{2}} $, в контакте реализуется эластогидродинамический (λ = 3.13) и гидродинамический (λ = 5.83) режимы смазочного действия при использовании смазок Эра ВНИИНП-286М и Aero Shell Grease 33 соответственно. Следовательно, контактные поверхности разделены достаточным слоем смазочного материала, обеспечивающим локализацию касательных напряжений сдвига в тонком граничном слое смазки, что способствует уменьшению как внешних силовых воздействий, так и поверхностной деформации тонких слоев металла. Показатели удельной работы трения (Aтр) составляют, в среднем, 3200 и 1000 Дж/мм2 при смазывании пар трения Эра ВНИИНП-286М и Aero Shell Grease 33 соответственно.
С повышением σmax до 700 МПа вследствие резкого уменьшения толщины смазочной пленки условия работы трибосистемы соответствуют полусухому (λ = 0.21) и граничному (λ = 1.67) режимам смазочного действия при исследовании Эра ВНИИНП-286М и Aero Shell Grease 33 соответственно. В таких условиях трения интенсифицируются механо-химические процессы в тонких поверхностных слоях металла, повышается степень их деформационных изменений. Такие процессы характеризуются неравновесными кинетическими переходами трибосистемы, нарушением самоорганизации диссипативных структур, что приводит к увеличению удельной работы трения. При смазывании стали смазкой Эра ВНИИНП-286М Aтр повышается в три раза при увеличении σmax с 250 до 700 МПа и составляет 10 000 Дж/мм2 (рис. 4). Применение синтетической смазки Aero Shell Grease 33 способствует снижению удельной работы трения, в среднем, в 2–3 раза.
Именно стабильность диссипативных структур при их самоорганизации в динамических условиях нагружения является определяющим фактором работоспособности трибосистемы. Толщина смазочной пленки на уровне 1.5–3 мкм, обеспечивающая эласто- и гидродинамические режимы смазочного действия, высокие антифрикционные свойства ( f в пределах 0.01–0.015) и низкая удельная работа трения (Атр составляет 1000–3200 Дж/мм2) при σmax 250 МПа обеспечивают наработку трибосистемы в условиях масляного голодания в пределах 300–900 циклов в зависимости от типа смазочного материала (табл. 1). С повышением σmax до 700 МПа наблюдается снижение толщины смазочной пленки до 0.1–0.8 мкм, увеличение коэффициента трения до 0.03–0.05, повышение удельной работы трения до уровня 5000–10 000 Дж/мм2, что приводит к резкому сокращению циклов наработки трибосистемы – первые признаки схватывания, в зависимости от типа смазки, проявляются на 20–100 циклах наработки.
Таким образом, только лишь за счет рационального выбора смазочного материала (замена смазки Эра ВНИИНП-286М на Aero Shell Grease 33) удалось увеличить количество циклов наработки трибосистемы до проявления первых признаков схватывания в 3 и 5 раз соответственно при σmax 250 и 700 МПа.
Помимо рассмотренных выше смазывающих и антифрикционных свойств смазки Aero Shell Grease 33, данный смазочный материал характеризуется более эффективными противоизносными свойствами, по сравнению со смазкой Эра ВНИИНП-286М аналогичного эксплуатационного назначения. Экспериментально установлено снижение общего линейного износа опережающей и отстающей поверхностей в 1.3 и 1.7 раза при σmax 250 и 700 МПа соответственно при смазывании пар трения смазкой Aero Shell Grease 33, по сравнению с Эра ВНИИНП-286М (рис. 5).
Анализ экспериментальных данных триботехнических характеристик исследуемых смазок показал наибольшее влияние на износ таких параметров, как контактная нагрузка σmax, удельная работа трения Атр и толщина смазочного слоя h. На основании этого получена эмпирическая зависимость линейного износа Lлин от указанных параметров
(4)
${{L}_{{{\text{лин}}}}} = \frac{{{{\sigma }}_{{{\text{max}}}}^{{0.1}}A_{{{\text{тр}}}}^{{{\text{0}}{\text{.1}}}}}}{{{{h}^{{0.2}}}}}.$Полученные расчетные значения Lлин по формуле (4) характеризуются высоким уровнем сходимости с измеренными показателями линейного износа с использованием метода искусственных баз (прибор ПМТ-3), что свидетельствует о качественной аппроксимации предложенной зависимости оценки линейного износа контактных поверхностей в критических условиях работы (рис. 6).
Таким образом, предложенная эмпирическая зависимость позволяет прогнозировать максимальный износ контактных поверхностей в критических условиях трения, к которым относятся условия прекращения подачи смазочного материала в зону контакта и переход работы трибосистемы в режим масляного голодания. Качественная оценка данного процесса характеризуется интенсификацией деструкционных процессов в граничном слое смазочного материала и деформационных изменений тонких поверхностных слоев металла, приводящих к повышению энергонапряженности трибоконтакта и увеличению износа контактных поверхностей.
Список литературы
Hsu S.M., Klaus E.E., Cheng H.S. A mechano-chemical descriptive model for wear under mixed lubrication conditions // Wear. 1988. V. 128. № 3. P. 307.
Matveevsky R.M. Friction power as a criterion of seizure with sliding lubricated contact // Wear. 1992. V. 155. P. 1.
Lenahan P.M., Curry S.E. First observation of the (29) Si hyperfine spectra of silicon dangling bond centers in silicon nitride // Appl. Phys. Lett. 1990. V. 56. № 157. P. 207.
Warren O.L., Graham J.F., Norton P.R. et al. Nanomechanical properties of films derived from zinc dialkyldithiophosphate // Tribology Letters. 1998. V. 4. P. 189.
Ермаков С.Ф. Трибология жидкокристаллических наноматериалов и систем. Минск: Беларус. навука, 2011. 380 с.
Буяновский И.А., Игнатьева З.В., Левченко В.А. и др. Ориентационная упорядоченность граничных слоев и смазочная способность масел // Трение и износ. 2008. Т. 29. № 4. С. 375.
Mikosyanchyk O., Mnatsakanov R., Zaporozhets A., Kostynik R. Influence of the nature of boundary lubricating layers on adhesion component of friction coefficient under rolling conditions // Eastern-European Journal of Enterprise Technologies. 2016. V. 4/1. N. 82. P. 24.
Israelachvili J. Adhesion forces between surfaces in liquids and condensable vapours // Surface Science Reports. 1992. V. 14. № 3. P. 109.
Israelachvili J.N. Intermolecular and surface forces, 3-rd ed., USA: Academic Press, 2011. 674 p.
Yoshizawa H., Israelachvili J. Fundamental mechanisms of interfacial friction. 2. Stick-slip friction of spherical and chain molecules // J. Physical Chemistry. 1993. V. 97. № 43. P. 11300.
Ляшенко Я.А., Хоменко А.В., Метлов Л.С. Феноменологическая теория плавления тонкой пленки смазки между двумя атомарногладкими твердыми поверхностями // Журнал технической физики. 2010. Т. 80. № 8. С. 120.
Порохов В.С. Трибологические методы испытания масел и присадок. М.: Машиностроение, 1983. 183 с.
Дополнительные материалы отсутствуют.
Инструменты
Проблемы машиностроения и надежности машин