Проблемы машиностроения и надежности машин, 2021, № 3, стр. 55-62

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 U_2A и U_4A – 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

где М – момент трения; $n$, $~{{\omega }}~$ – соответственно частота вращения и угловая скорость вращения элементов трибосопряжения; t – время длительности цикла; $J{\text{п}}$ – полярный момент инерции вращающихся деталей триботехнической установки, которые влияют на точность измерения момента трения в контакте; F – номинальная площадь контакта по Герцу.

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 σ_max 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 σ_max 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 σ_max 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).

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 σ_max 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 (A_тр) составляют, в среднем, 3200 и 1000 Дж/мм² при смазывании пар трения Эра ВНИИНП-286М и Aero Shell Grease 33 соответственно.

С повышением σ_max 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 A_тр повышается в три раза при увеличении σ_max 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 (А_тр составляет 1000–3200 Дж/мм²) при σ_max 250 МПа обеспечивают наработку трибосистемы в условиях масляного голодания в пределах 300–900 циклов в зависимости от типа смазочного материала (табл. 1). С повышением σ_max 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 σ_max 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 σ_max 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 σ_max, удельная работа трения А_тр и толщина смазочного слоя h. На основании этого получена эмпирическая зависимость линейного износа L_лин от указанных параметров

Полученные расчетные значения L_лин 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.