WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Авторефераты по темам  >>  Разные специальности - [часть 1]  [часть 2]

Повышение задиростойкости фрикционного контакта червячной пары трения

Автореферат кандидатской диссертации

 

На правах рукописи

 

 

 

 

БЕРЕЗИН Константин Геннадьевич

 

ПОВЫШЕНИЕ ЗАДИРОСТОЙКОСТИ

ФРИКЦИОННОГО КОНТАКТА

ЧЕРВЯЧНОЙ ПАРЫ ТРЕНИЯ

 

 

специальность 05.02.04 — трение и износ в машинах

 

Автореферат  диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

 

 

 

 

Иваново ? 2012


Работа выполнена в ФГБОУ ВПО «Ивановский государственный химико-технологический университет»

Научный

руководитель                    кандидат технических наук, доцент

Киселев Борис Ростиславович

Официальные

оппоненты:                        Усольцева Надежда Васильевна,

доктор химических наук, профессор,

ФГБОУ ВПО  «Ивановский государственный университет», директор НИИ наноматериалов

Топоров Алексей Валериевич,

кандидат технических наук,

ФГБОУ ВПО «Ивановский институт

государственной противопожарной службы 

МЧС России», старший преподаватель

кафедры механики и инженерной графики

Ведущая

организация:                    ФГБОУ ВПО «Ивановская государственная текстильная академия»

             

Защита состоится «18» мая 2012 г. в 14.00 часов на заседании диссертационного совета ДМ 212.062.03 при ФГБОУ ВПО «Ивановский государственный университет» (153025, г. Иваново, пр-т. Ленина, д. 136, ауд. 1).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Ивановский государственный университет».

Автореферат разослан «_____» апреля 2012 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета                                             В. В. Новиков

 
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ


Актуальность работы. Развитие современного машиностроения связано с внедрением новых эффективных технологий, которые сопровождаются увеличением мощности, скорости, производительности и других параметров эксплуатации машин. В связи с этим детали машин должны обеспечивать высокие требования прочности, жесткости и износостойкости. Одним из видов катастрофического износа является задир, который является следствием образования заедания во фрикционном контакте пары трения. Задиры резко ограничивают срок работы узлов трения. Особенно это наблюдается в тяжело нагруженных механических передачах, поэтому для обеспечения задиростойкости в парах трения применяются наиболее благоприятные сочетания  конструкционных материалов совместимых с определенными смазочными материалами при заданных режимах эксплуатации.

Серийные редукторные и трансмиссионные масла, как правило, имеют в составе серо- хлор- и фосфорсодержащие компоненты, применение которых нежелательно из соображений экологии, поэтому необходим поиск новых трибоактивных компонентов, обеспечивающих эффективный граничный смазочный слой.

В этой связи актуальной задачей является разработка смазочных материалов (СМ), специфичных для механических передач, в частности, для червячных передач, работающих в сложных контактных условиях с большими скоростями скольжения и неблагоприятными условиями смазки. Выбор конструкционных и смазочных материалов для червячной передачи определяется критерием задиростойкости пары трения. Однако экспериментальные и производственные данные показывают, что способность различных материалов противостоять задиру при трении со смазкой различна. Известно, что в червячных передачах для  исключения задира применяются антифрикционные материалы. Однако применение бронз в механизмах приводит к увеличению стоимости изделия и ограничивает величину передаваемых моментов, так как эти материалы имеют не высокие механические характеристики. Следует отметить, что гипотеза применения в червячной передаче стальных конструкционных материалов в сочетании со специальными СМ позволит повысить прочность зубьев и снизить стоимость червячного колеса, увеличить пределы передаваемых крутящих моментов, что даст определенный технико-экономический эффект.

Данная работа выполнена в рамках исследований кафедры «Механика» ФГБОУ ВПО «Ивановский государственный химико-технологический университет» в области разработки новых триботехнических материалов, в соответствии с тематическим планом НИР ФГБОУ ВПО «Ивановский государственный химико-технологический университет» на 2008—2010 г. Работа выполнена при поддержке гранта Минобрнауки РФ №2.1.2/4987.

Объект исследования: трибосистема, состоящая из пары трения, работающей в граничном режиме с металлоплакирующим смазочным материалом.

Цель и задачи исследования. Целью работы повышение задиростойкости фрикционного контакта червячной пары трения за счет создания эффективного смазочного материала.

В рамках данной цели решали следующие задачи:

  • разработка теоретической концепции, описывающей действие СМ в условиях граничного трения со стальными компонентами;
  • получение безразмерного критерия задиростойкости пар трения со смазочным слоем;
  • выбор конструкционных материалов  и разработка модельных СМ обеспечивающих повышение задиростойкости трибосистемы;
  • оптимизация состава СМ и исследование характеристик поверхностей трения;
  • разработка и изготовление авторского экспериментального стенда для испытания червячной передачи с различными трущимися и смазочными материалами, работающего при варьируемых эксплуатационных режимах;
  • испытание смазочных и конструкционных материалов на специальном трибометрическом стенде;
  • производственные испытания новых технических решений.

Методы исследования.  Задачи решались с помощью теоретических и экспериментальных методов. В теоретических исследованиях применены основные положения физикохимии поверхностей. Экспериментальные исследования выполнены в соответствии с известными методиками выполнения трибологических испытаний по измерению трения и изнашивания. Реологические исследования смазочных материалов проводились на программируемом вискозиметре Брукфилда DV-II+. Трибологические исследования проводились на машине трения СМТ-1, специальной установке по изучению износа, а также на трибометрическом стенде червячной передачи. Исследование поверхностей трения производили методами оптической микроскопии (микроскопы МБС-10, NEOPHOT 30), профилометрии на зондовом атомно-силовом микроскопе SOLVER 47PRO и путем  измерения микротвердости (микротвердомер ПМТ-3). Для оценки результатов исследований применяли методы математической статистики. Экспериментальные зависимости обрабатывались с использованием регрессионного анализа.

Научная новизна работы:

  • Предложен безразмерный критерий задиростойкости пар трения со смазочным слоем, содержащим поверхностно-активные вещества (ПАВ), позволяющий обосновать выбор эффективной  трибоактивной присадки смазочного материала для стальной пары трения.
  • Выполнена оптимизация состава СМ из ряда присадок класса металлических мыл для  повышения задиростойкости фрикционной пары трения.
  • Получены закономерности триботехнических показателей новых смазочных материалов с ПАВ в стальных парах трения и взаимосвязей к.п.д. от передаваемых крутящих моментов в условиях работы червячной пары.

 

Практическая значимость работы:

  • На основе оптимизации разработан и создан металлоплакирующий СМ для стальной пары. На состав плакирующей смазки авторским коллективом при участии автора диссертации получен патент РФ №2393206 БИ. №18 от 27.06.10.
  • Спроектирован и изготовлен авторский экспериментальный стенд для испытания червячной передачи с различными трущимися и смазочными материалами, работающий при варьируемых эксплуатационных режимах.
  • Разработана  методика эмпирического определения к.п.д. червячного механизма на  испытуемом стенде в отличие от маятниковой системы, где определяется к.п.д. по отклонению балансира.
  • Выполнено совершенствование типовой конструкции червячной передачи с использованием новых материалов всей трибосистемы позволила получить технико-экономический эффект редукторов типа «Ч» заключающийся в уменьшении цены изготовления и экономии энергозатрат, что подтверждается актами производственных испытаний.

 

Положения, выносимые на защиту:

  • Теоретическая концепция, описывающая действие смазочных материалов с присадками класса металлических мыл в условиях контакта стальной пары трения.
  • Безразмерный критерий задиростойкости пар трения со смазочным слоем, позволяющий обосновать выбор эффективной трибоактивной присадки смазочного материала.
  • Металлоплакирующий СМ для повышения задиростойкости стальной пары трения, в состав которой входят маслорастворимые стеараты металлов: CoSt, NiSt, CuSt, SnSt, позволяющий образовывать на стальных поверхностях трения прочные адсорбционные граничные пленки.
  • Специальный трибометрический стенд для испытания червячной передачи с различными трущимися и смазочными материалами, работающий при варьируемых эксплуатационных режимах.
  • Методика эмпирического определения к.п.д. червячного механизма на трибометрическом стенде; зависимости изменений к.п.д. от величины передаваемого крутящего момента передачи и применяемых материалов пары трения.

 

Соответствие паспорту специальности. Содержание диссертации соответствует следующим областям исследования паспорта специальности 05.02.04 — трение и износ в машинах: п.8 «Триботехнические свойства смазочных материалов», п.10 «Физическое и математическое моделирование трения и изнашивания» и п.12 «Расчет и оптимизация узлов трения и сложных трибосистем».

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы были представлены на следующих научных конференциях и семинарах: Научная конференция преподавателей и сотрудников ИГХТУ (Иваново, 2007-2011); Региональная студ. науч. конф. «Фундаментальные науки - специалисту нового века» (Иваново, 2005, 2007, 2008); Региональная мол. науч. конф. «Актуальные проблемы трибологии» (Иваново, 2008-2009), Регион. научн.-техн. конф. «Материаловедение и надежность триботехнических систем» (Иваново, 2009);  II междунар. сем. «Техника и технологии трибологических исследований» (Иваново, 2009); I межвузовский науч.-практ. семинар аспирантов, студентов, курсантов и слушателей  (Иваново, 2010); Научно-техническая конференция с участием иностранных специалистов «Трибология – машиностроению» (Москва, 2008, 2010); IX междунар. научн. конф. «Теоретические основы энерго-ресурсосберегающих процессов, оборудования и экологически безопасных производств» (Иваново, 2010),  Международная научно-техническая конференция «Современные наукоемкие технологии и перспективные материалы текстильной и легкой промышленности», (Иваново, 2010).

Публикации. Основные теоретические положения и результаты исследований опубликованы в 12 печатных работах, в том числе 5 публикаций в изданиях, входящих в Перечень ВАК. Общий объем публикаций 3,41 п. л., лично автору принадлежит 1,14 п.л. Получен патент РФ №2393206 БИ. № 18 от 27.06.10.

Реализация результатов работы. Техническая информация о результатах диссертационной работы передана производителю ООО «НПО Янтарь» г. Иваново для организации малотоннажного производства. Результаты диссертации используются в учебном процессе кафедры «Механика» ИГХТУ при изучении курсов «Теория механизмов и машин», «Детали машин и основы конструирования», выполнении студентами лабораторных и дипломных работ.

Структура и объем работы. Диссертация изложена на 151 страницах, содержит введение, 5 основных глав, заключение, список литературы из 122 наименований. Работа включает 56 рисунков и 15 таблиц.

 

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении дается общая характеристика исследуемой проблемы, приводятся данные об актуальности, новизне и практическом  использовании результатов работы.

В главе 1 представлен аналитический обзор публикаций, посвященных исследованию проблем смазки и действия трибоактивных присадок в составе смазочного материала, механизма возникновения противозадирных и противоизносных свойств. Задир является весьма опасным явлением, существенно ограничивающим долговечность трибосопряжения. Особенно подвержены задиру сопряжения с точечным или линейным контактом (например, фрикционные, зубчатые и червячные передачи). В связи с этим представлен теоретический анализ эффекта задира в трибосистеме и критериев подбора присадок, улучшающих смазочные свойства материалов. Исследования многих российских и зарубежных ученых: Г. Блока, Б. И. Костецкого, А.В.Чичинадзе, М. Хебда, Р.М. Матвеевского, Ю.Н. Дроздова, И.А. Буяновского, Л.И. Погадаева, А.С. Кужарова, Л.И. Бершадского, Л. Бакли, Н.А. Буше, А.П. Семенова, А.А. Полякова, И.Э. Виноградовой, В.Г. Павлова, В.А. Годлевского, В.Г. Мельникова, Е.В. Березиной и др. имеют фундаментальное значение развития данной проблемы.

Показано на конкретном примере механизма: червячной передачи общепринятые теоретические и практические направления повышения задиростойкости в зацеплении путем применения антифрикционных и смазочных материалов. Первая глава завершается выводами, формулированием цели и задач исследования.

Глава 2 посвящена разработке теоретической концепции эффективности присадок с поверхностями трения. Представлена теоретическая концепция работоспособности пары трения «сталь – сталь», которая заключается в анализе эффективности присадок смазочных материалов, критерием которых является задиростойкость. Известно, что температурные процессы при заедании тел являются определяющими. Исходя из этого условия, противозадирная стойкость масел характеризуется значением критерия заедания

,                                              (1)

где – температура вспышки; р0 – контактное давление.

Оценочные испытания противозадирных свойств масел в условиях качения со скольжением тел и расчета противозадирной стойкости фрикционного контакта предложены Ю.Н. Дроздовым

,                    (2)                                                

где  ? – коэффициент трения скольжения; Р – погонная нагрузка в контакте; V1, V2 – скорости элементов пары трения; ? – приведенный радиус элементов пары трения.

Для оценки задиростойкости червячных передач наиболее часто используется критерий Г. Блока, который  предлагается И.П. Бернацким, Н.И. Вьюшкиным, Б.К. Герасимовым, В.Н. Комковым и др. учеными рассматривать в предположении приработки рабочих поверхностей, когда происходит выравнивание контактных напряжений по всему полю зацепления ?н  = const:

 ,                                        (3)  

где ?Н – контактное напряжение; VS – скорость скольжения.

Основной недостаток приведенных критериев состоит в том, что он не является безразмерным, а значит, он не может быть использован при реализации физического моделирования по методу подобия, а также отсутствия в формулах какого-либо параметра определяющего свойства масел и смазочных материалов. Так как речь идет о моделировании условий задира, то ясно, что критерий должен, во-первых,  обязательно учитывать контактное давление пары трения в момент задира – Рз (Н/м2) и, во-вторых, какой-либо параметр характеризующий свойства смазочного материала содержащего поверхностно-активные вещества (ПАВ) – поверхностное натяжение смазочной среды ? (Н/м), характеризующее свободную поверхностную энергию СМ. Исходя из этих предпосылок, была предложена следующая структура критерия задиростойкости:

,                                    (4)

где   t – время трения до момента задира, с.

Оценочный анализ влияния факторов на вероятность возникновения задира показывает следующее: 1) увеличение контактного  напряжения задира Рз повышает значение критерия Кз, а значит, и  вероятность задиростойкости; 2) снижение поверхностного натяжения ?, вызванного введением поверхностно-активной присадки, связано с увеличением адсорбции этой присадки, что ведет к увеличению критерия Кз; 3) чем длиннее путь трения =Vst до возникновения задира, тем менее вероятен задир, и тем больше величина Кз.

Предлагаемый критерий является оценкой задиростойкости трибосистемы: чем больше критерий, тем большую величину задиростойкости имеет сопряжение. На основе предложенного критерия испытан ряд присадок класса металлических мыл (стеараты меди - CuSt, олова - SnSt, железа - FeSt, никеля - NiSt, кобальта - CoSt), содержащих одно-, двух-, трех-, четырехкомпонентные сочетания присадок. Имея базовую информацию триботехнических показателей каждого стеарата металла  и их разных сочетаний, дан прогноз состава СМ для повышения задиростойкости пары трения «сталь – сталь».

Безразмерный коэффициент задиростойкости позволяет оценивать по параметру опасности возникновения задира различные СМ и присадки, что дает возможность научно обоснованного выбора присадок для заданных контактных условий.

В главе 3 описаны методы проведения исследования реологических, триботехнических и микроструктурных исследований, а также методика проведения стендовых испытаний. Реологические исследования масел проводились на программируемом вискозиметре Брукфилда DV-II+, а также на капиллярном вискозиметре ВПЖ-4. Для проведения триботехнических исследований применялись машина трения СМТ-1, установка для испытаний на изнашивание. Испытуемая модель представляет собой пару трения: диск – образец (частичный вкладыш), которая исследовалась по коэффициенту трения скольжения, а также  на изнашивание при нагрузках от 200 до 1800 Н с шагом 100 Н при разных скоростях скольжения.

Исследование на изнашивание также проводилось на установке возвратно-поступательного движения, так как при этом реализуется смешанное (жидкостное, граничное) трение, что имеет место в контакте червячной передачи. Нагрузку на установке изменяли от  88Н до 265 Н, в результате создавалось давление в контакте от 20 МПа до 700 МПа. Испытания натурного червячного механизма проводили на специально разработанном стенде.

Исследование поверхностей трения производили методами оптической микроскопии МБС - 10, на фотомикроскопе отраженного света NEOPHOT 30, а также на атомно-силовом зондовом микроскопе SOLVER 47PRO. При исследовании использовались твердомеры ТШ-2М, ТК-14-250, ПМТ-3, аналитические весы ВЛА – 200 г. - М.

Для оценки результатов исследований применяли методы математической статистики. Экспериментальные зависимости обрабатывались с использованием регрессионного анализа.

Глава 4 посвящена разработке трибосистемы стальной червячной передачи. Решается комплексная задача выбора конструкционных материалов пары трения и разработки смазочного материала для обеспечения совместимой трибосистемы.

Так как исследуемая пара трения рассматривается для применения в червячной передаче, поэтому для ведущего элемента принимаем существующий материал червяка: сталь 45, который имеет место в серийно выпускаемых червячных редукторах типа «Ч». После изготовления червяка из нормализованной стали 45, в условиях поставки, материал улучшается для приобретения высоких качеств износостойкости и прочности (твердость НВ 400 – 420), в тоже время со снятыми внутренними напряжениями детали. Исследования А.П. Семенова, И.Э. Виноградовой, Б.Х. Сомина, С.Л. Мацкевича, М.Д. Безбородько и др. ученых показывают, что наиболее высокие триботехнические результаты наблюдаются для  хромистых сталей: 30ХГТ, 40Х, 40ХН, 40ХМ, 40ХНМА, 40ХНМФ, 45Х и др. Известно, что содержание хрома в металле увеличивает энергию активации и оказывает значительное влияние на электрохимический потенциал в процессе трения, который препятствует окислению стали. На первом этапе для изготовления ведомого элемента (червячного колеса) принимаем широко используемую не дефицитную хромистую сталь 40Х. Причем сталь 40Х выбрана мартенситного происхождения, так как при закалке в этом состоянии повышается истинная пластичность, сопротивление хрупкому разрушению и возрастает сопротивление вязкому разрушению. В данном случае после закалки проводим низкий отпуск стали 40Х для высокой износостойкости материала, при этом сохраняется мелкоигольчатая структура мартенсита, так как содержание углерода < 0,5 %С. Важно отметить, что твердость ведомого элемента исследуемой пары трения принята НВ2 365380, а ведущего элемента: НВ1 400 ? 425 в соответствии правила определения твердостей звеньев механических передач, где минимальная разница (НВ1 - НВ2) должна составлять НВmin 2530.

При проектировании стальной трибосистемы основную роль совместимости выполняет смазочный материал, который разрабатывается на основе базового масла. По результатам исследований в качестве базового масла принято МС-20 селективной очистки с высокой смазочной способностью, достаточной стабильностью к окислению, не агрессивное к металлам. Масло МС-20 относится к инактивным маслам, что важно для исследования свойств разрабатываемых присадок (масла ZIC G-5, И-40, ИГП-114, ТАД-17 используемых в редукторах имеют комплекс присадок).

Проведенные исследования на задиростойкость выявили наиболее активные  присадки ПАВ. Ими являются стеараты меди (CuSt),  никеля (NiSt), кобальта (CoSt), олова (SnSt). Присадки получены из солей Co(NO3)2, NiSO4, CuSO4, SnCl2 и натриевых мыл  жирных кислот RCOONa с общей формулой  (RCOO)2Me,  где Ме – Cu, Sn, Ni, Co. Введение стеаратов солей металлов Co и Ni  повышают потенциал ПАВ и в целом активность металлоплакирующей смазки. Отметим, что принятые присадки не ограничиваются только одной триботехнической функцией и поэтому стеараты металлов Cu, Sn, Ni и Co в совместимости обладают многофункциональными действиями понижающие коэффициент трения, износ и повышающие задиростойкость стальных поверхностей за счет образующихся пленок в процессе трения. Однако данный процесс конкурирует с окислением и образованием вторичных структур на поверхностях трения. На ювенильных стальных поверхностях Ni и Co соединяется с Fe, образуя твердые растворы при малых концентрациях. Данное соединение осажденных твердых оксидов на поверхностях трения понижает эффект задира, так как Co и Ni имеют высокие свойства задиростойкости.

Установлено, что эффективность действия принятых присадок может заметно изменяться в зависимости от концентрации, химического строения, полярности и поляризуемости молекул маслорастворимых ПАВ в составе смеси смазочного материала.

Глава 5 посвящена оптимизации металлоплакирующего смазочного материала и работоспособности в червячной передаче. Проводится оптимизация состава металлоплакирующего смазочного материала и исследование МСМ в червячной передаче на разработанном стенде.

Оптимизацию состава присадки в разработанном СМ проводим по критерию коэффициента трения, так как он оказывает значительное влияние на изнашивание, затем проверяем по износостойкости. При проведении данного эксперимента приняты допущения, связанные  с точностью введения  компонентов стеарата металлов в смазку % масс, так как расчетные доли по созданной матрице округлялись до величин практической реализации состава композита. В связи с этим выбран метод симплекс планирования научного эксперимента, который позволяет сделать данное допущение, так как производится анализ не только количественных оценок коэффициента трения, но и качественных оценок состояния трущихся поверхностей. В результате проведенных экспериментов получен наилучший состав смазочного материала, содержащий 1,5 % масс CuSt, 1,5% масс SnSt, 3 % масс NiSt и 1% масс CoSt, который имеет наилучшие показания коэффициента трения скольжения ? (рис.1).

Оптимальный состав металлоплакирующего смазочного материала (МСМ) имеет средний коэффициент трения ?ср = 0,012 (?min=0,005); в масле МС-20: ?ср = 0,075 (при нагрузке F > 0,5 Кн – ?ср = 0,1). Для сравнения на рис.1 приведены закономерности изменения коэффициентов трения в антифрикционной паре. Отметим, что эффект первичных задиров в стальной паре трения при использовании МСМ  наблюдается при нагрузке F = (1,3?1,4) кН и равен антифрикционной паре. В масле МС-20      задир    образуется     при нагрузке F = (0,6?1,0) кН.

По результатам экспериментов была построена линейная модель, учитывающая влияние присадок к маслу МС-20 на изнашивание:

J = 1,83 – 0,12CuSt – 0,17SnSt – 0,16NiSt – 0,12CoSt.             (5)

Рис. 1. Зависимости коэффициентов трения от нагрузки: 1 –  ст. пара без смазки; 2 –  ст. пара, МС-20; 3 – ст. пара, МСМ; 4 – пара: сталь 45 - БрОНФ10-1-1, МС-20; 5 – сталь 45 - БрОНФ10-1-1, МСМ

На изнашивание в большей степени влияют стеараты олова и никеля, причем обнаружено, что определенный процент масс содержания стеарата олова влияет на работоспособность всего смазывающего материала, так как он является триботехническим катализатором всех присадок.

Интенсивность изнашивания пары трения: сталь 45 – сталь 40Х  в МСМ уменьшается в 1,6 раза по отношению к интенсивности изнашивания этой пары, работающей в масле МС-20. Это подтверждается степенными моделями изнашивания J (мм) от пути трения L (км) при корреляции выше 0,9 вида J =A L b, где A – коэффициент пропорциональности, определяющий скорость изнашивания, b – показатель степени, характеризующий  адсорбцию и хемосорбцию присадок при трении:

Смазочный

материал

Нагрузка, Н

Эмпирическая

формула

МСМ                

88

J = 0,24L 0,4

(6)

176

J = 0,37L0,41

(7)

Масло МC-20

88

  J = 0,36L 0,32

(8)

176

  J= 0,6L 0,12.

(9)

В режиме граничного трения за счет механоактивации, сопровождающейся повышением температуры, образуются на стальных поверхностях дисперсно-композиционная металлоорганическая структура (рис.2).

АСМ (х 2000)

АСМ (х 5000)

   

Рис.2. Внешний вид стальной поверхности трения

при использовании МСМ

Толщина плакирующих пленок составляет от 90 до 140 нм. Установлено, что образование металлоорганических пленок зависит от нагрузки и температурного режима в контакте пары трения. В исследуемой смазке температурный пик и минимальный коэффициент трения совпадают, что соответствует нагрузке F = 0,8 кН, см. рис. 1 и рис.3.

Рис. 3. Зависимость температуры от нагрузки: 1 – сталь 45-сталь 40Х, МС-20; 2 - сталь 45-сталь 40Х, МСМ; 3 – сталь 45-БрАЖ9-4, МСМ; 4 - сталь 45-БрАЖ9-4, МС-20; 5 – сталь 45-БрОЦС 5-5-5, МС-20; 6 - сталь 45-БрОЦС 5-5-5, МСМ

Этот факт указывает на то, что при температуре равной 100?110 Со происходит хемосорбция с восстановлением металлов из присадок на стальные трущиеся поверхности. С этого момента устанавливается стационарный режим трения за счет самоорганизации всей трибосистемы.

Функциональная взаимосвязь коэффициента трения и нагрузки при работе пары трения: сталь 45 – сталь 40Х в разработанном смазочном материале моделируется полиноминальной зависимостью

? = - 0,002F 2 - 0,003F + 0,016,                                  (10)

а в масле МС-20

? = + 0,265F 2 - 0,24F + 0,12.                                   (11)

По данным моделям, можно предположить, что образующаяся адсорбционная пленка способствует сдвигу граничных слоев трения, а также значительно улучшает состояние поверхностных и предповерхностных слоев трущегося стального материала.

Средняя интенсивность весового изнашивания на пути трения 40 км при нагрузке F = 600 H представлена на гистограмме, рис. 4.

По результатам экспериментов можно сделать предварительные выводы. Стальная пара: сталь45 - сталь40Х, работающая в МСМ уменьшает интенсивность изнашивания в 4 раза по сравнению работы в масле МС-20 при этом на трибограмме данного испытания (машина трения СМТ-1) зафиксирован стабильный коэффициент трения равный 0,006. Средняя интенсивность изнашивания стальной пары трения равна  J = 0,1 мг/км и одинакова с  антифрикционной парой: сталь45 - БрАЖ-9-4. Однако у бронзы БрОЦС 5-5-5 интенсивность износа ниже.

Рис. 4. Интенсивность изнашивания  пар трения: 1 - сталь 45 - сталь 40Х; 2 - сталь 45 – БрАЖ 9-4; 3 - сталь 45 – БрОЦС 5-5-5

 

Исследована работоспособность МСМ в червячной передаче на специально разработанном стенде. Получены зависимости изменения коэффициента трения скольжения от передаваемого крутящего момента на ведомом валу передачи как для антифрикционного материала (сталь 45 – БрОЦС 5-5-5), так и для стальной пары трения (сталь 45 – сталь 40Х) при разных СМ (рис. 5).

Рис. 5. Влияние СМ на обобщенный коэффициент трения червячного редуктора Ч-80: 1 – бронзовое колесо, МС-20; 2 – бронзовое колесо, МСМ; 3 – стальное колесо, МС-20; 4 – стальное колесо, МСМ

Необходимо отметить, что влияние МСМ на стальную пару трения червячной передачи существенно. Коэффициент трения скольжения в сравнении с маслом МС-20 при передаваемом моменте 100 Нм меньше в 2,3 раза. Разница коэффициентов трения между антифрикционной и стальной парами трения при моменте 100 Нм составляет 0,08, что меньше в 1,7 раза. Изменение коэффициентов трения ? от момента на колесе М2 червячной передачи описываются полиноминальными моделями.

Для стальной пары:                

МС–20 – ? = 4,15.10-5М22- 0,0053М2 + 0,26,                     (12)

МСМ –   ? = 3,015.10-5М22- 0,005М2 + 0,23.                     (13)

Для антифрикционной пары:

МС-20 -  ? = 4,22.10-5М22- 0,006М2 + 0,23,                      (14)

МСМ –   ? = 3,27.10-5М22- 0,004М2 + 0,18.                (15)

Таким образом, видно, что коэффициенты трения в стальной паре  червячной передачи в совместимости с разработанным СМ имеют значения меньше аналогичных показателей в антифрикционной паре с момента равного 60 Нм, что подтверждается расчетами по моделям (12?15).

Экспериментальным и расчетным путем получены закономерности изменения к.п.д. червячного зацепления для стальной пары трения: сталь 45 – сталь 40Х, рис. 6 и для сравнения приведены закономерности изменения к.п.д. в антифрикционной паре трения, рис. 7.

Рис. 6. Влияние СМ на коэффициент полезного действия червячной стальной пары редуктора Ч-80: 1 – МС-20; 2 – МСМ

Рис. 7. Влияние вида СМ на коэффициент полезного действия червячной бронзовой пары редуктора Ч-80: 1 –МС-20; 2 – МСМ

Для стальной червячной пары трения работающей в МСМ к.п.д. выше, чем при смазке маслом МС-20 и эта разница составляет 47%  при передаваемом моменте М2 на ведомом валу с 80 Нм. Можно с удовлетворением отметить, что к.п.д. стальной червячной пары работающей при нагрузке М2 ? 100 Нм практически равно к.п.д. антифрикционной пары. Статистическими вычислениями получены полиноминальные модели к.п.д. для стальной червячной пары в МСМ:

?ЧЗ =- 0,9.10-4М22 + 0,015М2 + 0,13,                     (16)

в масле МС-20:

?ЧЗ = - 0,68.10-4М22 + 0,008М2 + 0,21.                     (17)

Значения величин коэффициентов  регрессионных уравнений доказывают значимость разработанного СМ в стальной паре трения. Производственными испытаниями установлено, что эксплуатация червячной как антифрикционной, так и стальной пары в разработанном СМ дает экономию электроэнергии около 14 %, что составляет 0,77 руб. за 1 кВт. Замена бронзы на сталь уменьшает стоимость материала и изготовления  червячного колеса в 11,6 раза. Данные показатели подтверждаются актами испытаний модифицированных червячных передач в машинах текстильной и машиностроительной отраслях промышленности.

 

Основные результаты и выводы:

  1. Разработана теоретическая концепция, описывающая действие смазочных материалов с присадками класса металлических мыл в условиях контакта стальной пары трения.
  2. Предложен безразмерный критерий задиростойкости пар трения со смазочным слоем, позволяющий обосновать выбор эффективной  присадки смазочного материала.
  3. На основе испытаний ряда присадок класса металлических мыл и результатов расчета предложенного критерия разработан металлоплакирующий смазочный материал для повышения задиростойкости принятой стальной пары трения (сталь 45 – сталь 40Х), в состав которой входят маслорастворимые стеараты металлов:   CoSt, NiSt, CuSt, SnSt.
  4. Экспериментально установлен оптимальный состав присадок смазочного материала и получены закономерности триботехнических показателей. Исследованиями характеристик поверхностей трения на зондовом атомно-силовом микроскопе SOLVER 47PRO обнаружены адсорбционные металлоорганические пленки на стальных поверхностях в среднем толщиной 120 нм, в составе которых рентгеновскими характеристическими излучениями обнаружены восстановленные металлы присадок Cu, Sn, Ni и Co. Микрорельеф стальной поверхности трения в МСМ значительно улучшился и в установившемся режиме шероховатость составляет Ra=0,035 мкм.
  5. Создан специальный экспериментальный стенд для испытания червячной передачи с различными трущимися и смазочными материалами при варьируемых эксплуатационных режимах.
  6. Стендовые испытания МСМ в червячной передаче показали высокую работоспособность стальной пары трения, которые характеризуются низким коэффициентом трения скольжения  и к.п.д. практически равным бронзовой паре трения. 
  7. Проведены производственные испытания новых технических решений в редукторах типа «Ч», которые показали экономию энергозатрат в пределах 14%, что подтверждено актами  испытаний. Применение МСМ в червячной передаче, изготовленной из конструкционных сталей, в редукторах типа «Ч» даст технико-экономический эффект, заключающийся в увеличении прочности зубьев, в уменьшении стоимости материала и изготовления червячного колеса (в 11,6 раза) и потребления электроэнергии при эксплуатации в размере 0,77 руб. за 1 кВт.

 

Основное содержание диссертации отражено

в следующих публикациях

  1. Киселев Б.Р., Березин К.Г., Замятина Н.И. Влияние ферромагнитных присадок на работоспособность смазочных материалов при фрикционном контакте стальных образцов // Трение и смазка в машинах и механизмах. – 2010. — № 4. — С.  27–32. (автора – 0,16 п.л.)
  2. Березин К.Г., Егоров С.А., Замятина Н.И., Киселев Б.Р., Комарова Т.Г. Влияние процессов деструкции на работоспособность смазочной композиции // Известия вузов. Химия и химическая технология. — 2010. — Т. 53. — №9.— С 116-119. (автора – 0,05 п.л.)
  3. Киселев Б.Р., Егоров С.А., Березин К.Г. Исследование износостойкости стальной пары трения в смазочной композиции, содержащей стеараты металлов // Трение и смазка в машинах и механизмах. — 2010. — № 7. — С. 25—28.(0,325 п.л., автора – 0,1 п.л.)
  4. Киселев Б.Р., Березин К.Г., Егоров С.А., Алешин Р.Р. Повышение работоспособности червячных механизмов применением металлоплакирующих смазок // Известия вузов. Технология текстильной промышленности. — 2010. Т.54  — С. 93 — 98. (автора – 0,09 п.л.)
  5. Березин К.Г., Годлевский В.А., Киселев Б.Р., Магницкий А.О. Построение безразмерного критерия для оценки антизадирных свойств поверхностно-активных смазочных материалов // Современные наукоемкие технологии. Региональное приложение. —2010. — № 4.  – С. 67—72. (автора – 0,06 п.л.)
  6. Березин К.Г. Влияние критериев работоспособности на КПД червячной пары трения. Молодая наука в классическом университете: тезисы докладов научных конференций фестиваля студентов, аспирантов и молодых ученых, Иваново 21—25 апреля 2008 г.:  в 8 ч. – Иваново : Иван. гос. ун-т, 2008. Ч. 8. С. 62—63 (автора – 0,025 п.л.).
  7. Киселев Б.Р., Березин К.Г. Прогнозирование адекватных условий проведения эксперимента при исследовании триботехнических показателей червячного механизма. // Физика, химия и механика трибосистем: Межвуз. сб. науч. тр. / под ред. В.Н. Латышева. — Иваново : Иван. гос. ун-т, 2008. –  Вып. 7. — С. 139–142.(автора – 0,1 п.л.)
  8. Киселев Б.Р., Березин К.Г. Трибоактивные металлоплакирующие присадки к маслам для трения стальных поверхностей. // Материаловедение и надежность триботехнических систем: межвуз. сб. науч. тр. / Под ред. В.А. Годлевского, Б.Р. Киселева. — Иваново: Изд-во ИГХТУ, 2009. – С. 29 — 34.(автора – 0,12 п.л.)
  9. Киселев Б.Р., Березин К.Г., Егоров С.А. Оптимизация комплексного состава металлоплакирующих присадок в смазке червячных передач. Физика, химия и механика трибосистем: межвуз. сб. науч. тр. / под ред. В.Н. Латышева. – Иваново : Иван. гос. ун-т, 2009. – Вып.8. – С. 166-171. (автора – 0,1 п.л.)
  10. Егоров С.А., Киселев Б.Р., Березин К.Г. Оптимизация составов смазочных материалов реализующих эффект безызносности // Современные наукоемкие технологии и перспективные материалы текстильной и легкой промышленности: сборник материалов международной научно-технической конференции. Ч. 1. – Иваново : ИГТА, 2010. — С. 257. (автора – 0,008 п.л.)
  11. Киселев Б.Р., Березин К.Г., Ковалев М.С. Ресурсосберегающие смазочные композиции для червячных передач // Сб. трудов IX Международной научной конференции «Теоретические основы энерго-ресурсосберегающих процессов, оборудования и экологически безопасных производств» / Под ред. В.Н. Блиничева. — Иваново : ИГХТУ, 2010. — С. 97—102. (автора – 0,07 п.л.)
  12. Киселев Б.Р., Березин К.Г., Егоров С.А. Разработка композиционной смазки для стальной червячной передачи. // Материалы докладов научно-технической конференции «Трибология — машиностроению». М., 2010. — С. 66—67. — (автора – 0,01 п.л.).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 


 

 

 

 

 

 

 

БЕРЕЗИН Константин Геннадьевич

 

ПОВЫШЕНИЕ ЗАДИРОСТОЙКОСТИ

ФРИКЦИОННОГО КОНТАКТА

ЧЕРВЯЧНОЙ ПАРЫ ТРЕНИЯ

 

 

Специальность 05.02.04 — Трение и износ в машинах

Автореферат  диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Отпечатано с оригинала макета, представленного автором

Подписано в печать: ____________

Формат 60?84 1/16. Бумага писчая. Печать плоская. Заказ №

Усл. печ.л.1.16 Уч.-изд. л.0.9. Тираж – 100 экз.

Издательство «___________________________________»

____________________________________________

 
Авторефераты по темам  >>  Разные специальности - [часть 1]  [часть 2]



© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.