Способ оценки противозадирных и противоизносных свойств смазочного материала

(51) МПК (2006) НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ СПОСОБ ОЦЕНКИ ПРОТИВОЗАДИРНЫХ И ПРОТИВОИЗНОСНЫХ СВОЙСТВ СМАЗОЧНОГО МАТЕРИАЛА(71) Заявитель Учреждение образования Белорусский государственный университет транспорта(72) Авторы Короткевич Сергей Васильевич Холодилов Олег Викторович Кравченко Владимир Владимирович Бобович Сергей Олегович(73) Патентообладатель Учреждение образования Белорусский государственный университет транспорта(57) Способ оценки противозадирных и противоизносных свойств смазочного материала путем помещения смазочного материала в трибосопряжение, относительного перемещения в трибосопряжении с заданной скоростью, приложения заданного ряда нагрузок к трибосопряжению и определения величин критических нагрузок, по которым оценивают противоизносные и противозадирные свойства смазочного материала, отличающийся тем, что предварительно в статике осуществляют ступенчатое в соответствии с заданным рядом нагружение трибосопряжения без смазочного материала, на каждой ступени нагрузки на трибосопряжение воздействуют электрическим током и регистрируют величину контактного сопротивления между элементами трибосопряжения, затем задают относительное перемещение в трибосопряжении с нанесенным смазочным материалом с заданной скоростью и заданным рядом нагружения, на каждой ступени нагрузки на трибосопряжение воздействуют электрическим током и регистрируют величину контактного сопротивления, сравнивают величины контактного сопротивления, полученные при перемещении в трибосопряжении со смазочным материалом, с величинами контактного сопротивления без смазочного материала, определяют критическую нагрузку, при которой происходит снижение верхней границы контактного сопротивления со смазочным материалом до уровня, характерного для трибосопряжения без смазочного материала, по величине которой оценивают противоизносные свойства смазочного материала, а противозадирные свойства смазочного материала оценивают по величине критической нагрузки,которую определяют по предельному увеличению флуктуаций контактного сопротивления. Изобретение относится к области способов оценки противозадирных и противоизносных свойств смазочных материалов (СМ) различного функционального назначения (моторные, трансмиссионные масла и пластичные смазки) и может использоваться в нефтехимической промышленности при их синтезе, для установления триботехнической эффективности присадок, а также в машиностроении для оперативной диагностики узлов трения по состоянию граничного смазочного слоя. 11306 1 2008.10.30 Основная функция СМ состоит в образовании прочной тончайшей пленки на поверхностях трущихся деталей граничного смазочного слоя, исключающей прямой контакт между микронеровностями, а также снижении износа сопряженных поверхностей за счет низкой прочности на сдвиг между молекулами СМ. Противозадирные свойства СМ, а именно состояние граничного смазочного слоя определяет долговечность и надежность эксплуатации узла трения. Проведенный патентно-информационный поиск и анализ способов оценки физико-механических характеристик СМ показывает, что в области трибологических испытаний, связанных с оценкой противоизносной и противозадирной стойкости моторных и трансмиссионных масел имеется ряд проблем 1. Подбор и оценка триботехнической эффективности СМ производится посредством лабораторных, стендовых и пробеговых испытаний на полигоне, что требует значительных материальных и временных затрат. Нагрузочно-скоростные режимы лабораторных испытаний стремятся привести в соответствие с условиями, реализуемыми при эксплуатации узлов трения. Однако получаемые результаты не всегда согласуются с результатами стендовых и пробеговых испытаний. Триботехнические характеристики (индекс задира,нагрузка сваривания, показатель износа при осевой нагрузке), определяемые на четырехшариковой машине трения (ЧШМ) по ГОСТ 9490-75, нормированы стандартами и техническими условиями для многих моторных масел. Так, например, при испытаниях моторных масел их противоизносные свойства масел оценивают по потере массы поршневых колец, задиру или питтингу кулачков и толкателей, линейному износу этих деталей и цилиндров, состоянию поверхностей трения. 2. Использование импортных СМ в узлах отечественной техники осуществляется не всегда корректно, поскольку характеристики этих масел не всегда совпадают с требованиями эксплуатации конкретных узлов трения тех или иных механизмов. Такое несовпадение кроется в различии методик оценки триботехнических характеристик масел. Отечественные стенды и зарубежные имеют существенные отличия, как по конструкции,так и по условиям проведения испытаний. Для оценки противозадирных свойств Европейским Координационным советом стандартизован метод СЕС-07 А-85 и используется стенд( 51354). В Великобритании используется аналогичный метод испытаний и стенд(- в соответствии с 166). В США используется стенд Райдера(1947). Нагружение на всех стендах ведут со ступенчато увеличивающейся нагрузкой до наступления заедания. Для анализа эксплуатационных свойств трансмиссионных масел используют ведущий мост армейского грузовика Додж (стенд 37). Испытания ведут на новом комплекте шестерен. Противозадирные свойства при высоких скоростях и больших ударных нагрузках оценивают на ведущем мосту автомобиля Спайсер (стенд 42). Резкое торможение вращающихся при больших скоростях масс ведет к возникновению ударных нагрузок в местах контакта зубьев шестерен. Разнообразие лабораторных методов исследования и дорогостоящих стендовых испытаний масел с учетом различных спецификаций таких фирм-производителей техники, как , , -, ,и др., не дает возможности однозначной трактовки противозадирных свойств используемого масла. Перед разработчиками СМ и конструкторами стоит задача создания экспресс-методов и критериев комплексной оценки триботехнических характеристик СМ. Известен способ определения смазывающей способности масел 1, заключающийся в том, что эксплуатируют пару трения в присутствии СМ, пропускают через нее электрический ток от внешнего источника постоянного тока и измеряют его величину сначала при неподвижной паре трения, а затем при установившемся режиме трения в течение 90 мин. При этом измеряют величину тока за период от начала испытания до стабилизации его значения при установившемся режиме трения в зависимости от времени трения, нагрузки,скорости скольжения, механических свойств материалов пары трения и температуры масла. Строят графические зависимости величины тока от времени и оценивают смазочную способность масла по параметрам приспосабливаемости, скорости приспосабливаемости масла к данным условиям трения и коэффициенту совместимости масла. Достоинством 2 11306 1 2008.10.30 способа является определение оптимальных нагрузочно-скоростных режимов эксплуатации СМ по скорости приспосабливаемости масла и коэффициенту совместимости для выбранных пар трения. Недостатками способа являются 1 - отсутствие связи коэффициента совместимости масла с такими общепринятыми характеристиками как критическая нагрузка, индекс задира, нагрузка сваривания, показатель износа при осевой нагрузке, определяемыми на ЧШМ 2 - не конкретизирована такая характеристика, как коэффициент совместимости масла, и не раскрыта сущность физико-химических процессов, которые она описывает 3 - использование ртутно-амальгамированного токосъемника, который ограничивает нагрузочно-скоростные режимы испытания. Например, даже малая несоосность обращения ролика и вращающейся части токосъемника, вызывает несинхронность вращения и приводит к скручиванию токосъемника из-за возникновения момента инерции 4 - сравнение масел по коэффициенту совместимости носит качественный характер, что ставит под сомнение достоверность получаемых результатов. Известен способ оценки противозадирных свойств СМ на машине(3233) по схеме палец - диск, заключающийся в оценке площади контакта с использованием метода электрофизического зондирования. В способе 2 для характеристики противозадирных свойств ГСС различной химической природы предложено использовать отношение площади контакта к нагрузке (в процентах). Площадь контакта сопряженных тел определяется по величине регистрируемого контактного сопротивления. Данный способ нашел свое применение для оценки триботехнической эффективности противозадирных присадок. Недостатком способа является то, что схема испытания позволяет реализовать только точечный, а не множественный контакт. Площадь контакта при равных нагрузочноскоростных режимах испытаний для точечного и множественного контактов определяет прочность на срез межмолекулярных связей ГСС и, следовательно, температуру в зоне контакта, которая в свою очередь обусловливает целый комплекс физико-химических процессов физическую адсорбцию и хемосорбцию молекул масла, срабатывание присадок и окисление СМ, окисление, диспергирование и износ поверхности трения приводящий к задиру и схватыванию. Поэтому результаты испытаний СМ по данному стандарту будут отличаться от результатов натурных испытаний. Наиболее близким к заявляемому способу по технической сущности и достигаемому результату является способ оценки противоизносных и противозадирных свойств СМ, путем размещения СМ в трибосопряжение, относительного перемещения в трибосопряжении с заданной скоростью, приложения заданного ряда нагрузок к трибосопряжению определения величин критических нагрузок, по которым оценивают противоизносные и противозадирные свойства СМ 3. При этом критическую нагрузку определяют по величине, при которой средний диаметр пятен износа нижних шариков находится в пределах значений предельного износа для данной нагрузки и увеличение которой до последующей ступени нагрузки вызывает увеличение среднего диаметра пятен износа на 0,1 мм. В этом методе реализована схема контакта четыре шара - точечный контакт. Основные недостатки известного способа методическая сложность его реализации и низкая оперативность, связанная с потерей времени на разборку узла трения и определение диаметра пятен износа шаров после каждой ступени ряда нагружения отсутствие информации о состоянии масла и кинетики протекания физикохимических процессов в ГСС (толщина, механическая и термическая деструкция, окисление масла и срабатывание присадок и т.д.) испытываемого СМ невозможность использования в реальных узлах трения для их оперативной диагностики по состоянию ГСС, что приводит к несоответствию результатов лабораторных,стендовых и полигонных испытаний противозадирных свойств СМ. 3 11306 1 2008.10.30 Задача изобретения - повышение точности и информативности оценки противозадирных и противоизносных свойств СМ путем использования в качестве информативного параметра контактного сопротивления , расширение функциональных возможностей и упрощение способа за счет расширения возможных схем контакта, реализуемых в узле трения шар - плоскость, перекрещенные цилиндры, ролик - плоскость, ролик - сегмент(частичный вкладыш), палец - диск, получения информации непосредственно из зоны контакта без разборки узла трения после каждой ступени нагружения. Решение поставленной задачи достигается тем, что в способе определения противоизносных и противозадирных свойств СМ, путем помещения СМ в трибосопряжение, относительного перемещения в трибосопряжении с заданной скоростью, приложения заданного ряда нагрузок к трибосопряжению, определения величин критических нагрузок,по которым оценивают противоизносные и противозадирные свойства СМ, предварительно в статике осуществляют ступенчатое в соответствии с заданным рядом нагружение трибосопряжения без СМ, на каждой ступени нагрузки воздействуют электрическим током, при этом регистрируют величину контактного сопротивления между элементами трибосопряжения, затем задают относительное перемещение в трибосопряжении с нанесенным СМ с заданной скоростью и заданным рядом нагружения, на каждой ступени нагрузки на трибосопряжение воздействуют электрическим током и регистрируют величину контактного сопротивления, сравнивают величины контактного сопротивления, полученные при перемещении в трибосопряжении со СМ, с величинами контактного сопротивления без СМ, определяют критическую нагрузку, при которой происходит снижение верхней границы контактного сопротивления до уровня характерного для трибосопряжения без СМ, по величине которой оценивают противоизносные свойства СМ, а противозадирные свойства СМ оценивают по величине критической нагрузки, которую определяют по предельному увеличению флуктуации контактного сопротивления. Точность и информативность оценки противозадирных и противоизносных свойств СМ повышается за счет использования в качестве информативного параметра - контактное сопротивление в трибосопряжении расширение функциональных возможностей и упрощение способа имеет место за счет получения информации непосредственно из зоны контакта без разборки трибосопряжения после каждой ступени нагружения. Значение контактного сопротивления рассчитывается непосредственно по значению падения напряжения в трибосопряжении, исходя из параметров электрической схемы. Физической основой предлагаемого способа является то, что толщина ГСС в зоне трения обусловливает величину тока между контактными поверхностями тел и регистрируемого значения контактного сопротивления . Формирование и срабатывание ГСС,переход от физической адсорбции к хемосорбции (фазовый переход первого рода) и др. процессы приводят к изменению его структуры и толщины и, следовательно, величины контактного сопротивления. Регистрация нижней границы контактного сопротивления позволяет оценивать толщину сформировавшегося ГСС. Увеличение контактного давления и срабатывание присадок приводят к утонению ГСС и снижению величины контактного сопротивления. Снижение нижней границы контактного сопротивления до уровня металлической проводимости характерной для сухого контакта без СМ позволяет оценивать время начала изнашивания ГСС. В дальнейшем нарушение сплошности ГСС и появление микропятен в зоне трения вызывают снижение верхней границы контактного сопротивления до уровня металлической проводимости, характерной для сухого контакта без СМ, что позволяет оценивать его противоизносные свойства. Например, для схемы испытаний ролик (сталь ШХ 15) - сегмент (сталь ШХ 15) величина контактного сопротивления составляет 0,0100,005 Ом. Появление частиц изнашивания при критической нагрузке в зоне трения и разделение ими контактных поверхностей обусловливает предельное увеличение флуктуации регистрируемого контактного сопротивления до 6-106 Ом(верхняя граница диапазона измерения электрической схемы). 4 11306 1 2008.10.30 Отличительным признаком способа является то, что регистрация контактного сопротивления ГСС в режиме реального времени позволяет точно определить состояние слоя и момент его разрушения, а также осуществлять контроль состояния трибосопряжения и управлять режимами его эксплуатации. Способ осуществлялся на лабораторной машине трения СМТ-1 по схеме ролик - частичный вкладыш (сталь 45) (ИСО 7148-21999) (множественный контакт). Все регистрируемые параметры обрабатывались с использованием программного обеспечения. Пример осуществления способа. Объекты исследований дистиллированная вода, вазелиновое масло, гудрон, моторные масла 10-40/ полусинтетика, ТНК 10-40/ полусинтетика,10-40/ синтетика. Противозадирные и противоизносные свойства ГСС исследовались по зависимостям регистрируемого значения контактного сопротивления от нагрузки. Линейная скорость относительного перемещения подвижного электрода - ролика составляла 0,5 м/с. Площадь внешнего электрода - вкладыша составляла 210-4 м 2. Поверхности вкладыша и ролика(сталь 45) предварительно обрабатывались (шлифовали и полировали) до 12 класса шероховатости (0,04 мкм). Номинальное контактное давление находилось в диапазоне 0,110 МПа. В таблице приведены средние значения регистрируемых параметров. Экспериментально установлено, что по степени повышения величины критического контактного давления, при котором происходит снижение величины верхней границы контактного сопротивления, до уровня характерного для исходной поверхности без СМ,по величине которой оценивают его противоизносные свойства, исследованные вещества можно расположить в ряд дистиллированная вода (Ркр 0,5 МПа),10-40(Ркр 7 МПа). Экспериментально установлено, что по степени повышения величины критического контактного давления, при котором происходит предельное увеличение флуктуации значений контактного сопротивления по величине которого оценивают его противозадирные свойства, исследованные вещества можно расположить в ряд дистиллированная вода(Ркр 7 МПа), гудрон (Ркр 8 МПа), ТНК 10-40/ полусинтетика (Ркр 9 МПа),10-40/ (к 9 МПа). Результаты оценки триботехнической эффективности СМ с использованием методов электрофизического зондирования, полученные на лабораторных установках, согласуются с результатами стендовых и эксплуатационных испытаний, что подтверждает их объективность и информативность. Оценка противоизносной и противозадирной стойкости СМ Средние значения Материал парамет- 0,5 ров Без СМ Приведенные выше данные свидетельствуют о следующих преимуществах заявляемого способа по сравнению с прототипом 1) определение противозадирных свойств СМ при различных схемах контакта тел узла трения шар - плоскость, перекрещенные цилиндры, ролик - плоскость, ролик - сегмент(частичный вкладыш), палец - диск, в широком диапазоне нагрузочно-скоростных параметров, расширяет функциональные возможности способа 2) получение информации об электропроводимости ГСС непосредственно из зоны трения позволяет оценивать их состояние и толщину до наступления задира поверхностей,что повышает точность способа 3) анализ состояния поверхности с синхронной регистрацией контактного сопротивления и нагрузки позволяет диагностировать и управлять эксплуатацией узла трения 4) новый способ более информативный, т.к. позволяет наблюдать в режиме реального времени кинетику формирования и разрушения ГСС и присадок непосредственно в процессе трения. Предлагаемый способ оценки противозадирных и противоизносных свойств СМ был испытан при подборе смазочных масел и присадок к ним для редукторов кормоуборочных комбайнов на ПО Гомсельмаш и показал высокую эффективность, что подтверждает соответствие заявляемого технического решения критерию промышленная применимость. Источники информации 1. Патент РФ 2186386 С 1, МПК 01 33/30, 3/56, 2002. 2. Патент США 3,281, 358. 3. ГОСТ 9490-75. Материалы смазочные, жидкие и пластичные. Метод определения смазывающих свойств на четырехшариковой машине (прототип). Зарубежные аналоги 2596-69,2783-71,2266- 67,51 350. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 6