ТРИБОЛОГИЧЕСКИЕ ИСПЫТАНИЯ БИНАРНЫХ МАТЕРИАЛОВ ДЛЯ ТЯЖЕЛОНАГРУЖЕННЫХ УЗЛОВ ТРЕНИЯ

 

Иваночкин П.Г., Кравченко В.Н., Сычев А.П., Челохьян А.В.

(РГУПС, г. Ростов-на-Дону, РФ)

 

Results of  tribology tests of binary materials perspective for use in knots of a friction cargo and carriages are presented. Results of tests allow to draw a conclusion that use of binary materials in the conditions of the limited greasing or in the conditions of "a dry" friction will essentially raise a resource of work of knots of a friction of a rolling stock and will simplify service and repair of corresponding knots.

 

Одним из путей повышения надежности, долговечности и экономичности материалов узлов трения является разработка и применение различных композиционных материалов. Имеется широкая и разнообразная по способу реализации группа, в которой основную нагрузку берет на себя металл (сталь, латунь, бронза), а высокие антифрикционные характеристики обеспечиваются твердым смазочным материалом, расположенным в пазах, углублениях, отверстиях перфорации. В другой группе твердый смазочный материал заполняет все пространство между элементами сетки, закрепленной на металлической подложке. Серийное производство материалов такого типа на территории России отсутствует. Будем называть эту группу материалов бинарными [1]. С нашей точки зрения эти материалы весьма перспективны для использования в тяжелонагруженных узлах трения грузовых и пассажирских вагонов, где износ может превышать 0,1-0,2 мм и более.

Прорабатывается возможность применения бинарных материалов с использованием в качестве твердой смазки ПТФЭ при восстановлении таких узлов трения грузовых вагонов, как втулка тормозного башмака, букса колесной пары и боковины тележки грузового вагона.

Эффективность использования разрабатываемых бинарных материалов основана на формировании пленки фрикционного переноса на поверхности контртела, которая предотвращает задиры и схватывания при работе без смазки или прекращении ее подачи. Непрерывное возобновление пленки фрикционного переноса на рабочих поверхностях подшипника может быть осуществлено контактным смазыванием. Этот способ заключается в переносе твердой смазки на контактирующую с ним металлическую поверхность непрерывным намазыванием или непрерывной подачей в малых дозах твердого смазочного материала путем введения в конструкцию узла трения специальных смазочных элементов.

Связь нанесенных пленок с материалом контртела обеспечивается за счет сил механического сцепления с микрорельефом и сил адгезионного взаимодействия. В процессе трения смазочные пленки разрушаются вследствие постепенного истирания или резкого изменения их свойств, когда превышаются некоторые критические значения нагрузки, скорости, температуры.

Для бинарных материалов остро стоит проблема надежного закрепления материала твердой смазки в отверстиях и углублениях силового каркаса, воспринимающего механическую нагрузку, что определяется адгезионным взаимодействием поверхности твердого смазочного вещества с адгезивом.

Для низкополярных полимеров к которым относится ПТФЭ, единственной возможностью создания прочного адгезионного соединения является модифицирование поверхности. С целью повышения прочностных характеристик клеевого соединения модифицированной поверхности ПТФЭ с поверхностью металла оптимизированы условия и время обработки тлеющим разрядом в среде остаточного воздуха [2].

С целью подтвердить эффективность использования бинарных материалов в узлах трения подвижного состава были проведены лабораторные трибологические испытания полученных образцов

Для проведения испытаний разработанных бинарных материалов использовалась модернизированная машине трения СМТ-1, испытания проводились по схеме «вал – частичный вкладыш». Испытания исследуемых трибосопряжений проводили без подвода внешней смазки, т.е. в условиях «сухого» трения. Этот режим был выбран, как наиболее тяжелый в практике эксплуатации узлов трения.

Из Бр ОЦС 5-5-5, БрАЖ 9-4 и бинарных материалов на их основе (соответственно БМ Бр ОЦС 5-5-5 и БМ БрАЖ 9-4) были изготовлены втулки наружным диаметром 60 мм, внутренним – 40 мм, и шириной 15 мм. Из полученных втулок вырезался сегмент («колодка») с площадью трущейся поверхности  м2 (т.е. сектор 60° из втулки). Ролики изготавливались из Ст. 45, Rа 0,1-0,15 диаметром 40 мм, шириной 10 мм.

Испытания проводились при нагрузках 1,0 МПа, 2,0 МПа, 3,0 МПа, 4,0 МПа и 5,5 МПа. Все эксперименты проводились при постоянной скорости скольжения 0,15 м/с.

Приработка поверхностей трения производилась до достижения величины приработанной области не менее 90% всей рабочей поверхности образца. Качество приработки оценивалось визуально.

В процессе испытаний измерялись коэффициент трения и износ испытываемых образцов.

На одной нагрузке эксперимент проводился в течение двадцати часов. Затем измерялся весовой износ образца Dm с помощью весов лабораторных электронных ЛВ-210А. Погрешность измерений составляет ±0,4 мг. Износ определялся усреднением данных трех экспериментов при фиксированной нагрузке и скорости.

Для расчёта линейной интенсивности изнашивания использовалась формула

                                                                                   

где  Dm  –   износ материала за время испытания Dt, г; r – плотность истираемого материала, г/см3; Aa –  площадь поверхности трения истираемого элемента, см2; L      – путь трения за время Dt, м.

Путь трения вычисляется по формуле         

где     v  –   скорость скольжения, м/с; Dt         – время проведения испытаний, с.

Результаты испытаний приведены на рисунках 1–3 и в таблице 1.

Рисунок 1 – Зависимость коэффициента трения и линейной интенсивности изнашивания БрАЖ 9-4 и БМ БрАЖ 9-4 от нагрузки

Рисунок 2 – Зависимость коэффициента трения и линейной интенсивности изнашивания Бр ОЦС 5-5-5 и БМ Бр ОЦС 5-5-5 от нагрузки

Рисунок 3 – Зависимость линейной интенсивности изнашивания
БМ БрАЖ 9-4 и БМ Бр ОЦС 5-5-5 от нагрузки

 

В таблице 1 приведены зависимости коэффициентов трения и линейной интенсивности изнашивания Бр ОЦС 5-5-5, БрАЖ 9-4 и бинарных материалов на их основе (БМ Бр ОЦС 5-5-5 и БМ БрАЖ 9-4) от нагрузки при фиксированной скорости относительного скольжения 0,15 м/с.

 

Таблица 1 – Зависимость коэффициента трения и линейной интенсивности изнашивания  от нагрузки для исследуемых сопряжений без подачи внешней смазки

Исследуемый материал

Нагрузка, МПа

1,0

2,0

3,0

4,0

5,5

Бр ОЦС 5-5-5

f

0,29

0,27

0,24

0,22

´

1129

1265

1582

2765

´

БМ Бр ОЦС 5-5-5

f

0,35

0,34

0,32

0,3

0,27

3,21

4,55

5,83

8,98

32,86

БрАЖ 9-4

f

0,55

0,5

0,39

0,33

´

214

236

283

514

´

БМ БрАЖ 9-4

f

0,22

0,2

0,16

0,14

0,12

2,9

3,12

4,92

5,45

5,9

´ – катастрофический износ материала.

 

Характер изменения коэффициента трения бинарных материалов по сравнению с исходными бронзами зависит от состава бронзы. Коэффициент трения БМ Бр ОЦС 5-5-5 выше, чем коэффициент трения Бр ОЦС 5-5-5, а коэффициент трения БМ БрАЖ 9-4 гораздо ниже коэффициента трения БрАЖ 9-4. Из приведенных данных следует, что у бинарных материалов линейная интенсивность изнашивания значительно меньше (на несколько порядков), чем у исходных бронз. Состав бронз, на основе которых получены бинарные материалы, также оказывает существенное влияние и на их износостойкость, особенно в области больших нагрузок.

Резюмируя вышеизложенное можно утверждать, что использование бинарных материалов в условиях ограниченной смазки или в условиях «сухого» трения существенно повысит ресурс работы узлов трения подвижного состава и упростит обслуживание и ремонт соответствующих узлов.

Литература

1.      Рубин, М.Б. Подшипники в судовой технике: Справочник / М.Б. Рубин, В.Е. Бахарева – Л.: Судостроение, 1987. – 344 с.

2.      Иваночкин, П.Г. Влияние модификации компонентов самосмазывающегося композита на его трибологические характеристики в контексте задачи оптимального проектирования подшипника скольжения / П.Г. Иваночкин, Н.А. Мясникова, А.П. Сычев, Б.М. Флек // Новые материалы и технологии в машиностроении: сб. научн. тр. по итогам междунар. научн.-техн. конф. Вып. 5.– Брянск: БГИТА, 2006. С. 59 – 62.

 

Работа выполнена при поддержке РФФИ (грант 09-08-01195)