О ВЛИЯНИИ СОСТАВА ПОДШИПНИКОВЫХ СПЛАВОВ НА НЕСУЩУЮ СПОСОБНОСТЬ МАСЛЯНОГО СЛОЯ

 

Зелинский В.В., Карпов А.В. (МИ ВлГУ, г. Муром, РФ)

 

The connection is determined between tribocontact parameters in running-in.

 

В условиях, имитирующих работу подшипника скольжения со смазкой, проводились исследование и оценка характеристик процесса приработки образцов подшипниковых сплавов АО3-1, АО9-1, АО20-1, АО30-1, АО40-1, АО50-1, отличающихся содержанием олова (от 3 до 50% по весу). Данные сплавы имеют микроструктуру равномерно распределенной мягкой оловянной составляющей (МС) в твердой алюминиевой основе (ТО). Оценивалось влияние количественного содержания МС на нагрузку заедания, температуру и коэффициент трения, плотность дислокаций, глубину распространения пластической деформации, уровень «равновесной» шероховатости поверхности, динамику развития повреждений и др.

В частности было установлено, что теплообразование при приработке обусловлено доминирующим видом механического взаимодействия - пластическим деформированием поверхности сплава. При этом интенсивность теплообразования с повышением содержания МС ослабевает, так как значения установившееся температуры (измеряемой вблизи поверхности трения образца) после приработки на одинаковых уровнях постоянной нагрузки в функции объемной концентрации олова показали устойчивое снижение.

Одним из практических результатов приработки подшипников скольжения является расширение диапазона нагрузок, в пределах которого продолжает поддерживаться гидродинамическая смазка, обеспечивающая разделение трущихся поверхностей непрерывным масляным слоем. При этом важнейшим условием обеспечения несущей способности является сохранение масляным слоем своего объемного свойства - динамической вязкости, уровень которой зависит (в обратной, гиперболической зависимости), прежде всего, от развиваемой трением температуры в этом слое. Отсюда можно предполагать, что сплавы с повышенным содержанием олова, показавшие более низкие, установившиеся после приработки, температуры трения, должны в большей степени быть склонны к поддержанию гидродинамического эффекта и поэтому обеспечивать более высокое значение нагрузки, соответствующей переходу гидродинамической смазки в граничную. В дальнейшем эту переходную нагрузку будем называть – предельная гидродинамическая нагрузка (ПГН). Однако испытания, проведенные с целью проверки выдвинутого предположения и установления для приработанных сопряжений уровня ПГН (по специальной методике [1], основанной на свойствах диаграммы Герси-Штрибека), показали следующее.

1. Установлено, что с повышением нагрузки приработки, несмотря на соответствующее повышение температуры трения, уровень ПГН для всех сплавов повышается, т.е. требуемый практический результат приработки достигается.

2. Установлено, что влияние повышения количества МС в сплавах состоит не только в полезном снижении температуры трения, но и в нежелательном снижении (до 28%) достигаемых за счет приработки, значений ПГН. То есть,  сплавы с повышенным содержанием МС показали меньшие значения предельной гидродинамической нагрузки.

Для объяснения влияния количества олова в сплавах на значения предельной гидродинамической нагрузки принимаем за уровень ПГН величину контактного давления  , при котором у приработанного сопряжения толщина масляного слоя   h  отвечает условию

h = RZ1 + RZ2 = const,                                         (1)

где ,  - высота микронеровностей на поверхностях вала и образца.

В соответствии с теорией гидродинамической смазки толщина смазочного слоя , являясь функцией гидродинамического равновесия при заданных режимных и конструктивных факторах,  определяется зависимостью вида

,                                              (2)

где  - безразмерный коэффициент нагруженности,  - радиальный зазор,      - ширина образца,  - диаметр вала,  - угол обхвата вала образцом.

Анализ показывает, что при равенстве выражений (1) и (2) и неизменных конструктивных факторах постоянному значению толщины смазочного слоя    должно соответствовать постоянное значение , определяемое формулой

,                                         (3)

где  - относительный зазор,  - динамическая вязкость масла в смазочном слое,  - угловая скорость вращения вала.

Из (3) следует, что при постоянных  и  для приработанного сопряжения могут реализоваться разные уровни  (или ПГН) только при  соответствующем пропорциональном изменении динамической вязкости , важнейшим фактором влияния для которой является температура .

Источником теплообразования в тонком смазочном слое на границе гидродинамической смазки (т.е.при соблюдении условия (1)) частично является внутреннее трение монослоев смазки и частично - внешнее трение соприкасающихся микронеровностей.  Считается, что теплопередача в таких условиях, в основном, осуществляется путем теплопроводности. При этом учитывается, что отдельные участки с гидродинамической смазкой изолированы друг от друга, вследствие чего перенос тепла масляным слоем крайне незначителен.

Следует отметить, что МС по сравнению с ТО имеет существенно более низкую (в 3,7 раза) теплопроводность. Такое соотношение теплопроводностей, в совокупности с повышенной пластичностью МС и ее способности к пластическому выдавливанию на поверхность трения, позволяет предполагать образование на площадках контакта, в том числе благодаря пластическому оттеснению МС в направлении движения контртела, своеобразного динамического «теплоизоляционного» трибослоя с низкой теплопроводностью определенной сплошности. Очевидно, что это затрудняет теплоотвод из масляного слоя в тело образца в момент соприкосновения микронеровностей сопряженных поверхностей. С увеличением содержания МС в сплаве сплошность трибослоя с низкой теплопроводностью повышается и теплоотвод ослабляется еще более.

а

б

 

Рисунок 1 -  Микрофотографии поверхности трения сплава АО9-1 в режиме топографии (а) и  в режиме характеристического излучения на олово (б) после приработки

 

На рисунке 1 представлены микрофотографии приработанной поверхности образца из сплава АО9-1 (9% олова) в режимах топографии (а) и характеристического излучения на олово (б). Видно, что включения МС возвышаются над ТО, что может быть вызвано пластическим вытеснением его на поверхность. Вытесненные включения МС вытянуты в направлении скольжения и занимают на поверхности увеличенную (примерно вдвое) относительную площадь по сравнению с исходной. На микрофотографии (б) видно, что площадь, занятая оловом, в действительности еще больше благодаря присутствию на поверхности более мелких частиц МС, отделенных от включений. Это позволяет считать образование трибослоя с пониженной теплопроводностью вполне возможным.

Применительно к результатам опытов следует отметить, что при скольжении из-за низкой теплопроводности масла на участках с гидродинамической смазкой в масляном слое возникают градиенты температуры. Причем, как отмечается в работе [2], максимальная температура возникает в средней плоскости слоя и может на десятки градусов превышать температуру трущихся поверхностей. Следовательно образование трибослоя с низкой теплопроводностью на одной из них будет способствовать поддержанию разности между истинной температурой в масляном слое и температурой в месте ее экспериментального измерения, отделенного низкотеплопроводным трибослоем. Повышение относительной площади, занятой таким трибослоем (т.е. увеличение содержания олова в сплаве) увеличивает отклонение измеренной температуры от истинной, обусловливающей текущее значение вязкости масла в переходной фазе режима смазки и, соответственно (согласно выражению (3)), уровень ПГН.

Для описания механизма влияния концентрации олова на  уровень ПГН рассмотрим процесс теплопередачи путем теплопроводности. Считаем, что образующийся при трении «теплоизоляционный» трибослой ограничен изотермическими поверхностями, имеет толщину  и обобщенный коэффициент теплопроводности . По нормали к внешней поверхности  направлен удельный тепловой поток , образующий на границах трибослоя разность температур . По закону Фурье уравнение теплопередачи для условий опыта имеет вид

,                                              (4)

где  - коэффициент трения,  - скорость скольжения,  - коэффициент, учитывающий долю теплового потока, направленного к образцу,  - механический эквивалент теплоты.

С учетом связи теплопроводностей МС и ТО с объемной концентрацией олова в сплаве, эффекта пластического оттеснения МС, аддитивности тепловых потоков, пронизывающих участки поверхности трения с разными теплопроводностями, и замены  на среднюю температуру трибослоя  выражение (4) преобразуется к функции вида

,               (5)

где ,  - коэффициенты теплопроводности, соответственно, МС и ТО;  - объемная концентрация олова в сплаве,  - коэффициент, учитывающий  пластическое оттеснение МС в направлении скольжения контртела.

Результаты совместного решения уравнений (3) и (5) в относительной форме, с учетом температурно-вязкостной формулы для нефтяных масел [3], вместе с экспериментальными относительными значениями  представлены в таблице 1. За эталон сравнения принят сплав АО3-1.

 

Таблица 1 – Экспериментальные и расчетные относительные значения предельной гидродинамической нагрузки (при K = 2)

Сплав

А03-1

А09-1

А020-1

А030-1

А040-1

А050-1

()эксп.

1

0,984

0,911

0,890

0,822

0,720

()расч

1

0,980

0,927

0,874

0,809

0,724

 

В целом можно сделать вывод о том, что механические свойства и микроструктура подшипниковых материалов могут влиять на теплофизические характеристики поверхности  трения и несущую способность масляного слоя.

Литература

1. Зелинский В.В., Буше Н.А. Влияние трибоматериалов на гидродинамический эффект приработки / Состояние и перспективы развития дорожного комплекса: Сб. науч. трудов. Выпуск 2. – Брянск: БГИТА, 2001. -C.72-74.

2. Розенберг Ю.А. Влияние смазочных масел на долговечность и надежность деталей машин. -М.: Машиностроение, 1970. -312 с.

3. Чернавский С.А. Подшипники скольжения. -М.: Машгиз, 1963. -244 с.