УДК 621.892

применение смазочных материалов с ультрадисперсными порошками меди для повышения срока службы подшипников скольжения с реверсивным движением

 

APPLICATION OF greases WITH ULTRADISPERSED copper- powders for Increase service life of sliding BEARINGs with reversible motion

 

Докшанин С.Г. (Сибирский федеральный университет, г. Красноярск, РФ)

Dokshanin S.G. (Siberian Federal University, Krasnoyarsk)

 

В работе рассматривается возможность применения смазочных материалов с ультрадисперсным порошком меди в подшипниковых опорах, работающих в режиме реверсивного движения. 

The paper assesses the effectiveness of the grease with the addition of ultrasize copper-contained powders to reduce the friction forces and wear of sliding bearings of machines and equipment operating in a mode of reverse motion.

 

Ключевые слова: пластичный смазочный материал, ультрадисперсная добавка, медьсодержащие порошки, подшипник скольжения, реверсивное трение

Key words: greas, ultra-dispersive additive, copper-contained powders, sliding bearing, back-and-forth motion

 

Условия эксплуатации подшипниковых узлов различного технологического оборудования отличаются довольно тяжелыми режимами, приводящими к быстрому выходу их из строя. Кроме высоких нагрузок подшипники технологического оборудования могут работать в режиме реверсивного движения, например опоры станков-качалок, кронблоков, насосов, вибросит и др., где наблюдается более интенсивное протекание усталостных процессов, приводящих к быстрому отказу подшипника. Отрицательное действие реверсивного движения связано с деформационно-напряженным состоянием материала. При постоянном изменении направления движения материал подшипника в течение короткого времени изменяет деформации с растяжения на сжатие и наоборот. В результате в зоне контакта будут действовать циклически изменяющиеся напряжения от нормального сжатия и растяжения материала, а так же знакопеременные касательные напряжения от сил трения, возникающих на поверхности площадки контакта. При таком сочетании условий работы, как проскальзывание при трении контактирующих поверхностей и повышение нагрузок, происходит значительный рост напряжений на площадке контакта, что приводит к ускорению усталостных процессов [1, 2]. Многократное повторно-переменное деформирование трущихся поверхностей снижает износостойкость материала, как при трении качения, так и при трении скольжения.

Действующие силы трения значительно влияют на напряженное состояние материала подшипника, поэтому снижение этих сил позволит снизить отрицательный эффект реверсивного трения. Одним из методов защиты от усталостных повреждений являются снижение коэффициента трения и предотвращения проскальзывания контактирующих поверхностей. Для улучшения антифрикционных свойств применяемых смазочных материалов могут быть использованы функциональные твердые добавки. В таких условиях наилучшим решением является использование смазочных материалов с активными наполнителями, способными не только образовывать пограничный слой, но и модифицировать структуры поверхностных слоев.

Наибольшее внимание в настоящее время уделяют применению в качестве наполнителей к пластичным смазочным материалам порошков мягких металлов, их оксидов или солей с различной дисперсностью. К таким добавкам относятся высокодисперсные порошки меди, олова, свинца, цинка, бронзы, латуни, серебра, алюминия и сплавов на их основе. Результаты различных исследований показали, что смазочные материалы, модифицированные подобными наполнителями, могут успешно использоваться в подшипниковых опорах, зубчатых передачах, шарнирных соединениях и других тяжелонагруженных узлах трения [3, 4, 5].

Применение наполнителей на основе ультрадисперсных металлических порошков может в значительной степени расширить возможности для улучшения эксплуатационных свойств смазочных материалов, т.к. они имеют лучшие адгезионные свойства за счет большей свободной поверхностной энергии и менее склонны к выпадению в осадок при использовании в жидких смазочных материалах.

Целью данной работы являлось установление возможности использования смазочных материалов с добавками ультрадисперсных порошков меди на основе коммерческого пластичного смазочного материала Литол-24 (ГОСТ 21150-87) в узлах с реверсивным трением, в частности, опорах скольжения, для уменьшения трения  и снижения скорости усталостных процессов.

В качестве твердых наполнителей рассматривались смеси шихты ультрадисперсного алмазографита (УДПАГ) с ультрадисперсными металлическими порошками меди (УДП Cu). Порошок ультрадисперсного алмазографита представляет собой углеродную смесь с размером частиц до 40 нм, размеры частиц ультрадисперсного медьсодержащего порошка от 80 до 100 нм. В процентном соотношении смазочная композиция содержала 0,5 масс.% УДПАГ и 5 масс.% УДП Cu.

Исследования выполнялись на машине трения по схеме «вал-полувтулка», подвижным образцом служил вал из стали 30ХГСА с твердостью HRC 30–32, неподвижным – полувтулка, изготовленная из бронзы марки БрАЖН 10-4-4.

Испытания проводились при удельном давлении в зоне трения до 20 МПа на заданном пути трения 60 м без пополнения смазочного материала. Вал совершал возвратно-вращательное движение с частотой 1,8 Гц и углом качания 28° при скорости трения скольжения 2,58 cм/с.

Результаты изменения коэффициента трения на заданном пути трения при использовании базовых смазочных материалов и созданных на их основе смазочных композиций представлены на рис. 1.

 

а)

 

б)

 

Рисунок 1 – Изменение коэффициента трения от пути трения для смазочного материала Литол-24: а) – без наполнителя ; б) –с наполнителем УДП Cu

 

Как показали результаты, смазочные композиции с УДП Cu позволили уменьшить коэффициент трения при работе подшипникового узла на 32 – 40 %. Рассмотрение других результатов, полученных в ходе проведения исследований, также позволяет сделать выводы об эффективности введения твердой добавки УДП Cu в пластичную смазку.

Изучение состояния трущихся поверхностей после проведения испытаний показало образование качественного микрорельефа: наблюдалось сглаживание неровностей, снижение количества раковин, царапин, следов коррозии. Такое изменение шероховатости увеличивает фактическую площадь контакта, что снижает контактные давления и более равномерно распределяет нагрузки по контурным площадям контакта. Оценивалась глубина повреждений, изменение отношения величины шероховатости Ra/Ra0 до и после испытаний для Литол-24 без добавки и с добавкой. После испытаний средняя величина отношения Ra/Ra0 для смазочного материала без добавки составила Ra/Ra0=2,7, при введении УДП Cu оно снизилось до Ra/Ra0=1,61.

Основная причина повышенного износа при реверсивном трении – интенсивное развитие усталостных трещин, вызванное знакопеременными деформациями. Наиболее всего сила трения влияет на сдвиговые напряжения, которые при смене направления движения приводят к частому пластическому деформированию. Заметное улучшение эксплуатационных свойств пластичных смазочных материалов при введении в них медьсодержащих порошков наблюдается для граничных режимов трения. Довольно малый размер частиц порошка позволяет им проникать в структурный каркас пластичного смазочного материала, что приводит к упрочнению граничной пленки и повышению сопротивляемости к разрушению.

Вывод. Результаты проведенных исследований позволяют говорить о том, что введение ультрадисперсного медного порошка в пластичный смазочный материал Литол-24, используемый в подшипниках скольжения с реверсивным трением, снижает величину силы трения на площадке контакта на 30–40%, уменьшает глубину повреждений трущейся поверхности до 24−28%. Сравнительный анализ контактных напряжений показал, что включение в пластичный смазочный материал добавки УДП Cu позволяет снизить их величину на 18–20%. Таким образом, наличие смазочного материала, способного значительно снизить силы трения, снижает величину внутренних напряжений и задерживает развитие усталостных трещин на участках перемены направления движения. Происходит торможение процессов усталостного разрушения поверхностных слоев за счет снижения величины сдвиговых напряжений на площадке контакта, что позволят продлить срок службы подшипникового узла в 1,5–2 раза по сравнению с базовыми смазочными материалами.

 

Список использованных источников

1. Гаркунов, Д.Н. Триботехника (износ и безысносность). М.: Издательство МСХА, 2001. 617 с.

2. Евдокимов, В.Д. Реверсивность трения и качество машин. Киев: Техника, 1977. 148 с.

3. тесакова, М.В. Влияние добавок ультрадисперсных (наноразмерных) медьсодержащих порошков на трибологические свойства промышленных смазок / М.В. тесакова, В.И. парфенюк, В.А. Годлевский // Электронная обработка материалов. 2008. №6. С.56-62.

4. Кужаров, А.С. Ещё раз и несколько иначе о металлоплакировании, ФАБО и безысносности / А.С. Кужаров, А.А. Кужаров // Известия Самарского научного центра РАН. 2011. №4(3). С.772-775.

5. Погодаев, Л.И. Влияние смазочных композиций с добавками на работоспособность трибосопряжений / Л.И. Погодаев, В.Н. Кузьмин // Проблемы машиностроения и надежности машин. 2004. №1. С.51-62.