Способ подбора материалов пар трения и устройство для его осуществления

 

Сущность изобретения: в процессе триболических испытаний пары трения не менее чем при двух температурах синхронно измеряют линейный износ элементов пары, один из которых вращается, а второй движется возвратно-поступательно. Измерения износа осуществляют в момент раскрытия контактной зоны двумя бесконтактными устройствами, одно из которых установлено пердендикулярно зоне контакта, а второе - параллельно вращающемуся элементу. По значениям износа рассчитывают константы скорости изнашивания элементов. 2 з.п. ф-лы, 3 ил., 1 табл.

Изобретение относится к области испытательной техники, в частности, к способам оценки оптимального сочетания материалов пар трения и диапазона благоприятной работы их.

Известен способ подбора материалов пар трения, заключающийся в том, что пару трения размещают в ванне с электропроводной смазкой и при относительном движении подвижного и неподвижного элементов пары трения измеряют ЭДС между электродами сравнения и рабочими электродами подвижного и неподвижного элементов, и по разности ЭДС устанавливают наличие диапазона благоприятной работы пар трения /I/.

Реализация этого способа требует применения электропроводной смазки, практически не используемой в реальных механизмах, что делает достоверность произведенных оценок недостаточной.

Наиболее близким к заявленному является способ определения кинетических параметров износостойкости /2/, заключающийся в том, что проводят трибологические испытания пары трения при однонаправленном вращении одного из ее элементов /вращающегося/ и возвратно-поступательном движении другого элемента с заданными условиями /скорость вращения, удельная нагрузка, температура, смазочный материал или рабочая среда/, измерении износа каждого из элементов пары трения через заданные промежутки времени не менее чем при двух температурных режимах, по значениям которого рассчитывают константы скорости изнашивания и энергию активации этого же процесса, по величине которой судят об оптимальности сочетания материалов пар трения и диапазоне их благоприятной работы.

При этом энергию активации рассчитывают по уравнению Аррениуса: где: К₁ и K₂ константы скорости изнашивания при температурах Т₁ и Т₂ соответственно.

Реализация этого способа возможна на машине для испытания материалов на трение, содержащей корпус, нагружающее устройство, привод возвратно-поступательного движения одного из элементов пары трения и привод вращательного движения второго элемента /З/.

Недостатками известных способа и устройства являются неудовлетворительная достоверность и производительность испытаний в связи с влиянием стоп-эффекта и наличием перерывов при измерении износа.

Техническим результатом, создаваемым изобретениями, является повышение достоверности и производительности испытаний.

Указанный результат достигается тем, что в известном способе подбора материалов пар трения измерение износа каждого элемента пары трения осуществляют в процессе испытаний без их остановки, синхронно, в момент раскрытия контактной зоны, с помощью бесконтактного устройства измерения износа, и об оптимальности сочетания материалов пар трения судят по отношению: χ = lgKⁿ₂/Kⁿ₁/lgK^в₂/K^в₁ (2) где: Kⁿ₂ и K^в₂ константы скорости изнашивания возвратно-поступательного и вращающегося элементов пары трения при температуре T₂; Kⁿ₁ и K^в₁ константы скорости изнашивания возвратно-поступательного и вращающегося элементов пары трения при температуре Т₁ /T₂ > Т₁/.

Указанный результат достигается также тем, что для осуществления вышеуказанного способа известное устройство для испытания материалов на трение, содержащее корпус, нагружающее устройство и приводы возвратно-поступательного и вращательного движения элементов пары трения, дополнительно снабжено бесконтактными устройствами измерения износа, одно из которых расположено перпендикулярно контактной зоне, а второе параллельно вращающемуся элементу пары трения.

Известны технические решения, позволяющие определять износ пары трения в процессе испытания с помощью датчиков сопротивления индуктивных методом радиоактивных изотопов /см. Словарь-справочник по трению, износу и смазке деталей машин. Киев, "Наукова думка", 1979, с.45-46/. Однако способы определения износа, реализуемые этими решениями, не позволяют определить износ каждого элементы пары трения раздельно, а также суммарный износ пары трения. Использование метода радиоактивных изотопов искажает пару трения в связи с необходимостью устройства в ней вставок из других /не испытуемых/ материалов, что существенно снижает достоверность измерения износа и вследствие этого кинетических параметров испытаний и полученных результатов. В предлагаемом способе используется бесконтактное устройство измерения износа с помощью, например, интерферрометрического метода измерения расстояний, который заключается в измерении расстояний до исследуемых объектов /вращающегося и возвратно-поступательного элементов пары трения/, отражающих лазерные лучи /см. "Измерения в промышленности". Справ. под ред. Профоса П.М. "Металлургия", 1990, кн.2, с. 35/ путем раздельного, синхронного измерения износа.

На фиг.1 изображена принципиальная схема устройства для реализации предложенного способа; на фиг.2 графики зависимости объемного износа /V/ материала вращающегося /прямые 1,2/ и возвратно-поступательного /прямые 3,4/ элементов испытуемой пары трения ст. 40Х-БрАЖ9-4 от продолжительности испытаний /t/; на фиг.3 то же, для пары трения, ст.40Х-ст.45, при температурах Т₂ 323^oК / прямые 2,4/ и Т₁ 293^oК /прямые 1,3/.

Примеры осуществления способа.

Проводились испытания трех пар трений, широко используемых в машиностроении, в частности, в авиационной технике: ст.ШХ15-ст.ШХ15 /топливная и гидравлическая аппаратура/ в среде авиатоплива РТ и авиационного масла гидравлического АМГ-10; БрАЖ 9-4-ст.40Х /червячные редукторы/ и ст.45-ст.40Х /цилиндрические и конические редукторы/ в среде вазелинового масла. Условия испытаний и полученные результаты приведены в таблице.

Полученные результаты свидетельствуют о следующем.

Для конструкционных материалов с различными значениями твердости, например, Бр АЖ 9-4 и сталь 40Х, предлагаемый показатель работы пары трения χ стремится к О, т.е. является минимальным. Для конструкционных материалов, близких по твердости, например, сталь 45 и сталь 40Х, c стремится к 1, т.е. значительно отличается от материалов с различной твердостью. В случае применения одноименных металлов, например, стали ШХ15, значения c характеризуют как износостойкость этих металлов, так и противоизносные свойства смазочных материалов, а также диапазон благоприятной совместной работы этих материалов. При этом c стремится к 1, т.е. чем больше и ближе к 1 значения c, тем лучше противоизносные свойства и благоприятнее работа пары трения. Это подтверждается полученными данными, приведенными в таблице.

Такие узлы трения нашли широкое распространение во всех областях машиностроения. Так, например, в червячной передаче червячный вал является формообразующим элементом, поэтому его твердость и износостойкость должны быть выше, чем червячного колеса, о чем свидетельствует величина показателя c _→ 0..

Для одноименных или близких по твердости элементов пар трения величина показателя χ _→ 1 и примерное ее постоянство свидетельствуют о совместимости испытуемых материалов в благоприятном для их совместной работы диапазоне условий эксплуатации. Для этого диапазона коррозионно-механический вид изнашивания переходит в менее благоприятный вид изнашивания при заедании, что подтверждается металловедческими методами исследования испытуемых пар трения. Константы скорости изнашивания предварительно определяли графически по тангенсу угла наклона линейных зависимостей, lg V=f(t) подтверждает первый порядок процесса изнашивания. Более точные значения констант скорости изнашивания /К/ рассчитывали по уравнению химической кинетики /данные в таблице/: K = ΔV/Δt×1/V_cp (3) где: Δ V V_i V_i-1 значения объемного износа, соответствующего двум крайним значениям интервала D t, V_i-ti и V_i-s-ti-s, соответственно; V_ср среднее арифметическое значение объемного износа.

Устройство для осуществления подбора материалов пар трения включает вращающийся элемент 1 пары трения, нагружающее устройство 2, второй элемент 3 пары трения, который снабжен приводом возвратно-поступательного движения 4, т. е. движется по этой траектории. Кроме того, устройство снабжено двумя бесконтактными устройствами измерения износа, одно на которых расположено перпендикулярно контактной зоне, а второе параллельно вращающемуся элементу 1 пары трения.

Устройство работает следующим образом.

Нагружающим устройством 2 создают заданную нагрузку Р на испытуемую пару трения, т.е. на вращающийся 1 и возвратно-поступательный 3 элементы. Для создания и поддержания заданной температуры используют камеру-термостат 7, которую заполняют смазочным материалом /рабочей средой/. После этого включают привод вращения 8 и возвратно-поступательного движения 4. Бесконтактными устройствами измерения износа через заданные промежутки времени измеряют износ вращающегося 1 /измеритель 5/ и возвратно-поступательного 3 /измеритель 6/ элементов пары трения. Причем измеритель 5 измеряет линейный износ элемента 1 при раскрытии контакта, т.е. когда элемент 3 находится в крайнем правом положении. Поэтому измеритель 6 располагается параллельно элементу 1. Объемный износ элементов пары трения рассчитывают следующим образом: для элемента 1 /вращающегося/: V_b p l (R² r²) p /4 (D² d²)l /4/,
где: l длина контактной зоны /дорожки трения/;
R D/2- радиус вращающегося элемента до начала испытаний;
r d/2 радиус вращающегося элемента после испытаний заданной продолжительности t;
При этом: d D h₁ /5/
где: h₁ линейный износ элемента 1, измеряемый устройством 5;
для элемента 3: V_n p d² n /4 · h ₂ /6/
где: d_n диаметр элемента 3;
h₂ линейный износ элемента 3, измеряемый устройством 6, т.е. высота элемента 3 после испытаний.

Рассчитав значения V_b и V_n, cтроят графики зависимости lg V_b f(t) и lg V_n f(t), что позволяет графически, по тангенсу угла установить константы скорости изнашивания элементов 1 / К^b / и 3 / Кⁿ / в случае линейных зависимостей/, т.е. порядок процесса изнашивания равен 1. В случае отсутствия линейных зависимостей lg V_b и lg V_n от t необходимо строить графики зависимостей 1/V_b и 1/V_n от t, что указывает на 2-ой порядок процесса изнашивания.

Более точные значения К^b и Кⁿ рассчитывают по формуле /3/. Повторение испытаний при температуре T₂ и оценка констант скорости изнашивания позволяет рассчитать показатель c, характеризующий оптимальное сочетание материалов пары трения и диапазон наиболее благоприятной ее работы.

Зная константы скорости изнашивания при двух температурах, по уравнению /1/ можно рассчитать энергию активации изнашивания, которая в диапазоне нормального коррозионно-механического изнашивания /без повреждаемости/, является постоянной величиной. В свою очередь, показатель c, выраженный как отношение энергий активации вращающегося и возвратно-поступательного элементов пары трения, тоже является постоянной величиной в диапазоне нормального коррозионно-механического изнашивания, соответствующего диапазону структурной приспосабливаемости материалов при трении. Это позволяет существенно повысить производительность испытаний и достоверность полученных данных.

Формула изобретения

1. Способ подбора материалов пар трения, заключающийся в проведении трибологических испытаний пары трения при однонаправленном вращении одного из элементов и возвратно-поступательном движении другого элемента, с заданными условиями нагружения и рабочей среды, измерении износа каждого из элементов пары трения через заданные промежутки времени не менее, чем при двух температурных режимах, по значениям которого рассчитывают константы скорости изнашивания, отличающийся тем, что измерение износа каждого элемента пары трения осуществляет синхронно, в момент раскрытия контактной зоны, с помощью бесконтактного устройства измерения износа, и об оптимальности сочетания материалов пар трения судят по отношению
κ = lgKⁿ₂ / Kⁿ₁ / lgK^b₂ / K^b₁
где Kⁿ₂, K^b₂ - константы скорости изнашивания возвратно-поступательного и вращающегося элементов пары трения при температуре T₂;
Kⁿ₁, K^b₁ - константы скорости изнашивания возвратно-поступательного и вращающегося элементов пары трения при температуре Т₁.

2. Устройство для подбора материалов пар трения, содержащее корпус, нагружающее устройство, привод возвратно-поступательного движения одного из элементов пары трения и привод вращательного движения второго элемента, отличающееся тем, что оно снабжено двумя бесконтактными устройствами измерения износа, одно из которых расположено перпендикулярно контактной зоне, а второе параллельно второму элементу пары трения.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4