М. И. Прудников Метод триботехнических испытаний цилиндрических поверхностей трения

Метод триботехнических испытаний цилиндрических поверхностей трения

М. И. Прудников

На сегодняшний день трибометрия является основным источником получения данных по триботехническим показателям. В последнее время все больше возрастает значение лабораторных испытаний, которые, в отличие от триботехнических испытаний в ус-ловиях эксплуатации и на стендах, не требуют больших затрат времени и в большей мере позволяют изменять условия на поверхности трения и выделять основные параметры, оказывающие влияние на триботехнические характеристики. В условиях постоянно увеличивающегося количества триботехнических материалов и технологических методов обработки поверхностей трения возникает необходимость систематизации данных, полученных средствами трибометрии, организации автоматизированных баз данных, информационно-поисковых и экспертных систем. При создании баз данных всегда встает вопрос о сопоставимости результатов различных экспериментальных исследований. В трибологии отсутствуют инвариантные, т.е. не зависящие от методов и режимов их определения показатели. В связи с этим необходима разработка единых научно обоснованных и совершенных с технической точки зрения методов триботехнических испытаний.

Для триботехнических испытаний применяются различные испытательные установки, номенклатура которых достаточно велика и уже с трудом поддается учету. Часто используются установки, выполненные в единственном экземпляре. Сравнивать полученные на различном испытательном оборудовании результаты экспериментальных исследований затруднительно, так как на процессы трения и изнашивания влияет большое количество факторов, в том числе жесткостные и вибрационные характеристики систем измерения [2]. Следовательно, методика испытаний, применяемое автоматизированное оборудование и управляющие программы должны быть составными частями единой системы как единого метода испытаний.

Существующие стандартные методы испытаний ориентированы на конкретные области использования, перечень которых весьма ограничен, классифицированы по объектам испытаний. Анализ результатов исследований, проведенных в рамках международно-го трибологического проекта VAMAS (Versailles Project on Advanced Materials and Stan-darts) [8], посвященного сопоставлению и унификации используемых в мировой практике методов испытаний на трение и изнашивание, показал следующее. Количество существующих международных стандартов мало. Практически очень мало существующих в разных странах стандартных методов имеют одинаковую область применения, и они зачастую дополняют друг друга. Многие методы совпадают по сути, но имеют отличия в отдельных элементах методики.

Следует отметить, что фактически существующие стандартизованные и распростра-ненные нестандартизованные методы лабораторных испытаний, за редким исключением, предназначены для оценки триботехнических характеристик материалов. Поэтому в методике, как правило, заранее оговаривается или вовсе не учитывается способ подготовки испытуемой поверхности образца. По мнению автора, в настоящий момент актуально рассмотрение триботехнических свойств поверхности трения, получившей определенное технологическое воздействие, ведь поверхностные слои трибоэлементов, характеризующиеся совокупностью геометрических и физикомеханических параметров качества, оказывают основное влияние на процессы трения и изнашивания.

Реализация перспективного одноступенчатого решения задачи технологического обеспечения износостойкости сдерживается из-за отсутствия базы данных по зависимости триботехнических показателей от условий обработки трибоэлементов [12].

Отсутствие единого нормализованного метода испытаний, применимого для данной области, привело к многообразиям экспериментальных исследований и получению несопоставимых данных по износостойкости [13].

Будем рассматривать триботехнические испытания цилиндрических поверхностей трения при трении скольжения в условиях граничной смазки. Обзор исследований показал, что большинство из них проводились применительно к наружным цилиндрическим поверхностям при испытаниях по схеме «вал – колодка», имитирующей наиболее распространенное сопряжение «вал – втулка». При этом не было единого подхода к выбору материала контртела, его обработки, назначению нагрузочно-скоростных параметров испытания, выбору оборудования и схем измерения, что и привело к получению несопоставимых данных [13]. Сама схема «вал – колодка» обладает рядом недостатков, которые существенно ухудшают повторяемость опытов. В частности, при испытании по такой схеме изнашивается как образец, так и контртело, что усложняет интерпретацию результатов. Изготовление колодок для испытаний наружных и внутренних цилиндрических поверхностей достаточно трудоемко и материалоемко. При испытании практически невозможно обеспечить одинаковое прилегание цилиндрических образцов и колодок, что значительно увеличивает период приработки на макроскопическом уровне [7] и может привести к срабатыванию сформированного технологическими методами обработки поверхностного слоя. К тому же, как известно, история приработки в значительной степени влияет на процесс установившегося изнашивания. Результаты испытаний по данной схеме в большинстве случаев нельзя использовать применительно к реальным узлам трения, а только лишь для качественной сравнительной оценки [1].

Представляется более целесообразным для триботехнических испытаний цилиндрических поверхностей трения использовать схему с сосредоточенным (герцевским) контактом, при реализации которой можно избежать перечисленных недостатков. Для такой схемы можно использовать малогабаритные, относительно простые, но в то же время высокоточные системы нагружения, а также инденторы простой геометрической формы в качестве сменных трущихся элементов, применяемые для производства стандартных изделий, которые дешевы и недефицитны, в высокой степени идентичны по форме, размерам, объемным и поверхностным свойствам. Все это хорошо отразится на воспроизводимости экспериментов. В практике триботехнических испытаний, как показывает анализ, уже применялись подобные схемы [6], однако они были реализованы таким образом, что номинальная (или контурная) площадь контакта изменялась в процессе испытания по мере изнашивания образца и/или контртела. Единого подхода к интерпретации результатов триботехнических испытаний, проведенных при постоянно изменяющихся условиях трения, пока нет [6].

В предлагаемом методе в качестве индентора используется твердосплавный ролик диаметром 15,2 мм и шириной 4,6 мм, представляющий собой серийно выпускаемую сменную неперетачиваемую пластину, применяемую для металлорежущего инструмента. Одинаковые инденторы используются для испытания как наружных, так и внутренних цилиндрических поверхностей (рис. 1) при трении скольжения в режиме граничной смазки. Возможно аналогично проводить испытания плоских поверхностей при трении индентора по торцу цилиндрического образца.

Рисунок 1. Схемы испытаний цилиндрических поверхностей: а – наружных; б – внутренних

Индентор принимается абсолютно жестким, гладким и неизнашиваемым за один цикл испытаний, что подтверждено предварительной серией экспериментов. Схемы с трением по радиальной цилиндрической поверхности вращающегося образца реализуются в большинстве серийно выпускаемых машин трения. За базовую установку была взята машина трения мод. МИ-1М. Для закрепления испытуемых образцов были изготовлены сменные держатели образца и индентора, обеспечивающие самоустановку последнего относительно поверхности трения образца на промежуточной сферической опоре.

Следует отметить потенциальную возможность базирования разработанной АСНИ на любой установке, имеющей привод, при устройстве соответствующего датчика момента или силы трения и проведении уточненных расчетов.

Предлагаемый метод испытаний позволит оперативно создать базу данных по технологическому обеспечению износостойкости и пополнять ее достоверными данными.

Список использованой литературы

Браун, Э.Д. Моделирование трения и изнашивания в машинах / Э.Д. Браун, Ю.А. Евдокимов, А.В. Чи-чинадзе. – М.: Машиностроение, 1982. – 191 с.
Голего, Н.Л. Схемы и динамические модели машин для триботехнических испытаний / Н.Л. Голего, В.А. Козаков // Трение и износ. – 1980. – Т. 1. - №2. – С. 334-340.
Гуртовцев, А.Л. Метрология цифровых измерений / А.Л. Гуртовцев // Современные технологии автома-тизации. – 2008. - №1. – С. 66-74.
Дроздов, Ю.Н. Метод выбора керамических материалов для пары трения «кулачок-толкатель» / Ю.Н. Дроздов, А.Г. Хуршудов, В.И. Панин // Трение и износ. – 1993. – Т. 14. - №3. – С. 479-485.
Кирпиченко, Ю.Е. Устройство для прецизионного измерения износа полимерных материалов / Ю.Е. Кирпиченко, В.В. Невзоров, В.Л. Котов, Л.А. Пинчук // Трение и износ. – 1987. – Т. 8. - №5. – С. 921-923.
Козырев, Ю.П. Применение сферических контртел в роликовых машинах трения // Ю.П. Козырев, Д.Г. Точильников, Б.М. Гинзбург // Трение и износ. – 1992. – Т. 13. - №5. – С. 892-899.
Крагельский, И.В. Узлы трения машин: справочник / И.В. Крагельский, Н.М. Михин. – М.: Машино-строение, 1984. – 280 с.
Пекошевски, В. Системный анализ методологии трибологических испытаний конструкционных мате-риалов / В. Пекошевски, В. Потеха, М. Щерек, М. Вишневски // Трение и износ. – 1996. – Т. 17. - №2. – С. 178-186.
Прокопенко, А.К. Избирательный перенос в узлах трения машин бытового назначения / А.К. Прокопен-ко. – М.: Легпромиздат, 1987. – 101 с.
Рыжов, Э.В. Технологические методы повышения износостойкости деталей машин / Э.В. Рыжов. – Киев: Наукова думка, 1984. – 272 с.
Суслов, А.Г. Качество поверхностного слоя деталей машин / А.Г. Суслов. – М.: Машиностроение, 2000. – 320 с.
Суслов, А.Г. Технологическое обеспечение и повышение эксплуатационных свойств деталей и их со-единений / А.Г. Суслов [и др.]; под общ. ред. А.Г. Суслова. – М.: Машиностроение, 2006. – 448 с.
Суслов, А.Г. К вопросу о нормализации испытаний на трение и изнашивание / А.Г. Суслов, А.О. Гор-ленко, М.И. Прудников // Стандартизация и менеджмент качества: сб. науч. тр. / под ред. О.А. Горленко, Ю.П. Симоненкова. – Брянск: БГТУ, 2006. – С. 33-39.

Электронная библиотека