Оценка продолжительности приработки пар трения с твердосмазочными покрытиями в различных условиях эксплуатации

УДК 621.891:519.28

DOI: 10.12737/article 5ac49dc34fc6b9.65746767

П.Н. Хопин

ОЦЕНКА ПРОДОЛЖИТЕЛЬНОСТИ ПРИРАБОТКИ ПАР ТРЕНИЯ С ТВЕРДОСМАЗОЧНЫМИ ПОКРЫТИЯМИ В РАЗЛИЧНЫХ УСЛОВИЯХ ЭКСПЛУАТАЦИИ

В результате проведения планируемых экспериментов получены модели 2-го порядка для оценки продолжительности приработки пар трения с твердосмазочными покрытиями (ТСП) ВНИИ НП 212 для условий нормальной атмосферы и вакуума. Рассчитаны корреляционные зависимости продолжительности приработки от общей наработки рас-

сматриваемых пар трения. Выявлено определяющее влияние скоростного фактора на продолжительность приработки в рассмотренных условиях.

Ключевые слова: пара трения, приработка, твердосмазочные покрытия, нормальная атмосфера, вакуум.

P.N. Khopin

ESTIMATE OF FRICTION PAIR RUNNING-IN DURATION WITH SOLID LUBRICANT COATING UNDER DIFFERENT OPERATING CONDITIONS

As a result of planned experimental investigations there are calculated polynomial models of the 2-d order for the estimate of the duration of friction pair running-in with solid lubricant coatings (SLC) VNII NP 212 for the conditions of vacuum and normal environment. The correlation dependence between a run-ning-in duration and a general operating time of the friction mating under consideration is defined. The

most substantial factor of a slip velocity influencing most upon running-in duration both under conditions of common environment, and in vacuum is revealed. It is defined that running-in duration exceeds in vacuum 711 times similar tribotechnical index for conditions of common environment.

Key words: friction pair, running-in, solid lubricant coatings, common environment, vacuum.

Введение

Начальная стадия изнашивания деталей машин и механизмов сопровождается процессом приработки, при котором происходят изменения геометрии поверхности трения и физико-химических свойств материала [1].

Для узлов трения, автономно функционирующих как в нормальной атмосфере, так и в условиях вакуума, радиации, при повышенной температуре и нагрузках, соизмеримых с пределом текучести материала основы, широко используются твер-досмазочные покрытия (ТСП) на основе дисульфида молибдена, графита со связующими веществами типа ВНИИ НП, ВАП и др. Проведёнными ранее исследованиями [2] этапа приработки рассматриваемых ТСП установлено, что период приработки указанных фрикционных сопряжений сопровождается резким повышением коэф-

фициента трения /р и температуры трения Ттр (в 1,5-2 раза) по сравнению с установившимся уровнем. Вне зависимости от исходной толщины ТСП основная часть изношенного слоя (75-80 %) приходится на период приработки и лишь 20-25 % - на установившийся режим трения. Исходная толщина ТСП (~20 мкм) уменьшается настолько (2-5 мкм), что происходит контактирование наиболее высоких микронеровностей через смазочную плёнку МоS2.

Учитывая важность точной оценки степени степени приработанности указанных фрикционных сопряжений, целью данной работы являлось прогнозирование продолжительности периода приработки рассматриваемых сопряжений для произвольного сочетания нагрузочно-скоростных факторов в различных условиях их функционирования.

Методика проведения исследований

Эксперименты осуществлялись на стенде для изучения трения и износа в вакууме и на модернизированной установке для проведения комплексных испытаний на трение при повышенной температуре с бесступенчатой регулировкой параметров трения [3]. Непрерывная запись в ходе экспериментов как коэффициента трения

Результаты исследований

На первом этапе проводилась оценка продолжительности периода приработки в условиях вакуума. Для получения комплексной модели эксперимент проводился с использованием ротатабельного планирования 2-го порядка. Уровни и диапазоны варьирования факторов представлены в табл. 1.

В качестве параметра оптимизации принималась продолжительность прира-

(/тр), так и температуры трения (Гтр) позволила произвести оценку динамики изменения теплофрикционного режима трения в процессе наработки для исследуемой пары трения с ТСП ВНИИ НП 212 (на основе MoS2 с мочевиноформальдегидной связкой). Материал контртела - закалённая до Ш.С 60 сталь ХВГ.

ботки т прир, которая оценивалась по стабилизации коэффициента трения. Матрица планирования и результаты эксперимента представлены в табл. 2.

Анализ полученных данных (табл. 2) показал, что продолжительность приработки в вакууме по отношению к общей наработке составила от 24 до 41 %, что существенно превышает пропорции для нормальных атмосферных условий.

Уровни факторов Натуральные значения Кодовые значения

Скорость скольжения V, м/с Нагрузка N • 9,8, Н (контактное давление Р, МПа) Х1 Х2

Интервал варьирования 0,148 25 I I

Основной уровень 0,295 95,25 ( 91) 0 0

Верхний уровень 0,443 120,25 (115) +1 +1

Нижний уровень 0,147 70,25 (68) -1 -1

Звездные точки: + а - а 0,504 130,5 (121) +1,41 +1,41

0,087 60,0 (61) -1,41 -1,41

Таблица 1

Уровни и диапазоны варьирования факторов в эксперименте по исследованию работоспособности пар трения с ТСП ВНИИ НП 212

в условиях вакуума

После проведения преобразований математическая модель тприр в зависимости от контактного давления Р и скорости

скольжения V в кодовом выражении факторов имела вид

У = 256,3 - 210,9Х - 87,5Х2 + 35,5Х1Х2 +107,3Х12 + 21,7Х22,

где У - параметр оптимизации (тприр) в кодовом выражении; Х1, Х2 - скорость

скольжения и контактная нагрузка в кодовом выражении.

Таблица 2

Матрица планирования и результаты экспериментов при исследовании работоспособности пар трения с ТСП ВНИИ НП 212 в условиях вакуума

№ п/п Уровни факторов Исследуемые параметры Тприр, в % к т

В кодовом масштабе В натуральном масштабе т, мин Тприр, мин

Х1 Х2 V, м/с N • 9,8, Н

1. -1 -1 0,147 70,25 3424 720 21,0

2. +1 -1 0,443 70,25 612 243 39,7

3. -1 +1 0,147 120,25 1152 480 41,7

4. +1 +1 0,443 120,25 445 145 32,6

5. -1,41 0 0,087 95,25 2978 772 25,9

6. +1,41 0 0,504 95,25 448 151 33,7

7. 0 -1,41 0,295 60 1050 418 39,8

8. 0 +1,41 0,295 130,5 620 161 26,0

9. 0 0 0,295 95,25 880 255 29,0

10. 0 0 0,295 95,25 761 244 32,1

11. 0 0 0,295 95,25 838 204 24,3

12. 0 0 0,295 95,25 942 282 30,0

13. 0 0 0,295 95,25 980 289 29,5

Анализ диаграммы, представленной на рис. 1, показывает, что наибольшее влияние на продолжительность приработки оказывает скорость скольжения пары трения. Очевидно, что длительность приработки тесно связана с общей долговечно-

стью работы пары трения с ТСП. С использованием полученных экспериментальных данных была рассчитана корреляционная зависимость продолжительности приработки Тприр и общей наработки т пары с ТСП в вакууме (рис. 2):

т = 0,005т„да -0,973т„да + 610,3.

Рис. 1. Влияние нагрузочно-скоростных факторов на продолжительность приработки пары трения с ТСП ВНИИ НП 212 в вакууме

Рис. 2. Корреляционная зависимость продолжительности приработки Тприр от общей долговечности т пары трения с ТСП ВНИИ НП 212 для условий вакуума.

В результате обработки данных планируемого эксперимента (табл. 2) после проведения преобразований искомая математическая модель для оценки продолжительности приработки в вакууме в зави-

симости от скорости скольжения V и контактного давления Р (рассчитывалось с учётом площади контактной дорожки трения, измеренной после соответствующего эксперимента) имела следующий вид:

т = 2242 - 5633У -16,43Р +12,6УР + 5027У2 + 0,047Р2

где тприр - продолжительность приработки, мин; У - скорость скольжения пары трения, м/с; Р - контактное давление, МПа.

Графическая интерпретация полученной зависимости представлена на рис. 3. Анализ модели показывает монотонно возрастающую продолжительность прира-

ботки при снижении скорости скольжения и контактного давления.

С использованием полученной ранее комплексной модели оценки долговечности работы пары трения для условий вакуума [3]

т = 10804,7 - 34849У - 66,75Р + 22791,34У2 +166,03УР и математической модели для расчёта температуры трения для условий вакуума

Ттр = 3,31 + 291,64У + 0,643Р - 282,19У2

для расчёта долговечности пар с ТСП ВНИИ НП 212 была предложена корреляционная зависимость [4]

т = 4 -10Т

-3,206

Рис. 3. Зависимость продолжительности приработки пары трения с ТСП ВНИИ НП 212 в вакууме от скорости скольжения и контактного давления

С использованием зависимости (2) в одной системе отсчёта были построены сравнительные комплексные зависимости продолжительности приработки и общей долговечности рассматриваемых сопряжений с ТСП ВНИИ НП 212 для условий вакуума (рис. 4).

Графический анализ соотношения продолжительности приработки и общей наработки проводился методом построения зависимостей т = /(У) или т = /(Р) для основных уровней соответствующих факторов (рис. 5, 6). Представленные графики дают наглядную картину соотношения продолжительности приработки и общей наработки узла с ТСП применительно к условиям вакуума.

Анализ графиков, приведённых на рис. 5, 6 показывает, что продолжительность приработки пар трения с ТСП по отношению к общей долговечности работы сопряжения составляет от 26 до 33 %.

На следующем этапе работы ставилась задача оценки продолжительности приработки для условий нормальной атмосферы с целью расчёта этой характеристики для произвольного сочетания контактного давления Р и скорости скольжения V и последующего сравнения с условиями вакуума.

Для получения комплексной модели эксперимент проводился с использованием ротатабельного планирования 2-го порядка. Уровни и диапазоны варьирования факторов принимались аналогичными условиям вакуума (табл. 1).

т, мин.

Рис. 4. Комплексные зависимости продолжительности приработки в вакууме (нижняя поверхность) и общей долговечности (верхняя поверхность) пары трения с ТСП ВНИИ НП 212 от контактного давления и скорости скольжения

Долг.,мин.

1600

1400

1200

1000

800

600

400

200

1364

И7 788

н 251 > 494

168

-Долговечность в вакууме, мин.

-Долговечность приработки в вакууме, мин.

Р, МПа

50

100

150

Рис. 5. Зависимость продолжительности приработки и общей наработки пар с ТСП ВНИИ НП 212 от контактного давления в вакууме при V=0,295 м/с

Матрица планирования и результаты эксперимента представлены в табл. 3.

После проведения преобразований математическая модель тприр в зависимости

от нагрузочно-скоростных факторов в кодовом выражении имела вид

Y = 22,4 - 30,36X, - 4,52Х2 +1,39XХ2 +17,73Х12 - 3,66Х22,

1 ' 2

где Y - параметр оптимизации (тприр) в кодовом выражении; X], Х2 - скорость скольжения и контактная нагрузка в кодовом выражении.

Анализ диаграммы, представленной на рис. 7, показывает, что наибольшее вли-

яние на продолжительность приработки оказывает скорость скольжения пары трения.

Долг.,мин.

3000

2 500 2000 1500

1000

500

♦ 2402

782

N<788 -♦ 588

-Дол га веч пост ь в ва кууме, мин.

-Долговечность приработки в вакууме, мин

0,2

0.4

0,6 V, м/с

Рис. 6. Зависимость продолжительности приработки и общей наработки пар с ТСП ВНИИ НП 212 от скорости скольжения в условиях вакуума при Р = 91,2 МПа

Таблица 3

Матрица планирования и результаты экспериментов при исследовании

прирабатываемости пар трения с ТСП ВНИИ НП 212 в условиях _нормальной атмосферы_

№ п/п Уровни факторов тприр, мин

В кодовом масштабе В натуральном масштабе

Х1 Х2 V, м/с N • 9,8, Н

1. -1 -1 0,147 70,25 72,74

2. +1 -1 0,443 70,25 9,24

3. -1 +1 0,147 120,25 60,92

4. +1 +1 0,443 120,25 2,98

5. -1,41 0 0,087 95,25 100,4903

6. +1,41 0 0,504 95,25 14,8751

7. 0 -1,41 0,295 60 21,4898

8. 0 +1,41 0,295 130,5 8,7434

9. 0 0 0,295 95,25 22,4

10. 0 0 0,295 95,25 22,4

11. 0 0 0,295 95,25 22,4

12. 0 0 0,295 95,25 22,4

13. 0 0 0,295 95,25 22,4

С использованием результатов планируемого эксперимента (табл. 3) после проведения преобразований искомая математическая модель для оценки продолжительности приработки в условиях нормальной атмосферы в зависимости от ско-

где Тприр - продолжительность приработки, мин; У - скорость скольжения пары трения, м/с; Р - контактное давление, МПа.

рости скольжения и контактного давления (рассчитывалось с учётом площади контактной дорожки трения, измеренной после соответствующего эксперимента) имела следующий вид:

Графическая интерпретация полученной зависимости представлена на рис. 8.

т = 116 - 225,7У + 0,32Р + 0,008УР +110,8У2 - 0,0031Р2

"71

-<1,32 1,39 -3,6В

-30,36

Рис. 7. Влияние отдельных факторов на продолжительность приработки пары трения с ТСП ВНИИ НП 212 в условиях нормальной атмосферы

1 90-100

80-90 I /О-50 00 70 I 50 60 I 40 -50 I 30-40 > 20-30 I 10-20 Ю-10

Рис. 8. Зависимость продолжительности приработки пары трения с ТСП ВНИИ НП 212 в условиях нормальной атмосферы от скорости скольжения и контактного давления

Анализ модели показывает монотонно возрастающую продолжительность приработки при снижении скорости скольжения и контактного давления.

С использованием зависимостей (1) и (3) в одной системе отсчёта были построены сравнительные комплексные зависимости продолжительности приработки со-

тприр.

МИН.

(Со-

пряжений с ТСП ВНИИ НП 212 для условий вакуума и нормальной атмосферы для рассматриваемых диапазонов варьирования факторов Р и V (рис. 9).

72

т---т

0,147 0,213

0,279 0,345

0,411

V, м/с

Рис. 9. Комплексные зависимости продолжительности приработки в вакууме (верхняя поверхность) и в условиях нормальной атмосферы (нижняя поверхность) пары трения с ТСП ВНИИ НП 212 от контактного давления и скорости скольжения

С целью сравнения прирабатываемо-сти пар трения с ТСП для условий вакуума и нормальной атмосферы была построена табл. 4.

Анализ зависимостей, представленных на рис. 9, показывает преобладающее

влияние на продолжительность приработки скорости скольжения V, которая тесно взаимосвязана с температурой трения. Для сравнительной оценки искомого соотношения был построен график тприр = ДУ) для основного уровня Р= 91 МПа (рис. 10).

Таблица 4

Сравнение продолжительности приработки пар трения с

ТСП ВНИИ НП 212 для нормальных атмосферных условий и вакуума

тприр в вакууме, мин тприр в нормальной атмосфере (НА), мин тприр В НА К тприр в вакууме, %

720 72,74 10,1028

243 9,24 3,80247

480 60,92 12,6917

145 2,98 2,05517

772 100,49 13,0169

151 14,8751 9,85106

418 21,4898 5,1411

161 8,7434 5,43068

255 22,4 8,78431

244 22,4 9,18033

204 22,4 10,9804

282 22,4 7,94326

289 22,4 7,75087

Тлрнр

900

аоо

700 600 500 400 300 200 100 о

♦ 772

255

100,5 —151

22,4 14,9 -

-Продолжительность прирабо! ки в вакууме

- [1 родолжтельнасть приработки в норм, атмосфере

V, м/с

0,2

0,4

0,6

Рис. 10. Зависимости продолжительности приработки в вакууме и в условиях нормальной атмосферы для пары с ТСП ВНИИ НП 212

Анализ представленных на рис. 10 данных показывает, что:

1. тприр в условиях вакуума при малых скоростях скольжения (V = 0,087 м/с) составляет 12,9 ч и в 5 раз превосходит аналогичный параметр для V = 0,5 м/с (2,5 ч).

2. тприр в условиях вакуума в 7-11 раз превосходит тприр в условиях нормальной атмосферы.

Последний вывод можно объяснить тем, что при малых значениях Р и V, когда температура трения в зоне контакта незначительна и не оказывает существенного влияния на долговечность фрикционного сопряжения, основную роль играет воздействие окружающей среды, а именно наличие кислорода воздуха, приводящее к окислению смазочной поверхности пары трения. Особое значение последнее обстоятельство приобретает для ТСП на основе

МоS2, отличающихся повышенной окис-ляемостью поверхности трения. С увеличением скорости скольжения наибольшее влияние на долговечность рассматриваемой пары трения начинает оказывать кон-

Выводы

1. В результате обработки данных планируемого эксперимента получены комплексные модели 2-го порядка для расчёта продолжительности приработки пар трения скольжения с ТСП ВНИИ НП 212 для условий вакуума и нормальной атмосферы при произвольном сочетании скорости скольжения и контактного давления для рассмотренных диапазонов варьирования указанных факторов.

2. На основе полученных экспериментальных данных выявлена корреляционная зависимость продолжительности приработки тприр и общей наработки т пары с ТСП в вакууме; рассчитана соответствующая зависимость.

3. Анализ диаграмм влияющих факторов показал, что наибольшее влияние на

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Карасик, И.И. Прирабатываемость материалов для подшипников скольжения / И.И. Карасик. -М.: Наука, 1978. - 136 с.

2. Хопин, П.Н. Исследование прирабатываемости пар трения с твердосмазочными покрытиями / П.Н. Хопин // Технология машиностроения. -2011. - № 7 (109). - С. 44-49.

1. Karasik, I.I. Running-in Ability of Materials for Slider Bearings / I.I. Karasik. - M.: Science, 1978. - pp. 136.

2. Khopin, P.N. Investigation of running-in ability of friction pairs with solid lubricant coatings / P.N. Khopin // Engineering Techniques. - 2011. - No.7 (109). - pp. 44-49.

Сведения об авторах:

Хопин Пётр Николаевич, профессор Московского авиационного института (национального исследовательского университета), е-тай: с1юртр@1паП. ги.

тактная температура трения. Её повышение вызывает ускоренное разрушение связующих составляющих смазочной плёнки, термодеструкция которых определяет ресурс работы сопряжения с ТСП.

продолжительность приработки как в условиях вакуума, так и в нормальной атмосфере оказывает скорость скольжения пары трения.

4. Продолжительность приработки в вакууме по отношению к общей наработке составила от 24 до 41 %.

5. Продолжительность приработки в условиях вакуума при малых скоростях скольжения (V = 0,087 м/с) составляет 12,9 ч и в 5 раз превосходит аналогичный параметр для V = 0,5 м/с (2,5 ч).

6. Продолжительность приработки в условиях вакуума в 7-11 раз превосходит аналогичный показатель для условий нормальной атмосферы.

3. Хопин, П.Н. Комплексная оценка работоспособности пар трения с твердосмазочными покрытиями в различных условиях функционирования / П.Н. Хопин. - М.: МАТИ, 2012. - 255 с.

4. Хопин, П.Н. Оценка работоспособности пар трения с твердосмазочными покрытиями в условиях вакуума / П.Н. Хопин // Вестник НПО им. С.А. Лавочкина. - 2016. - № 2. - С. 85-90.

3. Khopin, P.N. Working Capacity Integrated Assessment of Friction Pairs with Solid Lubricant Coatings under Different Operational Conditions / P.N. Khopin. - M.: MATI, 2012. - pp. 255.

4. Khopin, P.N. Assessment of working capacity of friction pairs with solid lubricant coatings under conditions of vacuum / P.N. Khopin // Bulletin of Lavochkin STC. - 2016. - No.2. - pp. 85-90.

Статья поступила в редколлегию 27.03.18.

Рецензент: д.т.н., профессор МАИ Бойцов А.Г.

Khopin Peter Nikolaevich, Prof. of Moscow Aircraft Institute (National Research University), e-mail: chopinp@mail. ru.