Оценка несущей способности смазочного граничного слоя при трении скольжения

УДК 621.43-4

ОЦЕНКА НЕСУЩЕЙ СПОСОБНОСТИ СМАЗОЧНОГО ГРАНИЧНОГО СЛОЯ ПРИ ТРЕНИИ СКОЛЬЖЕНИЯ

© Б.И. Ковальский1, В.Г. Шрам2, О.Н. Петров3, Г.Н. Химич4

Сибирский федеральный университет, Институт нефти и газа, 660041, Россия, г. Красноярск, пр. Свободный, 82/6.

Представлены результаты исследования влияния продуктов температурной деструкции, электрического потенциала и нагрузки на несущую способность граничного слоя при испытании минерального моторного масла М-8Г2К в диапазоне температур от 140 до 300° С. Установлено, что с увеличением температуры термостатиро-вания масла и концентрации продуктов температурной деструкции несущая способность граничного слоя уменьшается, а электрический потенциал и нагрузка увеличивают несущую способность при определенных значениях температуры термостатирования и концентрации продуктов температурной деструкции. Ключевые слова: температура термостатирования; площади пятна износа; давление в контакте; несущая способность граничного слоя; коэффициент поглощения светового потока; электрический потенциал.

EVALUATION OF LUBRICANT BOUNDARY LAYER BEARING CAPACITY UNDER SLIDING FRICTION B.I. Kowalski, V.G. Shram, O.N. Petrov, G.N. Khimich

Siberian Federal University, Institute of Oil and Gas, 82/6, Svobodny pr., Krasnoyarsk, 660041, Russia.

The paper introduces the results of studying the effects of thermal degradation products, electric potential and the load on boundary layer bearing capacity when testing М-8Г2К mineral motor oil at temperatures ranging from 140 to 300 0C. It is found that the higher oil thermostating temperature and concentration of oil degradation products the lower is bearing capacity of the boundary layer, whereas the electric potential and load increases the bearing capacity under certain thermostating temperatures and concentrations of thermal degradation products.

Keywords: thermostatic control temperature; wear scar area; contact pressure; bearing capacity of the boundary layer; light flux absorption coefficient; electric potential.

В процессе эксплуатации механических систем свойства смазочных материалов изменяются в результате процессов окисления, температурной, механической и химической деструкций, протекающих одновременно на поверхностях трения в контакте. Температурная стойкость смазочных материалов характеризует температурную область их применения и определяется по ГОСТ 23.221-84 при трении скольжения по критическим температурам, нагрузкам схватывания и обобщенным показателям износа. Все эти показатели определяются по величине износа при коэффициенте трения на четырехшариковой машине трения.

Целью настоящих исследований является определение влияния продуктов температурной деструкции на несущую способность граничного слоя смазочного масла.

Для исследования выбрано минеральное моторное дизельное масло М-8Г2к.

Методика исследования предусматривала испытания масла М-8Г2К в два этапа. На первом этапе масло термостатировалось в диапазоне температур от 140 до 300°С в течение 8-ми часов с увеличением температуры на 10°С. Второй этап включал испытания термостатированных масел при каждой температуре на трехшариковой машине трения со схемой «шар -цилиндр» [1]. Параметры трения составили: нагрузка -13, 23, 33 Н, скорость скольжения - 0,68 м/с, температура масла в объеме - 80°С, время испытания -2 часа.

Отличительной особенностью машины трения является то, что происходит контакт трех шариков с поверхностью цилиндра по индивидуальным дорожкам трения и пропускание постоянного тока через одну

1 Ковальский Болеслав Иванович, доктор технических наук, профессор кафедры топливообеспечения и горюче -смазочных материалов, тел.: 89135111745, e-mail: labsm@yandex.ru

Kowalski Boleslav, Doctor of technical sciences, Professor of the Department of Fuel Supply, Fuel and Lubrication materials, tel.: 89135111745, e-mail: labsm@yandex.ru

2Шрам Вячеслав Геннадьевич, кандидат технических наук, доцент кафедры топливообеспечения и горюче -смазочных материалов, тел.: 89504014163, e-mail: shram18rus@mail.ru

Shram Vyacheslav, Candidate of technical sciences, Associate Professor of the Department of Fuel Supply, Fuel and Lubrication materials, tel.: 89504014163, e-mail: shram18rus@mail.ru

3Петров Олег Николаевич, кандидат технических наук, доцент кафедры проектирования и эксплуатации газонефтепроводов, тел.: 89607526235, e-mail: petrov_oleq@mail.ru

Petrov Oleg, Candidate of technical sciences, Associate Professor of the Department of Gas and Oil Pipeline Designing and Operation, tel.: 89607526235, e-mail: petrov_oleq@mail.ru

4Химич Глеб Николаевич, аспирант, тел.: 89080190366, e-mail: gleb.himich@mail.ru Khimich Gleb, Postgraduate, tel.: 89080190366, e-mail: gleb.himich@mail.ru

пару трения величиной 100 мкА от стабилизированного источника напряжения 3В, что позволило выявить влияние электрического потенциала на изнашивание. Величина износа измерялась с помощью оптического микроскопа «Альтами МЕТ1М».

На рис. 1 представлены зависимости давления в контакте от температуры термостатирования минерального масла, электрического потенциала и нагрузки. Показано, что для масел, термостатированных в диапазоне температур от 140 до 1600С, давление в контакте (кривые 1) незначительно изменяется при нагрузке 13 Н (рис. 1, а), незначительно увеличивается при нагрузке 23 Н (рис. 1, б) и уменьшается при нагрузке 33 Н (рис. 1, в) по сравнению с товарным маслом (точка на ординате). При температурах выше 1600С наблюдается резкое снижение давления в контакте, переходящее к стабилизации. Начало стабилизации давления зависит от нагрузки. Так, для нагрузки 13 Н (рис. 1, а) стабилизация наступает при температуре термостатирования масла 2200С, нагрузки 23 Н (рис. 1, б) - при температуре 1800С, а для нагрузки 33 Н - 2000С (рис. 1, в).

Кроме того, величина давления при стабилизации также зависит от нагрузки. Так, при нагрузке 13 Н она равна 2,5 кг/мм2, 23 Н - 4 кг/мм2 и 33 Н - 5,5 кг/мм2.

Зависимости влияния электрического потенциала на давление в контакте представлены на рис. 1 (кривые 2).

При наличии электрического потенциала в зоне трения давление уменьшается как для товарного масла, так и термостатированных масел в диапазоне температур от 1400С до 1600С по сравнению с маслами, испытанными без электрического потенциала (кривые 1). Нагрузка в контакте по-разному влияет на давление в контакте. Так, при нагрузке 13 Н (рис. 1, а, кривая 2) установлены значительные увеличения давления в контакте при температурах 220, 260 и 2900С, достигающих значений 48-54 кг/мм2. Существуют температурные области (230-2500С, 270-2800С), где давление стабилизируется на уровне 3-4 кг/мм2.

Для нагрузки 23 Н кривая q = f(t) повторяет кривую, полученную при испытании масел без электрического потенциала, однако при температурах 250 и 3000С получены скачкообразные увеличения давления соответственно 29 и 46 кг/мм2.

Для нагрузки 33 Н (рис. 1, в, кривая 2) зависимость q = fff) в диапазоне температур от 140 до 2000С подвержена значительным колебаниям, в диапазоне температур термостатирования масел от 2000С до 3000С давление в контакте стабилизируется на уровне 6-8 кг/мм2.

Рис. 1. Зависимости давления в контакте от температуры термостатирования минерального моторного масла М-8Г2К, электрического потенциала: а - нагрузка 13 Н; б - нагрузка 23 Н; в - нагрузка 33 Н

Влияние концентрации продуктов температурной деструкции на давление в контакте исследовалось зависимостями давления от коэффициента поглощения светового потока и нагрузки (рис. 2). При отсутствии электрического потенциала на поверхностях трения (кривые 1) значение давления в контакте практически стабильно до значения коэффициента поглощения светового потока Кп, равного 0,07.

С увеличением коэффициента Кп установлено резкое понижение давления в контакте, переходящее к стабилизации. Понижение давления происходит за небольшое увеличение коэффициента Кп, зависящее от нагрузки. Так, при нагрузке 13 Н (рис. 2, а, кривая 1) понижение давления по стабильной величине происходит при изменении коэффициента Кп от 0,07 до 0,2, при нагрузке 23 Н - от 0,07 до 0,1 и нагрузке 33 Н - от 0,07 до 0,2.

Дальнейшее увеличение коэффициента Кп не вызывает существенного изменения давления в контакте, но оно зависит от нагрузки. Так, при нагрузке 13 Н стабилизация наступает при давлении 2,5 кг/мм2, 23 Н - 4 кг/мм2, 33 Н - 5,5 кг/мм .

При наличии электрического потенциала в зоне контакта давление в нем изменяется по зависимо-

стям, полученным при отсутствии потенциала с той лишь разницей, что при некоторых значениях коэффициента Кп наблюдается резкое увеличение давления, что вызывает усиление адсорбционных процессов на поверхностях трения, уменьшающих износ и, соответственно, номинальную площадь контакта.

Таким образом, стабилизация давления в контакте, независимо от наличия или отсутствия электрического потенциала на поверхностях трения, наступает на определенных температурных участках и диапазонах изменения коэффициента Кп, т.е. в этих случаях давление не зависит от температуры термостатирования масла и его оптических свойств. Однако изменение оптических свойств масла (рис. 3, а) при термо-статировании характеризуется тремя температурными участками. На первом участке в температурном интервале от 140 до 170 С оптические свойства изменяются незначительно. На втором участке (от 180 до 2400С) наблюдается линейное увеличение оптических свойств термостатированного масла, а на третьем участке, начиная от 240 до 300 0С, наблюдается резкое увеличение оптических свойств. В этом случае можно предположить, что на стабилизацию давления

Рис. 2. Зависимости давления в контакте от коэффициента поглощения светового потока, электрического потенциала и нагрузки при триботехнических испытаниях минерального моторного масла М-8Г2К: 1 - без потенциала; 2 - с потенциалом; а - нагрузка 13 Н; б - нагрузка 23 Н; в - нагрузка 33 Н

lamnl

Транспорт

влияет концентрация продуктов температурной деструкции П на площади контакта (рис. 3, б), которая определялась выражением

П=Кп,

S

где Кп - коэффициент поглощения светового потока при термостатировании масла; Б - площадь пятна износа при триботехнических испытаниях термостатированных масел.

Согласно данным (рис. 3, б) зависимости коэффициента концентрации продуктов окисления от температуры и нагрузки также имеют три характерных температурных участка, которые отражают изменение оптических свойств при термостатировании масел (рис. 3, а). Так, температурный предел первого участка ограничен температурной областью от 140 до 1700С, где коэффициент концентрации продуктов температурной деструкции увеличивается, а затем снижается. Причем с повышением нагрузки концентрация продуктов деструкции на площади фрикционного контакта уменьшается, т.е. при одном и том же значении коэффициента Кп (оптических свойствах масла) концентрация продуктов температурной деструкции на площади контакта уменьшается с увеличением нагрузки за счет увеличения площади контакта.

Вторая температурная область изменения коэффициента концентрации продуктов температурной деструкции на площади контакта определяется температурами от 170 до 240 0С, где концентрация стаби-

лизируется на самом низком значении и также зависит от нагрузки. Третья область определяется температурами выше 2400С, где коэффициент концентрации П повторно увеличивается за счет более интенсивного увеличения оптических свойств термостатированного масла (рис. 3, а).

Зависимости изменения коэффициента концентрации продуктов температурной деструкции на площади контакта от коэффициента Кп и электрической поляризации поверхностей трения представлены на рис. 4 для нагрузок 13, 23, 33 Н.

Установлено, что при малых значениях коэффициента Кп концентрация продуктов температурной деструкции на площади контакта увеличивается независимо от поляризации поверхностей трения. Однако при наличии электрической поляризации в контакте при определенных значениях коэффициента Кп наблюдается резкое увеличение концентрации продуктов температурной деструкции на площади контакта, вызванное увеличением площади контакта. Кроме того, при отсутствии поляризации в контакте установлен линейный участок изменения концентрации продуктов температурной деструкции на площади контакта от коэффициента Кп, начало которого (рис. 4, кривые 1) определяется нагрузкой, приложенной к контакту. Так, начало линейного участка от нагрузки определяется следующими значениями коэффициента Кп: для нагрузок 13 Н - Кп = 0,23; 23 Н - Кп = 0,1; 33 Н -Кп = 0,15. Эти значения коэффициентов Кп соответствуют началу участков стабилизации давления в контакте (рис. 2).

140 160 180 200 220 240 260 280 300

Рис. 3. Зависимости коэффициентов поглощения светового потока Кп (а) и концентрации продуктов температурной деструкции на площади фрикционного контакта П (б) от температуры термостатирования и нагрузки: 1 - нагрузка 13 Н; 2 - нагрузка 23 Н; 3 - нагрузка 33 Н

Рис. 4. Зависимости коэффициента концентрации продуктов температурной деструкции от коэффициента поглощения светового потока и нагрузки при термостатировании минерального моторного масла М-8Г2К: 1 - без электрического потенциала на паре трения; 2 - с электрическим потенциалом; а - нагрузка 13 Н; б - нагрузка 23 Н; в - нагрузка 33 Н

Итак, сформулируем выводы:

1. Электрическая поляризация поверхностей трения от внешнего стабилизированного источника напряжения понижает давление в контакте независимо от нагрузки в диапазоне температур от 140 до 1600С.

2. Давление в контакте уменьшается при малых значениях коэффициента поглощения светового потока (низких температурах термостатирования масел) и в дальнейшем стабилизируется и не зависит от температуры термостатирования и изменения оптических

свойств масел, однако концентрация продуктов температурной деструкции в контакте увеличивается.

3. При создании на поверхностях трения электрической поляризации давление в контакте резко увеличивается при определенных значениях температуры термостатирования и оптических свойств масла, что объясняется образованием на поверхностях трения модифицированных слоев, уменьшающих площадь контакта (величину износа).

Статья поступила 06.07.2015 г.

Библиографический список

1. Пат. № 2428677, РФ, МПК 00!И 19/02. Устройство для патентообладатель ВПО «Сибирский федеральный универ-испытания трущихся материалов и масел / Б.И. Ковальский, ситет»; опубл. 10.09.2011. Бюл. № 25. Ю.Н. Безбородов, О.Н. Петров, В.И. Тихонов; заявитель и