ИССЛЕДОВАНИЕ ВОЗДЕЙСТВИЯ РЕМОНТНО-ВОССТАНОВИТЕЛЬНЫХ СОСТАВОВ НА ПОВЕРХНОСТИ ТРЕНИЯ НА ПРИМЕРЕ КУЛАЧКОВЫХ МЕХАНИЗМОВ АВТОТРАКТОРНЫХ

Очевидно, что толщина МКП будет определяться размером (количеством) прореагировавшей частицы РВС с двумя сопряжёнными поверхностями на пятне фактического контакта. Чем в более «жестких» условиях работает контакт, тем большее количество энергии будет находиться на поверхности, а, соответственно, и толщина МКП будет больше, так как в единицу времени большее количество частиц РВС прореагирует. Так же величина энергии, преобразованная в тепло, в виде температурной волны, будет проникать на большую глубину поверхностного слоя, а, соответственно, и молекулы РВС.

Саморегуляция процесса или, точнее называть, прекращение, обусловлено следующими явлениями. Реакция замещения происходит в очень короткий промежуток времени, очевидно, сравнимый со временем выделения энергии или температурной вспышкой в зоне фактического контакта. В результате прохождения реакции замещения на двух взаимодействующих точках единичных выступов контактирующих поверхностей, образуется МКП, трение металл – металл в данной точке заменяется парой трения керамика – керамика, что резко приводит к снижению выделяемой энергии в этой точке. При последующем контактировании этих же двух точек количества выделяемой энергии будет недостаточно для протекания реакции замещения, и процесс остановится.

Как уже отмечалось, толщина МКП будет зависеть от соотношения количества выделенной энергии и размером частицы РВС. Если размер частиц РВС, вводимых в сопряжение 1 – 50 мкм, то толщина МКП должна быть ещё меньше. Очевидно, что образованный тонкий керамический слой не сможет долго сохраняться на поверхности трения и, в конечном итоге, износится. В результате изнашивания МКП пара трения керамика – керамика вновь становится парой металл – металл и выделяемая энергия на взаимодействующих поверхностях возрастет. Если в этот момент частицы РВС так же будут находиться в зоне трения, то в этих локальных точках произойдёт повторная реакция замещения с образованием МКП.

На рис. 1 показан идеальный случай формирования МКП. На самом деле у сопряженных поверхностей контактирует множество микровыступов, взаимодействие которых обусловлено наибольшей суммой высот выступов первой поверхности и противолежащих выступов второй поверхности, поэтому МКП на поверхности единичного выступа не будет сплошным. Его площадь будет увеличиваться по мере вхождения последующего выступа в контакт с сопряжённой поверхностью. В итоге с возрастанием количества циклов взаимодействия (нагружения) поверхностей объединяя зоны локального образования МКП в общие зоны со значительно большей площадью покрытия.

Как отмечалось ранее, выделяющаяся на контакте тепловая энергия оказывает каталитическое воздействие на частицы РВС, приводящее к их активации.

В трущихся телах возникают две температурные области (зоны): область микрообъёмов поверхностного слоя, где происходит распространение температурных волн определённой амплитуды и частоты, а, следовательно, при всех режимах трения возникает колебание температур и область, где при стационарном режиме температура остаётся неизменной. Предельная температура на поверхности трения определяется как сумма температурной вспышки, возникающей при трении на фактическом пятне касания (вс), плюс температура от равномерно распределенного по всей номинальной площади детали теплового потока (а):

. (1)

При установившемся режиме эксплуатации объёмная температура деталей механизмов автотракторных двигателей создаётся от теплоты выделяемой ДВС в целом и поддерживается системой охлаждения около 100ОС. Как показывают расчеты, проведенные различными учеными, предельная температура на скользящем контакте в субмикроскопических частицах может доходить до 50000 ОС, поэтому изменение объемной температуры, практически ни какого влияния на предельную оказывать не будет.

Уравнение для определения максимальной температуры по Фазекасу в центре источника имеет следующий вид:

, (2)

где v - скорость относительного скольжения;

l - коэффициент теплопроводности;

с - удельная теплоёмкость;

r - плотность материала;

b - константа, значение которой колеблется от 2 до 6;

d - диаметр пятна касания;

qr - фактическое давление;

Н - твердость наиболее мягкого элемента.

В уравнении (2) второй множитель определяется величиной работы и размерами контакта, третий член зависит от материала пар трения, четвертый от микрогеометрии и механических свойств фрикционного материала.

Величина интенсивности единичного теплового источника в зоне фактического контакта определяется по формуле Х. Блока:

, (3)

где f - коэффициент трения;

N - нагрузка единичного пятна контакта;

A - площадь единичного пятна контакта;

J - механический эквивалент теплоты.

Анализируя приведенные зависимости можно сделать вывод: при постоянстве материалов и геометрических характеристик контакта на интенсивность единичного теплового источника и предельную температуру на поверхности трения наибольшее влияние оказывает скорость скольжения.

Как известно из трибологии, с увеличением номинального давления за счет пластической деформации возрастает число площадок фактического контакта, поэтому по формуле В.М. Хохлова увеличение номинального давления не оказывает влияние на изменение нагрузки единичного пятна контакта, а зависит только от материала пары трения:

, (4)

где T - предел текучести.

Таким образом, толщина образованного МКП будет зависеть от относительной скорости перемещения взаимодействующих поверхностей, а площадь этого покрытия будет зависеть от номинального давления, т. к. с его увеличением количество площадок фактического контакта возрастает.

	Рис. 3. Изменение зоны фактического контакта и образования МКП (вид сверху на зону контакта): S – подвижный зазор оси ролика толкателя и подшипников кулачкового вала; S1, S2, S3, S4, S5 – оси перемещения фактического пятна контакта и смещения зазора; Aс – контурная площадь контакта
Рис. 2. Моделирование взаимодействия поверхностей сопряжения кулачковый вал – ролик толкателя

Экспериментальные исследования рационально провести на профильных поверхностях кулачковых валов, эксцентричная форма которых обеспечивает изменение контактной нагрузки и линейной скорости множество раз за один оборот, что позволяет изучить механизм образования и изнашивания МКП при минимальном количестве экспериментов.

У сопряжения кулачковый вал – ролик толкателя в динамике взаимодействие поверхностей происходит весьма сложным образом. Это обусловлено особенностью контакта кинематической пары. Как видно на рис. 2, зона номинального контакта поверхностей кулачка и ролика толкателя образована вследствие деформирования, внутри неё находятся зоны контурной и фактической площади контакта. Путь, пройденный этими зонами за один оборот ролика толкателя, не будет соответствовать пути, пройденному этими же зонами за один оборот кулачка. Поэтому в одной и той же точке на поверхности ролика, через один оборот размеры и расположения зон фактического и контурного контакта изменятся. Так же влияние на изменение этих зон будет оказывать проскальзывание ролика толкателя относительно поверхности кулачка и осевое перемещение ролика вдоль кулачка, вследствие зазоров (рис. 3).

В третьей главе дано описание разработанной экспериментальной установки, изложена методика экспериментальных исследований, применяемая измерительная аппаратура и оборудование.

Экспериментальные исследования воздействия РВС на поверхности трения проводились в четыре этапа:

- определение фактического воздействия РВС на поверхности трения и на его основе разработка методики исследования геометрических характеристик образующегося покрытия;

- исследование площади образованного МКП на профильных поверхностях кулачкового вала с течением времени при изменении контактной нагрузки и скорости качения;

- исследование толщины образованного МКП на профильных поверхностях кулачкового вала при изменении контактной нагрузки и скорости качения;

- определение изменения концентрации продуктов износа в масляной ванне во время наработки без РВС и с введённым РВС при проведении стендовых и эксплуатационных испытаний.

Для исследования воздействия РВС на поверхности трения была разработана экспериментальная установка (рис. 4), в основе которой использован корпус ТНВД 4ТН 9х10, в качестве привода использован стенд КИ-921М (СТДА-2), в качестве объекта исследования выбран кулачковый вал ТНВД 4ТН9х10. Сжимающее усилие на профильных поверхностях кулачкового вала создаётся нагрузочными пружинами, настроенными, исходя из анализа усилий в реальных кулачковых механизмах с 50% перекрытием относительно друг друга. Объёмная температура поддерживается при помощи нагревательного элемента с термопрерывателем.

Исследование площади образующегося МКП на профильных поверхностях кулачкового вала проводилось по разработанной методике на микроскопе МИМ-7, к которому было изготовлено приспособление, позволяющее координировать кулачковый вал в пространстве с сохранением значений координат при его демонтаже. Шаг линейного перемещения профиля кулачка относительно объектива микроскопа, соответствующего зоне изменения сжимающего усилия и скорости качения, был принят 1мм, шаг углового перемещения профиля кулачка относительно объектива микроскопа в зонах с постоянным сжимающим усилием и скоростью качения принят 15О. В итоге на профильных поверхностях кулачкового вала экспериментальной установки находится 212 исследуемых точек, из которых 134 с изменяющимися значениями сжимающего усилия и скорости качения и 78 с постоянными.

Расчет скорости качения и усилия, создаваемого в исследуемых точках на поверхности профиля кулачка, проводился способом геометрического построения и измерения при помощи контактного моделирования для каждой исследуемой точки в чертежно-конструкторском редакторе КОМПАС-ГРАФИК. Изменение

Рис. 4. Схема экспериментальной установки: 1 – регулировочная гайка; 2 – верхняя опора; 3 – нагрузочная пружина; 4 – нижняя опора; 5 – роликовый толкатель; 6 – кулачковый вал; 7 – масляная ванна с РВС препаратом; 8 – нагревательный элемент; 9 – корпус; 10 – термопрерыватель; 11 – стопорный винт; 12 – крышка

линейной скорости на поверхности профилей кулачкового вала находилось в пределах 1,42 – 2,31 м/с, нагрузки 35 – 464 Н.

При исследовании площади МКП наработка кулачкового вала на экспериментальной установке в присутствии частиц РВС составила 120 ч. Через каждые 20 ч наработки экспериментальная установка разбиралась, и все исследуемые точки на поверхности профиля кулачка фотографировались при увеличении в 500х для дальнейшей обработки и анализа.

Исследование толщины образующегося МКП на профильных поверхностях кулачкового вала проводилось по разработанной методике на микроскопе МИМ-7, по микрошлифам, изготовленным из торцевых срезов кулачков, в зонах с постоянной скоростью качения. Отпиленные части кулачка заливались эпоксидной смолой и, после высыхания, обрабатывались на шлифовальной машине. Все исследуемые на срезах точки фотографировались при увеличении в 650х для дальнейшей обработки и анализа. При исследовании толщины МКП наработка для каждого из 4 кулачковых валов в присутствии частиц РВС составила 60 ч. Изменение линейной скорости на поверхности профилей кулачкового вала находилось в пределах 0,92 – 2,71 м/с, нагрузки 35 – 464 Н.

Расчет площади и толщины МКП проводился по фотографиям в чертежно-конструкторском редакторе КОМПАС-ГРАФИК путем наложения линий, ограничивающих изображение и соотношения с действительным размером участка видимого в окуляр микроскопа, измеренного объект микрометром при данном увеличении.

Травление образцов при микроскопическом исследовании проводилось 2% раствором азотной кислоты в этиловом спирте.

Исследование изменения концентрации продуктов износа в масляной ванне при наработке без РВС и с введенным РВС проводилось в лабораторных условиях, на экспериментальной установке и при проведении эксплуатационных испытаний. Целью этого исследования было установить изменение интенсивности изнашивания поверхностей трения при наработке без РВС и с введенным РВС.

Для определения изменения концентрации продуктов износа в масляной ванне после введения РВС на экспериментальной установке работало 2 кулачковых вала: 1 – без РВС; 2 – с РВС. Время наработки для каждого кулачкового вала составляло 120 ч. Отбор проб проводился через 20 ч наработки.

Эксплуатационные испытания проводились в хозяйствах Омской области на 7 ТНВД с наибольшим сроком наработки 800 моточасов.

Измерение концентрации продуктов износа в отобранных пробах проведено при помощи спектрального анализа по стандартной методике с использованием фотоэлектрической установки МФС-7.

В четвертой главе приведены результаты экспериментальных исследований.

Проведённые исследования показали: МКП невозможно измерить микрометрическими способами. Исходя из предположения, что керамика не вступает в реакцию с кислотой, был разработан способ микроскопического исследования МКП на профиле кулачка путем выявления непротравленных зон (рис. 5).

Площадь образованного покрытия в одной и той же исследуемой на поверхности профиля кулачка точке с течением времени наработки непостоянна, она изменяется в больших пределах, а в некоторых исследуемых временных интервалах вообще отсутствует. Это позволяет сделать вывод о цикличности протекания процесса образования МКП и подтверждает гипотезу, что составы образуют на поверхности тонкое покрытие, чередуясь стадиями образования и изнашивания этого покрытия.

Как видно на рис. 5, б в момент начала образования площадь МКП состоит из множества локальных площадок, имеет незначительную величину и размытые границы. По мере увеличения количества циклов взаимодействия (нагружения) локальные площадки начинают объединяться между собой, создавая площадки больших размеров (рис. 5, в), в итоге увеличивая общую площадь образованного МКП. Со временем наступает момент, когда все контактирующие зоны покрываются слоем металлокерамики, процесс образования прекращается и начинается процесс изнашивания образованного слоя (рис. 5, г).

В рамках исследуемых временных интервалов наиболее сформированное МКП было образовано после 60 ч наработки установки или 3 060 000 циклов

а		б
в		г
Рис. 5. Динамика образования и изнашивания МКП (увеличение 500Х): а – структура металла без РВС; б – стадия формирования покрытия; в – сформированное покрытие; г – стадия изнашивания покрытия

взаимодействия исследуемых точек на профиле кулачка с роликом толкателя, менее сформированное после 80 ч или 4 080 000 циклов взаимодействия. После 20 ч наработки (1 020 000 циклов взаимодействия) МКП отсутствовало во всех точках на поверхности кулачков. В разрезе 40, 100 и 120 ч наработки (2 040 000, 5 100 000 и 6 120 000 циклов взаимодействия соответственно) поверхностный слой находился либо в стадии начала формирования покрытия, лишь в некоторых точках объединившись в более крупные, либо в стадии изнашивания.

Площадь образованного МКП рассчитывалась после 60 и 80 ч наработки экспериментальной установки с введенным ремонтно-восстановительным составом. В этих временных интервалах покрытие было наиболее сформированным, имело максимальную площадь и четко различимые границы. Расчет площади МКП во

Рис. 6. Зависимость площади образованного МКП на поверхности профиля кулачка от сжимающего усилия и скорости качения: а – после 60 ч наработки; б – после 80 ч наработки	Рис. 7. Зависимость толщины образованного МКП на поверхности профиля кулачка от сжимающего усилия и скорости качения