Особенности проведения испытаний на совместимость

Перед проведением испытаний на совместимость необходимо выполнить ряд подготовительных этапов, учет каждого из которых необходим для достижения адекватности полученных результатов. В испытаниях на совместимость необходимо учитывать взаимодействие как минимум семи независимых факторов: а) материал одного тела; б) технология его обработки; в) материал контртела; г) технология обработки контртела; д) среда (смазочный материал, наличие коррозионно-активных компонентов, абразивных материалов и т.п.); е) режимы эксплуатации (нагрузка, температура); ж) конструктивные особенности узла трения; з) требуемые показатели надежности узла трения. Чтобы проиллюстрировать главную проблему испытаний на совместимость представим, что мы разрабатываем новый узел трения, для которого каждый из данных факторов нужно поварьировать пять раз. При средней длительности одного испытания 1 час и необходимости, как минимум, трехкратного повтора для статистического анализа полный факторный эксперимент займет около 120 лет. Поэтому испытания на совместимость применяют, как правило, с целью совершенствования уже существующих узлов трения для повышения их эксплуатационных характеристик. Для этого в каждом исследовании совместимости обычно изменяют только один или два фактора. Остальные при этом должны быть полностью воспроизводить характеристики рассматриваемого узла трения и условия его эксплуатации.

Выбор улучшаемых (варьируемых) факторов является первым этапом исследований. Необходимо, с одной стороны максимально расширить границы варьирования для того, чтобы найти наилучшее сочетание условий и, с другой стороны, разумно ограничить количество испытаний, чтобы минимизировать затраты. Стратегически важно решить эту задачу грамотно, чтобы получить желаемый результат. Во-первых, для этого можно использовать колоссальный накопленный опыт использования трибоматериалов в различных машинах, работающих в различных условиях. Во-вторых, - обширные теоретические данные, известные из трибологии, физики, химии, механики и др. наук. В-третьих, - сведения о передовых прикладных разработках в мире в области создания новых конструкционных материалов, смазочных материалов, антифрикционных противоизносных покрытий, конструкций и методологий проектирования узлов трения, технологий упрочняющей обработки.   

Второй подготовительный этап заключается в изготовлении образцов для испытаний, рабочие поверхности которых идентичны поверхностям рассматриваемой пары трения (за исключением случая, когда целью испытаний является анализ совместимости конструкционных материалов и технологий их обработки). В ряде случаев (это лучший вариант) удается для испытаний использовать и натурные образцы деталей узлов трения. Либо образцы для испытаний вырезают из натурных деталей. Если такой возможности нет, то образцы для испытаний должны не только быть изготовлены из тех же материалов, что и рассматриваемый узел трения, но и иметь такую же микрогеометрию (волнистость, шероховатость, смазочные канавки и т.п.), физико-механические свойства (твердость, остаточные деформации и напряжения и т.п.), структуру, химический состав и т.д. Это достигается использованием одинаковой технологии обработки образцов и натурных деталей.

Примеры экономичного использования натурных образцов приведены на рисунках 1.4, 1.5. При натурных испытаниях ламельных контактных пар (рис. 1.4 а) требуется двадцать две посеребренные ламели на одно испытание. При испытаниях на совместимость (рис. 1.4 б) за счет изменения направления трения, имея одну ламель, можно произвести пять испытаний. Другой пример. При натурных испытаниях упорных шайб буровых долот (рис. 1.5 а) на износостойкость одной посеребренной шайбы хватает на два испытания (с двух сторон). При испытаниях на совместимость (рис. 1.5 б) за счет изменения площади контакта на одной шайбе проводятся до сорока испытаний.

                                          а                                                  б

Рис. 1.4. Иллюстрация натурных испытаний (а) и испытаний на совместимость (б) контактных ламельных пар электрических аппаратов.

                                     а                                                            б

Рис. 1.5. Образцы для натурных испытаний (а) и испытаний на совместимость (б) упорных шайб герметизированных опор буровых долот.

Третий этап оценки совместимости трибоматериалов [6] заключается в анализе условий работы узла трения, на основе которого выделяются наиболее существенные факторы, влияющие на формирование режима трения и ведущего механизма повреждаемости поверхностей. Этот анализ опирается на теоретические данные, а также на экспериментальные результаты мониторинга эксплуатационных режимов (если таковые имеются) или на изучении состояния поверхностей трения после выработки ресурса исследуемых трибосистем. К числу важнейших условий, которые следует учитывать и воспроизводить при экспериментах на совместимость (если только целью исследований не является их оптимизация), относятся: среда, действующие нагрузки и температуры. В качестве среды, как правило, используются различные смазочные материалы. Во многих случаях совершенствование трибосистем связано именно с выбором подходящей смазки, поскольку это самый малозатратный способ повышения ресурса узла трения. При этом надо учитывать, что малейшие изменения в рецептуре смазочного материала, могут привести к значительным изменениям его смазывающих свойств. Не только добавки и присадки могут изменить качество смазки, но даже случайные отклонения в технологии их изготовления. Это приводит к тому, что свойства одного и того же смазочного материала (особенно для новых марок) могут меняться от партии к партии. По этой причине иногда трудно бывает дать объективную оценку свойств смазочного материала по результатам испытаний только одной партии. Известен также маркетинговый ход, когда производители смазочных материалов намеренно поставляют первые пробные партии более высокого качества, чем последующие.

При анализе режимов нагружения узла трения следует учитывать не только статическое давление и его распределение в зоне контакта, но и динамические воздействия (удары, вибрации), которые в той или иной мере сопровождают работу всех узлов трения и могут существенно ускорить износ пар трения. Обычно динамичностью нагружения при лабораторных испытаниях пар трения пренебрегают из-за сложности их воспроизведения на машинах трения. Но бывают случаи, когда делать это нецелесообразно. Особенно динамичность нагружения опасна в случае возникновения контактного резонанса, когда частота возмущающих колебаний совпадает с собственной частотой фрикционного стыка, для оценки которой имеются специальные методики [16]. На величину и распределение контактного давления оказывает влияние приложенная нормальная нагрузка, макро- и микрогеометрия контактирующих деталей, а также механические свойства материала поверхностого слоя (микротвердость, контактная жесткость и т.п.). Фундаментальные работы по моделированию контактного взаимодействия поверхностей трения принадлежат Г. Герцу, И.В. Крагельскому, Гринвуду, В.А. Журавлеву, И.Г. Горячевой, Н.Б. Демкину и др. В настоящее время для анализа распределения контактных давлений все чаще используют методы численного анализа путем построения имитационной модели пары трения с использованием программных средств для конечно-элементного моделирования (Ansys, LS-Dyna и др.) [16]. Для воспроизведения эксплуатационных условий при испытаниях задают идентичные нагрузку и температуру, а также используют образцы, реализующие такой же тип контакта (точечный, линейный и поверхностный), что и рассматриваемый узел трения.          

Четвертый этап заключается в соблюдении при испытаниях на совместимость правила конструктивной симметрии, которая охватывает не только требование максимального подобия формы испытуемых образцов и рассматриваемого сопряжения (лучше, если удается использовать в качестве образцов натурные детали), но и воспроизведение всех других особенностей: распределение деталей в контакте по твердости, наличие и форма смазочных канавок, характеристики системы охлаждения, способы подвода смазочного материала в зону трения, объем смазочного материала в узле трения, коэффициент обновления смазки в зоне трения и др.

Пятый этап заключается в выборе требуемых показателей надежности трибоузла, которые выступают в качестве критериев успешности поиска исследований на совместимость. Эти показатели могут носить качественный характер (например, долговечность должна быть выше, чем у существующего прототипа) или иметь количественную оценку (например, ресурс узла трения задается на уровне ведущих фирм).    

Шестой этап заключается в выборе испытательной установки для проведения исследований на совместимость. Отечественной и зарубежной промышленностями выпускаются специализированные и универсальные машины для проведения лабораторных испытаний на трение и изнашивание различных марок ЧШМ-К1, ИИ 5018, УМТ 2168, УТУ-1, УТУ-2, УТУ-3, ПД-2, 2070 СМТ-1, TE 92 Мicroprocessor controlled rotary tribometer (фирмы PLINT), Micro-Tribometer mod. UMT -2 и др. Большинство данных машин при соблюдении вышеперечисленных условий пригодны для оценки фрикционной совместимости трибоматериалов. Их общий недостаток заключается в ограниченности диапазона нагружения образцов; зачастую наблюдается низкая корреляция результатов испытаний с натурой; необходимость изготовления большого количества образцов (например, роликов диаметром 40 мм для машины СМТ-1); высокая стоимость оборудования (цена компьютеризированных стендов колеблется от 200 тыс. руб. до 1,5 млн. руб.). Это вынуждает отечественные предприятия осуществлять работы по проектированию и изготовлению специализированных стендов для лабораторных и натурных испытаний узлов трения. Во многих случаях решить проблему выбора машины трения можно за счет использования универсальной машины трения, разработанной в лаборатории наноструктурированных покрытий СамГТУ, описание которой приведено в следующем разделе. 

Седьмой этап – выбор существующей (а иногда и разработка новой) методики испытаний на совместимость. При испытаниях на совместимость должна, пусть с некоторым упрощением, воспроизводиться схема трения и тип перемещений, реализуемые в рассматриваемом узле трения. Первое, на что следует обратить внимание, – это стандартные методики испытаний, описанные в достаточно большом количестве ГОСТов и руководящих документах. Наиболее распространенные схемы таких испытаний для различных видов изнашивания и типов перемещений в контакте приведены на рис. 1.6-1.13. При этом следует учитывать, что, несмотря на наличие отечественных и международных стандартов в области испытаний на изнашивание, основной проблемой до сих пор остается трудность создания при испытаниях условий, близких к условиям работы реальных пар трения, что в существенной мере сказывается на корректности принятия технических решений, касающихся выбора материала и технологии нанесения противоизносных покрытий. Например, часто применяемые испытания (по четырехшариковой схеме, схеме «шар-диск» и др.) годятся только для грубой отбраковки смазок и их результаты слабо коррелируют с натурой. Описанию ряда методик испытаний на совместимость посвящены последующие главы книги.

Главный критерий корректности реализации вышеуказанных этапов заключается в том, что в процессе трения испытуемых образцов при исследовании их совместимости должны возникать такие же виды трения и изнашивания, температуры саморазогрева, вторичные структуры, равновесная шероховатость, как и в условиях эксплуатации. При этом сравнительный анализ характеристик трения, изнашивания и надежности модельной пары трения должен хорошо коррелировать с натурой.

В целом испытания на совместимость совмещают достоинства стандартных лабораторных испытаний и натурных испытаний. Со стандартными испытаниями их объединяет: 1) возможность использования универсального оборудования для триботехнических испытаний, что позволяет избежать проектирования сложных и дорогостоящих специализированных стендов для натурных испытаний; 2) относительно малая длительность испытаний (минуты и часы) по сравнению с натурными испытаниями, занимающими часы и дни; 3) в ряде случаев для оценки совместимости можно использовать хорошо зарекомендовавшие себя стандартные методики испытаний; 4) упрощенная и уменьшенная форма образцов, что удешевляет их изготовление; 5) малый расход смазочных материалов. С натурными испытаниями исследования на совместимость объединяет: максимальное воссоздание условий эксплуатации материалов в модельной паре трения; в ряде случаев имеется возможность использования натурных образцов; хорошая корреляция результатов испытаний с натурой.