Установка и методика для исследования электрических свойств граничного смазочного слоя при трении металлов

Увеличение несущей способности узлов трения и срока их службы в большой степени зависит от правильного выбора смазочных материалов. Непрерывное развитие техники приводит к созданию новых смазочных материалов с заданными эксплуатационными параметрами. Поэтому, современные смазочные материалы часто представляют собой многокомпонентные смеси, имеющие в своем составе до нескольких десятков различных присадок. Назначение присадок может быть различным, однако, их взаимодействие может приводить как к усилению, так и к снижению действия каждой присадки. На данном этапе развития трибологии процесс подбора смазочных композиций осуществляется большей частью эмпирически, следовательно, очень большую значимость приобретает вопрос разработки методов исследований триботехнических характеристик различных смазочных материалов и пар трения.

Одно из основных действий смазочного материала — это образование на поверхности трения граничных смазочных слоев, приводящих к значительному снижению сил трения и износа. Независимо от назначения, практически все присадки обладают способностью образовывать адсорбированные слои на поверхности металла. Следовательно, при разработке новых смазочных композиций необходимы методы исследований, позволяющие определять свойства граничных смазочных слоев, причем желательно эту информацию получать непосредственно в процессе трения {in situ).

Методов, позволяющих получать адекватную информацию о процессах происходящих в зоне трения, очень небольшое число в силу малой доступности такого объекта, как «работающий» смазочный слой и влияния внешних факторов, зачастую плохо контролируемых. Методов исследования граничных смазочных слоев непосредственно при трении еще меньше, что позволяет утверждать о необходимости разработки новых методов в этом направлении.

В данной работе была предпринята попытка создания метода исследований, который позволил бы проводить комплексное исследование граничных слоев при трении металлов.

АКТУАЛЬНОСТЬ РАБОТЫ.

В состав современных смазочных композиций может входить до нескольких десятков присадок различного функциональ ного назначения, практически каждая из которых обладает способностью образования граничных смазочных слоев, что сказывается на трибологических характеристиках смазочных материалов.

Как правило, стандартные методы изучения граничного слоя не позволяют проводить его исследования непосредственно в процессе трения. Это приводит к тому, что оптимизация смазочных композиций осуществляется на основе применения устаревших методов, которые не позволяют получать адекватную информацию о процессах, происходящих в смазочных слоях. В связи с этим актуальной является задача создания новых методов исследований граничных смазочных слоев непосредственно в процессе трения.

ЦЕЛЬ РАБОТЫ.

Создание установки и методики для исследования электрических свойств граничного смазочного слоя при трении металлов.

ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ.

1. Разработать многофункциональную измерительную систему для совместного измерения электрических и механических свойств смазочного слоя при трении металлических поверхностей.

2. Создать методику исследования смазочных материалов на вновь разработанной установке, оценить погрешности измерений.

3. Исследовать влияние нагрузки, скорости скольжения и вязкости масел на электрические характеристики смазочного слоя для различных масел и присадок.

4. Интерпретировать полученные результаты с учетом современных представлений о механизме смазочного действия и оценить возможности разработанной измерительной системы.

НАУЧНАЯ НОВИЗНА.

1. Разработан метод измерения активного сопротивления смазочного слоя в точечном контакте металлических поверхностей на основе использования кварцевого диэлькометра, позволяющий измерять активное сопротивление л Т контакта в диапазоне 10 .10 Ом.

2. Создана многофункциональная система одновременного измерения коэффициента трения, активного сопротивления смазочного слоя и электрической емкости пары трения при скольжении металлических поверхностей при возможности вариации контактной нагрузки в пределах 0,1. 1,0 Н в диапазоне скоростей скольжения 0,04. 0,8 м/с.

3. Разработан новый метод исключения влияния дополнительных трибокон-тактов на измеряемые электрические параметры исследуемого контакта за счет применения цилиндрического шунтирующего конденсатора с подвижной обкладкой.

4. Получены результаты совместного измерения коэффициента трения, электрического сопротивления и электрической емкости смазочного слоя, образованного растворами присадок поверхностно-активного вещества (ПАВ) и ряда химических соединений группы мезогенов.

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЦЕННОСТЬ.

Созданная измерительная система, разработанные методики выполнения эксперимента и расчетов электрических и фрикционных характеристик могут быть использованы для исследований смазочных материалов на неводной основе в процессе создания смазочных композиций. Измерительная система и соответствующие методики используются при выполнении исследовательских работ на кафедре технической физики Ивановского государственного университета (ИвГУ). Техническая информация о разработанном приборе и измерительной системе передана для возможного промышленного использования на Ивановском АО ТОЧПРИБОР.

АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ.

Материалы работы доложены на: Научно практическом семинаре по проблемам трибологии производства (Ивановская государственная текстильная академия, Иваново, 1997 г.) — Научном семинаре с международным участием Проблемной лаборатории жидких кристаллов ИвГУ (Иваново, 1998 г.) — III международной научной конференции по лиотропным жидким кристаллам (Иваново, 1997 г.) — Международной научно-технической конференции «Состояние и перспективы развития электротехнологии» («IX-е Бенардосовские чтения», Ивановский государственный энергетический университет, Иваново, 1999 г.) — заседании Кафедры механики Ивановского химико-технологического университета (Иваново, 1999 г.) — Научной конференции «Молекулярная физика неравновесных систем» (ИвГУ, Иваново, 1998 г.) — научном семинаре Кафедры технической физики ИвГУ (Иваново, 1999) — научном семинаре Кафедры теоретической физики, математического и компьютерного моделирования ИвГУ (Иваново, 1999) — ежегодных научных конференциях преподавательского состава ИвГУ (Иваново, 1997;99 гг.).

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНО В СЛЕДУЮЩИХ ПЕЧАТНЫХ РАБОТАХ.

1. Семёнов М. Н., Савченко В. Е. Оценка толщины и мезоморфного состояния тонких смазочных слоев диэлькометрическим методом // Тезисы III международной научной конференции по лиотропным жидким кристаллам. Иваново, ИвГУ. 16−18 декабря 1997 г., С. 86.

2. Семенов М. Н., Годлевский В. А., Савченко В. Е. Применение кварцевого диэлькометра для оценки процесса формирования смазочного слоя в паре трения // Проблемы трибологии производства. Тезисы докладов научно-практического семинара. Иваново: ИГТА, 1997. С. 27.

3. Семенов М. Н. Применение кварцевого диэлькометра для контроля процесса трения в присутствии смазочной среды // Молекулярная физика неравновесных систем. Материалы итоговой научной конференции ИвГУ. Иваново: 1998. С. 88.

4. Семенов М. Н. Электрическая диагностика смазочного слоя // Международная научно-техническая конференция «Состояние и перспективы развития электротехнологии» (1Х-е Бенардосовские чтения). Тез. докл. Иваново: ИГЭУ, 1999. С. 293.

5. Семенов М. Н. Измерительная система для диагностики смазочного слоя в процессе трения // Юбилейный сборник тезисов статей молодых ученых, Иваново: изд-во ИвГУ, 1998, С. 137.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ.

1. Аналитический обзор проблемы трибометрии показал необходимости изучения структур смазочных слоев непосредственно в трибоконтакте. Наиболее перспективными в этом отношении являются электрические методы измерения электропроводности трибоконтакта на переменном токе.

2. Измерительным прибором, подходящим для эффективного решения вышеуказанной задачи, является кварцевый диэлькометр, позволяющий проводить непрерывные измерения активного сопротивления и емкости смазочного слоя на переменном токе.

3. Разработан трибометр по схеме «палец-диск», снабженный устройством емкостного шунтирования «паразитных» пар трения и оригинальным силоизме-рителем, что позволило проводить измерения активного сопротивления, электрической емкости трибоконтакта и коэффициента трения при различных нагрузках и скоростях трения.

4. Разработанный трибометр снабжен многофункциональной измерительной системой, использующей компьютерную обработку результатов, для одновременной записи и обработки измеряемых параметров процесса трения.

5. Разработана методика экспериментов, включающая предварительную подготовку поверхностей трения, ход выполнения эксперимента, обработку и представление результатов.

6. Разработан пакет прикладных компьютерных программ, обеспечивающих работу измерительной системы и служащих для автоматического преобразования сигналов и предварительной статистической обработки экспериментальных результатов.

7. Исследования различных индустриальных масел показало возможность применения разработанного метода исследований для регистрации различий в толщине смазочных слоев, образуемых маслами различной вязкости.

8. Исследование присадок ПАВ и ранее не исследовавшихся в составе смазочных материалов дискотических мезогенов позволило убедительно показать возможность применения разработанного метода и установки для исследования надмолекулярной организации граничных смазочных слоев при трении.

9. Выполненные исследования зависимости емкости пары трения от степени сближения поверхностей трения показали возможность интерпретации емкости пары трения как показателя толщины смазочного слоя.

10. Анализ точности измерения контролируемых параметров и расчетов погрешностей эксперимента и расчетов показывает, что созданная измерительная система обладает достаточной точностью и чувствительностью и может быть использована для задач трибодиагностики смазочных материалов на неводной основе.