Лабораторная работа - Изнашивание полимеров при трении скольжения

14.Лабораторные работы
Наука – капитан, а практика – солдаты.
Леонардо да Винчи
Выполнение лабораторных работ, наряду с закреплением теоретичес-кого
материала,
способствует
формированию
определённых
практических
навыков в наблюдении и анализе работы трибосопряжений различной
конструкции при разных условиях эксплуатации.
Во всех работах используются элементы трибосопряжения одних и тех
же размеров: валики - контртела и вкладыши - полувтулки.
14.1.Изнашивание полимеров при трении скольжения
1.Цель работы. Ознакомление с процессами трения и изнашивания полимерного
композиционного
антифрикционного
материала
(покрытия)
и
определение основных трибохарактеристик этой трибосистемы.
2.Общие сведения. Изучаемая в данной работе трибосистема представляет
собой металлополимерный подшипник: стальной валик (рис.1,а) и составную
втулку из двух вкладышей
(рис.1,б) с полимерным антифрикционным
покрытием.
а)
б)
Рис.1. а) Валик - контртело; б) Вкладыш
237
В качестве привода вращательного движения используется токарный
станок, в трёхкулачковый патрон которого закрепляется валик. Второй конец
валика поджимается вращающимся центром, установленным в задней бабке
станка.
Рис.2. Лабораторный узел трения: 1-винт, 2-направляющая, 3-валик,
4-вкладыши, 5-пружина, 6-планка, 7-индикатор,
8-пружина динамометра, 9-обоймы.
Лабораторный узел трения (рис.2) обеспечивает нагружение при помощи
пластинчатой пружины 5 и винта 1. Величина нагружающего усилия
238
определяется по показаниям индикатора 7 и тарировочному графику. Этот
же индикатор позволяет определять величину износа полимера по нормали к
рабочей поверхности.
Сборка устройства осуществляется следующим образом. Валик - контртело 3 с двумя вкладышами 4 устанавливается между обоймами 9 и
нагружается винтом 1. Узел трения опирается на пружину 8 динамометра
(рис.3), установленного в резцедержатель станка.
Рис.3.Пружинный динамометр.
По показаниям индикатора динамометра рассчитывается коэффициент
трения. Частота вращения шпинделя
n
и нормальная нагрузка N задаются
заранее. Например: n = 100 мин-1 и N = 1000Н.
3. Обеспечение работы. Для выполнения работы необходимо следующее.
3.1. Токарный станок - 1шт.
3.2. Лабораторный узел трения - 1шт.
3.3. Динамометр - 1шт.
3.4. Валик - 1шт.
3.5. Образцы в виде вкладышей из полимерного материала или с
полимерным покрытием - 2шт.
3.6. Ключ рожковый -1шт.
239
4. Порядок выполнения работы.
4.1. Получить инструктаж по технике безопасности и расписаться об этом
на контрольном листке.
4.2. Ознакомиться с содержанием методического пособия и подготовить
протокол и форму отчёта.
4.3.Установить в резцедержатель станка динамометр.
4.4. Собрать лабораторный узел трения на центральной части стального
валика.
Нагрузить
трибосистему
до
требуемой
величины
N1,
завинчивая винт1.
4.5. Установить валик с узлом трения в трёхкулачковый патрон и закрепить
его. При этом узел трения должен опираться на пружину динамометра.
4.6. Подпереть второй конец валика вращающимся центром, вставленным в
пиноль задней бабки.
4.7. Установить рукоятками коробки скоростей требуемую величину
частоты вращения шпинделя n .
4.8. Установить индикаторы узла трения и динамометра на ноль.
4.9. Включить станок и засечь время начала его работы.
4.10.Через 10 минут работы узла трения записать в таблицу 1 протокола
отчёта показания индикатора динамометра -Δд.
Таблица 1
Результаты измерений
Время
10
20
30
40
50
60
работы,мин.
Показания
Δт1
Δт2
Δт3
...
...
Δтi
индикатора
узла трения
Показания
Δд1
Δд2
Δд3
...
...
Δдi
индикатора
динамометра
4.11. Выключить станок, подождать пока узел трения остынет (до 40-450С),
записать в таблицу 1 протокола отчёта показания индикатора узла
трения -Δт.
240
4.12. Повторить 5 раз пункты 4.8. - 4.11. Общее время работы должно
соответствовать ≈ 1часу.
4.13. Выключить станок, снять узел трения и динамометр.
5. Обработка результатов опытов.
5.1. Рассчитать режимы нагружения:
cкорость скольжения V =
 d n
(м/с) ,
60000
нормальные контактные напряжения σ =
N1
(Па) ,
0,44    d  b
где
d - диаметр валика,
n - частота вращения валика,
N1 - нагрузка на узел трения,
b - ширина вкладыша.
5.2. Перевести показания индикаторов в реальные величины:
показания индикатора узла трения в величину износа h = Δт/2 (мм),
показания индикатора динамометра в силу сопротивления вращению
Р = Δд·К (Н), где К - тарировочный коэффициент.
5.3. Рассчитать характеристики трибосистемы:
1) коэффициент трения f =
РL
N 1  d , где L - плечо (рис.2),
5
2) средняя скорость изнашивания
V и = 0,2  0,1hi (мм/мин),
i 1
5
3) интенсивность изнашивания I =
h
i 1
i
V t
, где t - полное время работы
узла.
4) ресурс узла трения R =
[h]
(час), где [h] - величина допустимого
Vи
износа.
241
5.4. Занести результаты расчётов в таблицу 2 протокола.
Таблица 2
Результаты расчётов
Режимы нагружения
Коэффици-
Контактные Скорость ент трения
напряжения скольжения
f
σ, Па
V,м/с
Cредняя
Интенсив- Ресурс
скорость
ность
R, час.
изнашивания изнашиVи ,мм/мин вания, I
5.5. Сделать выводы о возможном применении рассмотренной пары трения.
6. Содержание отчёта:
1) Титульный лист с указанием кафедры, названия работы, ФИО
и группы студента, ФИО преподавателя и даты.
2) Цель работы.
3) Эскиз узла трения.
4) Таблица 1. Результаты измерений.
5) Расчётные формулы и расчёты.
6) Таблица 2. Параметры трибосистемы.
7) Вывод
7. Контрольные вопросы.
1) Какие параметры характеризуют процесс трения ?
2) Какие параметры характеризуют процесс изнашивания ?
3) Что определяет величину коэффициента 0,44 в выражении для расчёта
нормальных контактных напряжений ?
4) Чем характеризуется начальный приработочный период трения ?
8. Литература.
1. Гаркунов Д.Н. Триботехника (коструирование, изготовление и эксплуатация машин): Учебник / Д.Н.Гаркунов.-М.: Изд-во МСХА, 2002.-632с
2. Крагельский И.В. Трение и износ /В.И.Крагельский.-М.: Машиностроение, 1968.-467с
242
14.2. Трение металлов без смазочного материала
1. Цель работы.Ознакомится с процессом трения сопряжения металлических
деталей в аварийных условиях (без смазки). Установить влияние режимов
трения (нагрузки и скорости) на температуру в контактной зоне.
2. Общие положения.
Для снижения потерь на трение и уменьшения износа в трибосопряжениях используются различные смазочные материалы. Однако, в ряде
аварийных ситуаций смазка перестаёт поступать в узел трения. Это может
произойти вследствие вытекания смазки, вязкость которой понизилась из-за
повышения температуры, засорения маслопровода, деструкции смазочного
материала при его взаимодействии с окружающей средой и т.п. Тогда
трибосопряжение работает в условиях сухого трения - прямого контакта
металлических поверхностей без смазки. В данной работе моделируются
подобные аварийные условия сухого трения.
Критерием допустимости работы узла в этом режиме принята средняя
температура образца (вкладыша в виде полувтулки) равная 70 - 900С
(устанавливается преподавателем). Модель изменения температуры, на
повышение которой затрачивается практически вся работа трения, строится
на основании экспериментальных результатов.
3. Обеспечение работы. Для выполнения работы необходимо следующее.
3.1. Токарный станок - 1шт.
3.2. Динамометр растяжения - 1шт.
3.3. Нагружающий рычаг - 1шт.
3.4. Блок измерения температуры (термопара ХК и милливольтметр,
градуированный в 0С).
3.5. Стальные валики - контртела - 4шт.
3.6. Бронзовые вкладыши - 4шт.
4. Порядок выполнения работы.
4.1. Получить инструктаж по технике безопасности и расписаться об этом
на контрольном листке.
243
4.2. Ознакомиться с содержанием методического пособия и подготовить
протокол и форму отчёта.
4.3. Установить в резцедержатель станка нагружающий рычаг и присоединить к нему динамометр.
4.4. Установить валик Ø 14×200 с узлом трения в трёхкулачковый патрон и
закрепить его. Подпереть второй конец валика вращающимся
центром,
вставленным в пиноль задней бабки.
4.5. Собрать установку как показано на рис.1; вставить в отверстие
вкладыша термопару.
Рис.1. Схема установки: 1-резцедержатель, 2-рычаг, 3-обойма, 4-вкладышполувтулка, 5-валик-контртело, 6-измерительный блок, 7-динамометр.
4.6. Нагрузить трибосопряжение в соответствии с таблицей 1 (строка1) при
помощи динамометра (соотношение плеч рычага 1:3).
Таблица 1
Результаты эксперимента
№
План
Выход
п/п
Р, Н
V, м/с
Т, 0С
1
400
0,1
Т1
2
400
0,2
Т2
3
800
0,1
Т3
4
800
0,2
Т4
Примечание: в таблице приведены ориентировочные данные.
244
4.7. Установить на станке частоту вращения шпинделя в соответствии с
таблицей 1 (строка1).
4.8. Включить станок и, после 5 минут его работы, определить по прибору
температуру зоны трения и записать её в таблицу 1.
4.9. Выключить станок; снять нагрузку и заменить пару трения, установив
новый валик и вкладыш.
4.10.Повторить трижды пункты 4.5 - 4.9, меняя нагрузку и частоту
вращения шпинделя в соответствии со строками 2, 3, 4 таблицы 1.
4.11.Снять установку со станка и разобрать её.
5.Обработка результатов опытов.
5.1. Рассчитать скорость скольжения V по частоте вращения n.
V=
 d n
(м/с)
60000
5.2. Просуммировать столбцы таблицы 2.
Таблица 2
Расчёт коэффициентов модели
№
выход
п/п
1
+Т1 -Т1 -Т1
2
+Т2 -Т2 +Т2
3
+Т3 +Т3 -Т3
4
+Т4 +Т4 +Т4
Σ
Σ0
Σ1
Σ2
в
в
в2
0
1
Σ/4
5.3. Записать модель в кодовых переменных с учётом знака в виде:
Т = в0 + в1Х1 + в2Х2
5.4.
Перейти
к
подстановкой
натуральным
Х1 =
переменным
2Р  Рmax )
1 и
Pmax  Pmin
Х2 =
(нагрузке
и
скорости)
2(V  Vmax )
+1 .
Vmax  Vmin
5.5. Записать модель в натуральных переменных в виде :
Тм = а0 + а1Р + а2V
(0C)
245
5.6. Рассчитать погрешность модели по отношению к экспериментальным
результатам δi =
Т м  Тэ
Тэ
100 (%) и записать наибольшую δmax.
5.7. Для Рmax рассчитать две промежуточных температуры и построить
график: ордината - Т, абсцисса - Vmin , V2 , V3 ,Vmax .
5.8. Сделать выводы:
о наибольшем влиянии на температуру "Р" или "V" ;
о допустимости значения температуры узла ;
о величине погрешности модели.
6. Содержание отчёта:
1) Титульный лист с указанием кафедры, названия работы, ФИО
и группы студента, ФИО преподавателя и даты.
2) Цель работы.
3) Эскиз узла трения.
4) Таблица 1. Результаты эксперимента.
5) Расчётные формулы и расчёты.
6) Таблица 2.Расчёт коэффициентов модели.
7) График зависимости Т = φ(V).
8) Выводы.
7. Контрольные вопросы.
1) В каких случаях возникает "сухое" трение?
2) Как расходуется работа силы трения?
3) Как влияет нагрузка на силу трения?
4) Что влияет сильнее на силу трения нагрузка или скорость
скольжения?
5) Как определить мощность трения?
8. Литература.
1. Гаркунов Д.Н. Триботехника (коструирование, изготовление и эксплуатация машин): Учебник / Д.Н.Гаркунов.-М.: Изд-во МСХА, 2002.-632с
246
2.Кащеев В.Н. Процессы в зоне фрикционного контакта металлов /
В.Н.Кащеев.-М.: Машиностроение, 1978.-213с
14.3. Совместимость материалов при трении
1. Цель работы. Получить представление о совместимости материалов пар
трения на примере металлов. Научиться оценивать совместимость
материалов по результатам лабораторных испытаний.
2. Общие положения. Два "хороших" по своим индивидуальным свойствам
материала в сочетании с "хорошей" смазкой не обязательно составят
надёжный и работоспособный узел трения. Необходимо, чтобы материалы
трибосопряжения были совместимы, то есть могли бы обеспечить
требуемый ресурс.
Совместимость - это способность материалов трущейся пары при
определённой смазке и режимах нагружения взаимно адаптироваться как
в процессе приработки, так и в стационарный период, и обеспечивать
заданную долговечность узла без повреждения контактирующих деталей.
Способы оценки совместимости материалов в триботехнике носят
сравнительный характер и основаны на экспериментах. Совместимость
материалов может устанавливаться по величине момента трения, износа,
несущей способности пары, её температуре, времени приработки и т.д.
Схема рабочего узла трения представлена на рис. 1. Рычажное
(соотношения плеч 1:3) нагружающее устройство обеспечивает равную
нагрузку на одновременно работающие по стальному валику четыре
вкладыша из стали, бронзы, серого чугуна и алюминиевого сплава.
Критерием совместимости считаем наибольшую износостойкость.
247
Рис.1. Схема рабочего узла: 1-валик-контртело, 2-вкладыши-полувтулки,
3-коромысло, 4-выравниватель, 5-нагружающий рычаг.
3. Обеспечение работы. Для выполнения работы необходимо следующее.
3.1. Токарный станок - 1шт.
3.2. Лабораторный узел трения - 1шт.
3.3. Динамометр - 1шт.
3.4. Валик - 1шт.
3.5. Образцы в виде вкладышей (полувтулок) из стали, бронзы, серого
чугуна и алюминиевого сплава.
3.6. Микрометр со вставками типа МВМ25 (ГОСТ4380-93)
4. Порядок выполнения работы.
4.1. Получить инструктаж по технике безопасности и расписаться об этом
на контрольном листке.
4.2. Ознакомиться с содержанием методического пособия и подготовить
протокол и форму отчёта.
4.3. Установить валик Ø 14×200 в трёхкулачковый патрон и закрепить его.
Подпереть второй конец валика вращающимся центром, вставленным в
пиноль задней бабки.
4.4. Измерить микрометром исходную толщину вкладышей-полувтулок bi в
центральном сечении и записать результаты в таблицу 1.
248
Таблица 1
Результаты измерений
№
п/п
Материал
Толщина вкладыша, мм
вкладыша
Исходная Изношенная
1
Сталь
b1
b1*
2
Бронза
b2
b2*
3
Алюминиевый
сплав
Серый чугун
b3
b3*
b4
b4*
4
4.5. Собрать установку как показано на рис.1 нанеся на рабочую
поверхность образцов разовую смазку.
4.6. Установить в резцедержатель станка нагружающий рычаг и присоединить к нему динамометр.
4.7. Нагрузить трибосопряжение при
помощи динамометра (соотношение
плеч рычага 1:3) в соответствии с заданием преподавателя (P≈5000Н).
4.8. Установить на станке частоту вращения шпинделя в соответствии с
заданием преподавателя (n≈200мин-1).
4.9. Включить станок и, после t = 30 минут (0,5часа) его работы выключить.
4.10. Подождать пока вкладыши остынут и разобрать установку.
4.12. Измерить микрометром (в том же сечении, что и до работы) толщину
изношенного вкладыша b*i и записать в таблицу 1.
5. Обработка результатов.
5.1. Рассчитать скорость скольжения по формуле:
V=
 d n
(м/с)
60000
5.2. Рассчитать величину износа hi по формуле:
hi = bi - bi* (мм) .
5.3. Рассчитать интенсивность изнашивания Ii по формуле:
Ii =
hi
·103 .
V t
249
5.4. Рассчитать скорость изнашивания по формуле:
Vи =
hi
(мм/час) .
t
5.5. Рассчитанные величины записать в таблицу 2.
№
п/п
1
2
3
4
Таблица 2
Параметры износостойкости сопряжения
Скорость
Интенсивность
Износ, h мм
изнашивания,
изнашивания,
Vи мм/час
I
h1
Vи1
I1
h2
Vи2
I2
h3
Vи3
I3
h4
Vи4
I4
5.6. Сделать выводы:
о наиболее совместимых для данных условий материалах;
о наименее совместимых материалах;
о наиболее чувствительном критерии совместимости материалов для
данных условий.
6. Содержание отчёта:
1) Титульный лист с указанием кафедры, названия работы, ФИО и
группы студента, ФИО преподавателя и даты.
2) Цель работы.
3) Эскиз узла трения.
4) Таблица 1. Результаты измерений.
5) Расчётные формулы и расчёты.
6) Таблица 2. Параметры износостойкости сопряжения.
7) Выводы.
7. Контрольные вопросы.
1) Что такое совместимость материалов пары трения?
2) Как оценивается совместимость материалов на практике?
3) Является ли совместимость постоянным свойством материалов?
250
4) Зависит ли совместимость материалов от условий работы узла
трения?
8. Литература.
1. Гаркунов Д.Н. Триботехника (коструирование, изготовление и эксплуатация машин): Учебник / Д.Н.Гаркунов.-М.: Изд-во МСХА, 2002.-632с
2. Костецкий Б.И. Поверхностная прочность материалов при трении /
Б.И.Костецкий, И.Г.Носовский, А.К.Караулов и др.- Киев: Технiка, 1976.296с
14.4.Определение смазочной способности индустриальных масел
1. Цель работы. Получить практические навыки по оценке смазочной
способности индустриальных масел на основе определения коэффициента
антифрикционных свойств, рассчитанного по результатам испытаний на
4-х шариковой машине (ЧШМ) трения.
2. Общие положения. Для расчёта коэффициента антифрикционных свойств
Кv используются трибограммы - кривые зависимости силы трения от
времени испытаний при ступенчатом возрастании нагрузки. Коэффициент
Кv определяется как относительная разность площадей, ограниченных
осью абсцисс (временем) и трибограммами, полученными при опытах с
испытуемым маслом и без него. Чем больше значение коэффициента
антифрикционных свойств, тем выше смазочная способность масла.
Узел трения 4-х шариковой машины (рис.1), смонтированной на
настольном сверлильном станке, представляет собой пирамиду из 4-х
контактирующих друг с другом стальных шариков.
Три нижних шарика 7 закрепляются в стакане 2 с испытываемым
маслом, а верхний 5 - закреплён во вращающемся шпинделе 4 станка
(2500мин-1) и прижимается к нижним шарикам с заданной силой Рi .
Проворачивание во время испытаний трёх нижних шариков не
251
допускается. Момент трения измеряется пружинным динамометром через
рычаг 6.
Рис.1.Схема ЧШМ: 1-Корпус, 2-Стакан, 3-Гайка-фиксатор шариков,
4-Шпиндель, 5-Вращающийся шарик, 6-Рычаг, 7-Неподвижные шары.
3. Обеспечение работы. Для выполнения работы необходимо следующее.
3.1. Сверлильный станок - 1шт.
3.2. Четырёхшариковая машина трения - 1шт.
3.3. Динамометр - 1шт.
3.4. Стальные шарики Ø12,7мм - 8шт.
3.5. Грузы:№1- 0,1кг -1шт, №2-2кг - 1шт и №3-1кг - 4шт.
3.6. Ёмкость с индустриальным маслом 0,2л - 1шт.
4. Порядок выполнения работы.
4.1. Получить инструктаж по технике безопасности и расписаться об этом
на контрольном листке.
4.2. Ознакомиться с содержанием методического пособия и подготовить
протокол и форму отчёта.
4.3. Установить и закрепить шарик 5 в шпинделе станка.
4.4. Установить и закрепить гайкой 3 три шарика 7 в стакане 2.
252
Примечание: перед установкой все шарики должны быть обезжирены.
4.5. Установить соосно со шпинделем и закрепить на столе станка корпус
ЧШМ.
4.6. Соединить рычаг 6 с пружинным динамометром.
4.7. Закрепить груз №1- 0,1кг на рычаге ручной подачи, включить станок и
проработать 1 минуту для равномерного прогрева зоны трения.
4.8. Не останавливая машины установить груз №2 - 2кг.
4.9. Записать в протокол измерений (таблица 1) показания динамометра
через 10, 20 и 30с работы машины трения.
Таблица 1
№
п/п
Протокол измерений
Нагрузка, Показания динамометра за время, кг
кг
10с
20с
30с
1
2
3
4
2
3
4
5
4.10. Не останавливая машину через каждые 30с добавлять по одному
грузу весом по 1кг и записывать результаты в протокол.
4.11. Выключить машину, разгрузить и дать ей остыть (5 -10 мин).
4.12. Заменить все 4 шарика на новые.
4.13 Залить испытываемое масло в стакан 2 машины так, чтобы его уровень
полностью покрывал все шарики.
4.14. Повторить весь цикл испытаний в той же последовательности (пункты
4.7. - 4.11.).
4.15. Выключить машину, дать ей остыть и разобрать.
5. Обработка результатов.
5.1. Рассчитать средние показания динамометра по формуле:
 ij =
1 3
  i , где
3 i 1
i - число измерений в одном цикле,
253
j - число циклов испытаний.
5.2. Рассчитать момент трения по формуле:
Мт =  ij  L (Н·см) ,
где L =140мм - длина плеча.
5.3. Рассчитать силу трения по формуле:
F=
МТ
(Н),
r
где r = 3,7 мм - радиус контакта шариков.
5.4. Записать результаты расчётов в таблицу 2.
Таблица 2
Результаты расчётов
№
Трение без смазки
Трение со смазкой
п/п
Среднее
Момент Сила
Среднее
Момент Сила
показание
трения, трения, показание
трения, трения,
динамометра
Нсм
Н
динамометра
Нсм
Н
1
Δ11
Δ21
2
Δ12
Δ22
3
Δ13
Δ23
4
Δ14
Δ24
5.5. Построить трибограмму в координатах: ордтната - F- сила трения в Н,
абсцисса - время в с (см. рис.2).
Рис.2. Пример трибограммы: 1 - трение без смазки, 2 - трение
в масляной ванне.
254
5.6. Рассчитать площадь, ограниченную трибограммой и осью абсцисс, для
трения со смазочным материалом Sсм и без него S.
5.7. Определить коэффициент антифрикционных свойств испытуемого
масла по формуле:
Кv = Sсм / S .
5.8. Сделать выводы:
о смазочной способности испытанного масла,
о пригодности испытанного масла для данного узла трения.
6. Содержание отчёта:
1) Титульный лист с указанием кафедры, названия работы, ФИО и
группы студента, ФИО преподавателя и даты.
2) Цель работы.
3) Эскиз узла трения.
4) Таблица 1. Протокол измерений.
5) Расчётные формулы и расчёты.
6) Таблица 2.Результат расчётов.
7) График трибограммы.
8) Выводы.
7. Контрольные вопросы.
1) Что такое коэффициент антифрикционных свойств?
2) Какое оборудование предназначено для определения коэффициента
антифрикционных свойств?
3) В каких координатах строится трибограмма?
4) Смазочная способность масел увеличивается с ростом или
уменьшением коэффициента антифрикционных свойств?
5) Какова размерность коэффициента антифрикционных свойств?
8. Литература.
1. Гаркунов Д.Н. Триботехника (коструирование, изготовление и эксплуатация машин): Учебник / Д.Н.Гаркунов.-М.: Изд-во МСХА, 2002.-632с
2. Ахматов А.С.Молекулярная физика граничного трения / А.С.Ахматов.М.: Физ-мат. лит., 1963.-472с
255