Введение к работе
Актуальность темы. Причиной выхода из строя 85 - 90 % деталей машин является износ. По данным Международного совета по трибологии потери средств от трения и износа в развитых странах составляют 4-5% национального дохода, а преодоление сопротивления трения поглощает во всём мире 20-25% вырабатываемой за год электроэнергии. Поэтому одно из основных требований, предъявляемых к современным машинам и механизмам, состоит в обеспечении достаточной их долговечности при уменьшении их удельного веса на единицу мощности и интенсивную эксплуатацию.
Работы А.С. Ахматова, С.Б. Айнбиндера, Ф.П. Боудена, Д. Бакли, Э.Д. Брауна, Н.А. Буше, И.А. Буяновского, Н.А. Воронина, Д. Тейбора, Б.В. Дерягина, Ю.Н. Дроздова, Н.Б. Дёмкина, В.Д. Кузнецова, И.В. Крагельского, Б.И. Костецкого, Л.И. Куксеновой, Ч. Кайдаса, Ю.М. Лужнова, Н.М. Михина, Р.М. Матвеевского, В.П. Мороз, А.П. Семёнова, Г.И. Фукса, У.Б. Харди, М.М. Хрущова, В.В. Харламова, А.В. Чичинадзе, В.Ф. Пичугина, С.М. Захарова показали, что при трении поверхностные слои определяют поведение и свойства всего объёма материала, его эксплуатационные характеристики.
Управление трением, правильный подбор материалов по критериям трения и износостойкости, рациональное конструирование узлов трения и деталей машин и оптимизация условий эксплуатации могут существенно продлить ресурс работы и повысить эффективность машин.
Изложенное убедительно показывает актуальность проблемы износостойкости пар трения в машинах и механизмах транспортной техники, одной из составляющих которой является авиационная техника.
Для агрегатов (насосов, насосных станций, гидромоторов, гидроприводов) гидравлических систем авиационной техники актуальность проблемы обеспечения работоспособности и ресурса пар трения обусловлена следующими причинами:
а) применяемые пары трения - со смазочным материалом - в агрегатах большой мощности, работают в режиме смешанной смазки и подвергаются воздействию высоких механических и тепловых нагрузок. В части обеспечения работоспособности и ресурса пары трения находятся на пределе своих возможностей, и нередко нагрузки превышают допустимые (регламентированные), в особенности при изменении состояния смазочного материала (рабочей жидкости). Высокие механические и тепловые нагрузки приводят к реализации режима схватывания материалов пар трения, снятию агрегатов с испытаний и отказам в эксплуатации.
Эти ситуации обусловлены отсутствием надёжных экспериментальных данных о критериях работоспособности пар трения агрегатов гидравлических систем авиационной техники.
б) предельная нагруженность пар трения и нерегламентированные условия их работы возникают и при технологической обкатке (приработке) пар трения (после изготовления) в части «формирования» пары трения в процессе её приработки;
в) практически не исследованы воздействия состояния смазочного материала (рабочей жидкости) – в частности, газосодержания и содержания твёрдых частиц – на пары трения, влияние которых на их работоспособность является критическим;
г) без экспериментального исследования основных закономерностей процессов, определяющих работоспособность трущихся поверхностей, формирование и сохранение защитных смазочных плёнок, невозможно обеспечить надёжную работу пар трения;
д) в дальнейшем тенденция к росту механической и тепловой нагрузок на пары трения будет сохраняться, и отсутствие экспериментально-теоретических исследований не позволяет обеспечить создание и отработку новых более долговечных пар трения.
По данным предприятия «Рубин» за 5 лет (1990 1994г.г.) сход агрегатов с обкатки составил 76,8%, а с приёмо-сдаточных испытаний – 22%; количество дополнительных обкаток составило 65,1%; некоторые агрегаты проходили обкатку 2-3 раза. При этом гидропривод ГП25 проходил обкатку 3 раза, а насос НП123 – 4 раза.
Это показывает актуальность исследования процесса трения и изнашивания узлов трения агрегатов гидравлических систем авиационной техники при смешанной смазке, разработки технических решений и практических рекомендаций по обеспечению их работоспособности при действии высоких механических и тепловых нагрузок, что позволит получить общенаучный и практический подход к решению проблемы обеспечения работоспособности других механических и тепловых систем транспортной техники.
Работа соответствует «Приоритетным направлениям развития науки, технологий и техники Российской Федерации» (2006г.) по направлению «Транспортные, авиационные и космические системы» и направлена на развитие технологий, входящих в «Перечень критических технологий Российской Федерации» (2006г.) по направлениям: «Технологии создания новых поколений ракетно-космической, авиационной и морской техники», «Технологии создания энергоэффективных двигателей и движителей для транспортных систем».
Объектом исследования в данной работе являются агрегаты (насосы, насосные станции, гидромоторы, гидроприводы) гидравлических систем авиационной техники.
Предметом исследования служат пары трения скольжения агрегатов гидравлических систем авиационной техники.
Цель работы. Целью диссертационной работы является разработка технических решений и практических рекомендаций по работоспособности узлов трения агрегатов гидравлических систем авиационной техники при действии высоких механических и тепловых нагрузок на основе исследования изнашивания металлических материалов в условиях смешанной смазки при использовании в качестве смазочных материалов рабочих жидкостей гидравлических систем.
Задачи исследования. Исходя из поставленной цели, в работе были сформулированы и решены следующие основные задачи диссертационного исследования:
провести анализ современных представлений о природе трения и изнашивания металлических материалов при трении скольжения в условиях смешанной смазки;
разработать методы исследования трения и изнашивания металлических материалов при трении скольжения в условиях смешанной смазки;
выполнить экспериментальное исследование трения и изнашивания металлических материалов при трении скольжения в условиях смешанной смазки;
провести исследование температуры поверхности трения при смешанной смазке;
разработать физические представления о трении и изнашивании при смешанной смазке;
разработать научные основы управления трением и изнашиванием металлических материалов при смешанной смазке;
разработать технические решения и практические рекомендации по работоспособности узлов трения агрегатов гидравлических систем авиационной техники при действии высоких механических и тепловых нагрузок, а также осуществить внедрение результатов исследований в промышленное производство.
Положения, выносимые на защиту:
-
Методы исследования трения и изнашивания металлических материалов при трении скольжения в условиях смешанной смазки в узлах трения агрегатов гидравлических систем авиационной техники.
-
Результаты экспериментального исследования трения и изнашивания металлических материалов при трении скольжения в условиях смешанной смазки в узлах трения агрегатов гидравлических систем авиационной техники.
-
Результаты исследования температуры поверхности трения при смешанной смазке в узлах трения агрегатов гидравлических систем авиационной техники.
-
Физические представления о процессе трения и изнашивания при смешанной смазке в узлах трения агрегатов гидравлических систем авиационной техники.
-
Научные основы управления процессом трения и изнашивания металлических материалов при смешанной смазке в узлах трения агрегатов гидравлических систем авиационной техники.
-
Технические решения и практические рекомендации по работоспособности узлов трения агрегатов гидравлических систем авиационной техники при действии предельных механических и тепловых нагрузок.
Научная новизна полученных результатов заключается в том, что:
-
Разработан экспериментальный метод определения предельных значений удельной нагрузки, скорости скольжения и толщины смазочного слоя в паре трения при смешанной смазке. Для его реализации создана установка для испытаний материалов на трение и износ.
-
Разработан алгоритм расчёта предельных значений удельной нагрузки и скорости скольжения пар трения по изменению коэффициента трения с учётом толщины смазочного слоя.
-
Разработана методика экспериментальной оценки температуры поверхности трения при смешанной смазке с учётом толщины смазочного слоя в паре трения.
-
Разработан алгоритм расчёта разности температур в стыке торцевой пары трения, который в сочетании с алгоритмом расчёта предельных значений удельной нагрузки и скорости скольжения повышает эффективность подбора материалов для пар трения агрегатов гидравлических систем авиационной техники и позволяет прогнозировать их работоспособность в области высоких удельных нагрузок и скоростей скольжения с учётом применяемого смазочного материала.
-
Предложены критерии оценки износостойкости пар трения со смазочным материалом: критерий РпрV, характеристики механических свойств (твёрдость, предел прочности, относительное удлинение) и соотношение твердостей стали и бронзы.
-
Сформулированы основные физические представления о процессе трения и изнашивании при смешанной смазке в узлах трения агрегатов гидравлических систем авиационной техники.
-
Разработаны научные принципы управления процессом трения и изнашивания в узлах трения агрегатов гидравлических систем авиационной техники и способы их решения.
-
Получены следующие новые научные результаты:
-
установлены для условий смешанной смазки закономерности изменения коэффициента трения, скорости изнашивания, сопротивления сдвигу, температуры, удельного теплового потока от удельной нагрузки, скорости скольжения и толщины смазочного слоя;
-
установлено влияние содержания воздуха в смазочном материале на коэффициент трения и сопротивление сдвигу;
-
показано, что одной из важных характеристик пары трения является сопротивление сдвигу;
-
выявлены закономерности внешнесилового воздействия на процесс трения и изнашивания металлических материалов в условиях смешанной смазки;
-
установлено явление трибомутации при комплексной термохимической обработке поверхностей трения смазочным материалом и механическим нагружением: до начала механического нагружения нужно создать смазочную плёнку на поверхностях трения за счёт использования теплоты смазочного материала и активизации физико-химических процессов на поверхностях трения;
-
установлено, что приработка материалов пары трения в условиях смешанной смазки наиболее эффективно происходит при двух режимах внешнесилового воздействия:
-
при постоянной скорости скольжения и росте удельной нагрузки с одновременным регулированием фрикционного тепловыделения циклическим нагружением пары трения;
-
в режиме запуска;
-
установлена оптимальная равновесная эксплуатационная шероховатость поверхностей трения для условий смешанной смазки в узлах трения агрегатов гидравлических систем авиационной техники и показана взаимосвязь шероховатости поверхности, трения и изнашивания;
-
установлены начальные условия переноса бронзы на поверхность стали в узлах трения агрегатов гидравлических систем авиационной техники;
-
установлено, что избирательный перенос в узлах трения агрегатов при заданных режимах нагружения и применяемых смазочных материалах отсутствует;
-
установлено влияние режимов нагружения и вида смазочного материала на твёрдость поверхностей трения в узлах трения агрегатов гидравлических систем авиационной техники и выяснено физическое состояние смазочной плёнки в процессе работы пары трения;
-
выявлена связь коэффициента трения пары «сталь-бронза» с механическими свойствами бронзы и соотношением твердостей стали и бронзы в узлах трения агрегатов гидравлических систем авиационной техники;
-
получена связь предельных значений коэффициента трения, температуры поверхности трения и коэффициента взаимного перекрытия с предельной удельной нагрузкой, определяющей при фиксированной скорости скольжения границы схватывания материалов в узлах трения агрегатов гидравлических систем авиационной техники;
-
подтверждена - для условий смешанной смазки в узлах трения агрегатов гидравлических систем авиационной техники - гипотеза о решающем влиянии температуры на работоспособность пары трения, для которой предельные значения удельной нагрузки и скорости скольжения непосредственно связаны с температурами вспышки, поверхности трения и смазочного материала на входе в узел трения;
-
установлена взаимосвязь изменения коэффициента трения и линейного износа при смешанной смазке в узлах трения агрегатов гидравлических систем авиационной техники.
-
-
На основе полученных результатов разработаны:
научно-обоснованные технические решения и практические рекомендации по обеспечению работоспособности и ресурса пар трения в условиях смешанной смазки при высоких уровнях механической и тепловой нагрузок в агрегатах авиационной техники;
практические рекомендации по техобслуживанию колёсной строительной и дорожной техники.
Научная значимость работы заключается в решении проблемы обеспечения работоспособности узлов трения агрегатов гидравлических систем авиационной техники при действии высоких механических и тепловых нагрузок.
Личный вклад автора в разработку проблемы. Автором осуществлены: научное обоснование работы, разработка методов исследования изнашивания металлических материалов при трении в условиях смешанной смазки, экспериментальное исследование изнашивания металлических материалов при трении в условиях смешанной смазки, исследование температуры поверхности трения при смешанной смазке, анализ и обобщение результатов исследований, разработка физических представлений о процессе трения и изнашивания при смешанной смазке, разработка научных основ управления процессом трения и изнашивания металлических материалов при смешанной смазке, разработка и внедрение технических решений и практических рекомендаций по работоспособности узлов трения агрегатов гидравлических систем авиационной техники.
Методы и средства исследований включают анализ источников научно-технической информации, постановку и проведение теоретических и экспериментальных исследований, базирующихся на применении основных положений трибологии, гидравлики, математической обработки результатов эксперимента.
Экспериментальные исследования выполнены:
на разработанной установке для испытаний материалов на трение и износ;
на основе разработанной методики экспериментальной оценки температуры поверхности трения пары «сталь-бронза» с учётом толщины смазочного слоя в паре трения.
Достоверность результатов обеспечивается корректностью постановки задач исследования, обоснованностью принятых допущений и ограничений, подтверждается достаточным объёмом и сходимостью результатов экспериментальных исследований и расчётов, а также положительным опытом применения экспериментальных данных и разработанных методов расчёта в практике проектирования и стендовой отработки агрегатов.
Практическая ценность работы заключается:
в разработанном экспериментальном методе исследования изнашивания металлических материалов при трении скольжения в условиях смешанной смазки;
в алгоритме расчёта предельных значений удельной нагрузки и скорости скольжения пар трения по изменению коэффициента трения с учётом толщины смазочного слоя;
в алгоритме расчёта разности температур в стыке торцевой пары трения;
в методике экспериментальной оценки температуры поверхности трения пары «сталь-бронза» с учётом толщины смазочного слоя в паре трения;
в номограммах взаимосвязи предельных значений удельной нагрузки Рпр, скорости скольжения V и толщины смазочного слоя Н в паре трения, позволяющих по критерию РпрV определить условия перехода к режимам схватывания и переноса бронзы на поверхность стали с учётом реально существующего в паре трения значения толщины смазочного слоя Н.
в рекомендациях:
по обеспечению работоспособности и ресурса пар трения со смазкой при высоких уровнях механической и тепловой нагрузок в агрегатах авиационной техники;
по техническому обслуживанию колёсной наземной строительной и дорожной техники;
в разработанной и запатентованной оригинальной конструкции установки для испытаний материалов на трение и износ;
в разработанных и запатентованных способах управления процессом изнашивания при трении в условиях смешанной смазки в узлах трения агрегатов гидравлических систем авиационной техники.
Реализация работы. Результаты работы внедрены и используются:
в ОАО «Авиационная Корпорация «Рубин» при разработке:
основных направлений гидравлических машин (ГМ) - насосов, насосных станций, гидромоторов, гидроприводов - авиационной техники;
новых образцов ГМ, модернизации существующих ГМ и их составных частей, а также технических заданий, по которым выполняются опытно-конструкторские работы;
программ и методик испытаний новых (модернизации) образцов ГМ и их составных частей;
в ОАО «345 механический завод» при техническом обслуживании колёсной строительной и дорожной техники.
Апробация работы. Научные положения и основные результаты исследований докладывались и обсуждались на симпозиуме и научно-технических конференциях: «Триботехника - машиностроению» (Москва, 1987), на VII Международной научно - практической конференции «Фундаментальные и прикладные проблемы приборостроения, информатики, экономики и права» (Сочи, 2004), на Международной научно - технической конференции «Полимерные композиты и трибология» (Гомель, 2005), на VI Международном Симпозиуме по фрикционным изделиям и материалам «Ярофри - 2006» (Ярославль, 2006), на Международной научно-практической конференции «Фундаментальные проблемы и современные технологии в машиностроении» (Москва, 2010), на заседании научного семинара Лаборатории трибологии Института проблем механики им. А.Ю. Ишлинского (2009.), на заседании научного семинара Кафедры ТИ-1 «Технологическая информатика и технология машиностроения» Московского государственного университета приборостроения и информатики (2010), на VIII Международном Симпозиуме по фрикционным изделиям и материалам «Ярофри - 2010» (Ярославль, 2010).
Публикации. Основное содержание диссертации опубликовано в 44 научных работах, в том числе 2 монографии, 15 статей в журналах, включённых в перечень ВАК РФ.
Структура и объём. Диссертационная работа состоит из введения, шести глав, выводов, списка литературы из 172 наименований, приложений. Основная часть работы содержит 417страниц текста, 150 рисунков, 11таблиц.
