Содержание к диссертации
Введение
1. Анализ изучаемого вопроса и определение научного направления исследования 18
1.1. Анализ проблемы ограниченности ресурса технических систем 18
1.1.1. Методология определение ресурса машин 19
1.1.2. Актуальность проблемы повышения ресурса машин 20
1.2. Аналитический обзор современных способов повышения долговечности деталей машин и механизмов 24
1.2.1. Молекулярно-кинетические процессы в материалах 24
1.2.2. Общие требования к материалам пар трения 26
1.2.3. Анализ существующих способов повышения износостойкости .29
1.3. Теоретические основы изменения состояния машин 32
1.3.1. Изменение массы деталей машин 32
1.3.2. Изменения термодинамического состояния изнашивающихся трибообъектов 36
1.3.3. Анализ возможности стабилизации массы деталей машин 41
1.3.4. Анализ существующих научных подходов к изучению самоорганизации трибосистем 45
1.3.5. Анализ путей повышения ресурса машин 64
2. Обоснование механизма безызносности трущихся поверхностей 72
2.1. Модель автокомпенсации износа деталей машин 72
2.2. Модели физико-механических процессов при электрохимико-механической обработке 80
2.2.1. Модель электрохимикомеханической обработки 80
2.3. Механизм действия трибосопряжения при самоорганизации трибосистемы 95
2.4. Оценка влияния электрического тока на трение и износ 99
2.5. Оценка влияния собственных электрохимических потенциалов контактируемых деталей на износ сопряжения 101
2.6. Оценка влияния концентрации смазочной жидкости-электролита на процесс электрохимикомеханической обработки 106
2.7. Оценка влияния гидродинамических процессов на компенсацию износа 112
2.8. Активация рабочей жидкости внешними энергетическими воздействиями 1 2.8.1. Понятие об активации жидкости 115
2.8.2. Особенности физических методов активации жидкости 115
2.8.3. Теоретические предпосылки применения физических методов активации жидкостей 116
2.8.4. Оценка существующих методов физической активации жидкостей 117
2.9. Исследование механизма электрохимикомеханического осаждения металла на обрабатываемые поверхности 128
3. Экспериментальные исследования трибосистем 147
3.1. Общие методы исследований 147
3.1.1. Научное планирование экспериментальных исследований упрочняющих технологий 148
3.1.2. План эксперимента 150
3.1.3. Выбор плана эксперимента 151
3.2. Экспериментальные исследования применения перспективных технологий для поверхностного упрочнения деталей, работающих на трение 154
3.2.1. Результаты исследования влияния ударно-акустической упрочняющей обработки на износ трибодеталей 154
3.2.2. Результаты исследования влияния лазерной обработки-закалки на износ трибодеталей 157
3.2.3. Результаты исследования влияния электрохимикомеханической обработки на износ стальной пары 158
3.2.4. Результаты сравнительных испытаний трибопар 164
3.3. Исследование физико-трибологических свойств экспериментальной смазочной жидкости на протекание электрохимикомеханических процессов 166
3.4. Исследование вязкостно-температурных свойств экспериментальной жидкости 172
3.5. Исследование электропроводности экспериментальной жидкости. 175
3.6. Исследование трибологических свойств экспериментальной жидкости 176
3.7. Анализ результатов экспериментальных исследований 178
3.8. Исследование механизма самоорганизации трибосистем 179
3.9. Экспериментальные исследования процесса изнашивания деталей трения в условиях электрохимикомеханической компенсации износа..
3.9.1. Порядок проведения опытов 190
3.9.2. Обработка экспериментальных данных и разработка математической модели процесса электрохимикомеханической компенсации износа 192
3.9.3. Анализ результатов проведенных опытов 197
4. Управление выходными параметрами процесса электрохимикомеханической обработки моделированием условий обработки методами теории подобия 204
4.1. Обоснование применения методов теории подобия, моделирования и размерностей для процесса электрохимикомеханической обработки...204
4.2. Определение коэффициентов подобия при нелинейно-подобном преобразовании
4.2.1. Выбор геометрических фигур оригинала и модели 208
4.2.2. Коэффициенты подобия с нелинейными параметрами фигур 210
4.3. Критерии подобия процессов электрохимикомеханической обработки модели и оригинала 215
4.3.1. Этапы определения критериев подобия 215
4.3.2. Установление критериев подобия 218
4.4. Формирование механизма обеспечения подобия модели и оригинала для процесса электрохимикомеханической обработки 228
4.4.1. Условия подобия модели и оригинала процесса электрохимикомеханической обработки 228
4.4.2. Определения связи между критериями подобия расчетом частных критериальных зависимостей 230
4.4.3. Определение связи между критериями подобия расчетно-графическим методом 231
4.5. Разработка автоматизированного номографического метода представления закономерностей процесса электрохимикомеханической обработки с использованием теории подобия 236
4.5.1. Особенности номографического представления многофакторных зависимостей процесса электрохимико-механической обработки 236
4.5.2. Номограмма на логарифмических сетках со шкалами разных модулей 240
4.5.3. Номограмма на логарифмических сетках со шкалами равных модулей 247
4.5.4. Номограммы на логарифмических сетках с ходом в сорок пять градусов 253
4.5.5. Экспериментальные исследования закономерностей процесса ЭХМО, полученных на основе положений теории подобия 257
4.5.6. Разработка модели автоматизированного номографического моделирования функциональных зависимостей процесса ЭХМО 259
5. Методология создания технологических систем электрохимикомеханической обработки 273
5.1. Проектирование технологического процесса электрохимикомеханической обработки 273
5.1.1. Порядок проектирования процесса электрохимикомеханической обработки 280
5.1.2. Основные этапы построения технологического процесса 283
5.2. Оборудование для электрохимикомеханической обработки 287
5.2.1. Конструкция и изготовление электрода-инструмента 289
5.2.2. Подбор рабочей жидкости 291
5.2.3. Расчет требуемого напряжения в электрической цепи при электрохимикомеханической обработке 294
5.3. Предлагаемые способы и устройства для электрохикомеханической обработки 295
Заключение 311
Библиографический список
- Актуальность проблемы повышения ресурса машин
- Оценка влияния собственных электрохимических потенциалов контактируемых деталей на износ сопряжения
- Экспериментальные исследования применения перспективных технологий для поверхностного упрочнения деталей, работающих на трение
- Критерии подобия процессов электрохимикомеханической обработки модели и оригинала
Введение к работе
Актуальность темы. Износ деталей узлов трения является одной из основных причин снижения ресурса машин. В тоже время повышение надежности и снижение эксплуатационных затрат - насущная задача для всех областей техники. Традиционные методы повышения долговечности трущихся деталей не всегда позволяют достичь желаемых результатов.
К основным методам повышения ресурса трибосистем относятся: совершенствование конструкции, повышение износостойкости элементов трибоси-стемы, использование высокоэффективных смазочных и охлаждающих материалов и др. Интерес представляют и другие решению, например, использование специальных присадок, эффекта избирательного переноса при трении. Однако эти мероприятия не позволяют в полной мере компенсировать износ деталей машин. Поэтому ограниченность ресурса является неотъемлемым свойством современных машин.
Для решения этой проблемы необходимы новые способы обеспечения работоспособности изделий в течение всего периода эксплуатации.
В соответствие с разработанной методикой в ЭНИМСе по заказу Госкомпрома РФ осуществлен анализ новых технологий высокой значимости. Установлено, что высокую эффективность имеют технологии обработки деталей электрофизикохимическими и комбинированными методами. В утвержденных Президентом РФ Основах политики Российской Федерации в области науки и технологий на период до 2010 г. и дальнейшую перспективу выделены девять важнейших направлений развития науки, техники и технологий. Из них особо следует отметить: новые материалы и химические технологии, технологии живых систем.
Повышение износостойкости, восстановление деталей в эксплуатации, управление физико-химическими процессами восстановления деталей возможно при комплексной электрохимикомеханической обработке (ЭХМО).
В диссертации представлены результаты исследований в области теоретического обоснования методов и конструктивных решений для воздействия на поверхностный слой детали. Цель этих воздействий - создание в соответствии с условиями эксплуатации определенных свойств поверхности детали для достижения заданной долговечности.
Цель работы: научное обоснование, разработка и внедрение технических и технологических решений по увеличению долговечности машин и механизмов электрохимикомеханической обработкой.
Задачи исследования:
-
Научное обоснование моделей механизмов с компенсацией износа, экспериментальное исследование процессов износа и выявление перспективных методов повышения их долговечности.
-
Научное обоснование электрохимикомеханического метода повышения долговечности машин и механизмов.
-
Научное обоснование методики разработки и технологии использования механизмов с управляемым ресурсом.
-
Разработка, создание и внедрение устройств и технологических процессов для повышения долговечности, компенсации износа деталей машин и управления их ресурсом.
-
Технико-экономическая оценка разработанных решений.
Объект исследования — новые, изношенные и восстановленные детали машин и механизмов, требующие увеличения долговечности (оси, втулки, валы, цилиндры).
Предмет исследования - технологии и средства повышения долговечности машин и механизмов электрохимикомеханической обработкой.
Методологической основой работы является системный подход к изучению и описанию динамических процессов взаимодействия деталей машин и механизмов. При решении задач диссертации использовались современные методы исследований, базирующиеся на теориях электрохимии, трибохимии, термодинамики, гидродинамики, надежности и др.
Методы исследований включают: теоретический анализ и научное обобщение современных достижений в области повышения ресурса, построение физических моделей, экспериментальные исследования в лабораторных и эксплуатационных условиях с применением современного метрологического оборудования по проверенным методикам с привлечением методов статистической обработки информации, физические и физико-химические методы анализа вещества и исследования поверхности, технико-экономический анализ эффективности применения разработанных положений на практике.
Использовались методы триботехнических испытаний на машинах трения, на стендах, моделирующих работу узлов трения машин и механизмов, и в натурных условиях, физические и физико-химические методы анализа вещества и исследование поверхности.
Исследования выполнялись применительно к изделиям бронетанкового вооружения и техники, железнодорожной техники, общего машиностроения. Поставленные задачи предопределили создание нескольких стендов для испытаний.
Для использования явления компенсации износа поверхностей деталей необходимы эффективные методы применения разработанных теоретических положений в реальных условиях работы трибосопряжения.
К основным направлениям развития трибосистем с использованием элек-трохимико-механической обработки относятся:
-
Создание систем, повышающих эффективность приработки трибосоп-ряжений.
-
Разработка методов и устройств упрочнения поверхности новых или ремонтируемых деталей узлов трения.
-
Разработка методов и устройств повышения долговечности трибосистем методом автокомпенсации износа деталей.
Достоверность сформулированных в диссертации научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается корректностью принятых допущений при исследованиях, согласованностью результатов теоретических и экспери-
ментальных исследований и испытаний, проведенных в условиях эксплуатации машин и механизмов, положительными результатами внедрения ЭХМО при упрочнении деталей, обкатке новых и отремонтированных машин с циркуляционными системами смазки.
Научная новизна.
Разработаны модели и определены закономерности нового комбинированного метода формирования поверхностного слоя изделий машиностроения — процесса электрохимикомеханической обработки контактным методом (ЭХМО-ЭК). Он основан на синтезе процессов электрохимического, химического, триботехнического и деформационного воздействия на материал этого слоя.
Выдвинута и подтверждена гипотеза безразборного восстановления пар трения механизмов и машин, а также управления их триботехническими характеристиками электрохимикомеханической обработкой бесконтактным методом (ЭХМО-БК). Установлены соответствующие закономерности и разработаны необходимые методики.
По результатам физического моделирования ЭХМО с использованием теории подобия и моделирования по принципу аффинного подобия получены закономерности управления выходными параметрами процесса, распространяющиеся на обширный перечень деталей. На этой основе разработана методика автоматизированного определения параметров технологического процесса ЭХМО для различных изделий с учетом его многофакторности.
Физическим моделированием трибосистемы с обратными связями установлено, что в результате ее самоорганизации на поверхности трения детали осаждается атомарный металл. Этим достигается компенсация износа и формирование поверхности с заданными свойствами при использовании внешнего источника вещества и энергии. Обоснована теоретически и подтверждена экспериментально функциональная зависимость интенсивности изнашивания деталей узлов трения от технологических факторов эксплуатации трибосистем. Экспериментально доказана адекватность разработанной модели автокомпенсации износа деталей узлов трения при применении метода ЭХМО в условиях циркуляционной смазки.
Предложены и исследованы рабочие среды для условий технологических систем и эксплуатации трибосопряжений (а.с. 327904).
Разработаны и реализованы методики синтеза ЭХМО и других видов обработки, повышающих ресурс трибосопряжений.
Разработаны способы (а.с. 326667), (патенты 2084863, 2224627, 2250410, 2277704), устройства (а.с. 329969, 331540, 328842, 328239, 328258, 328238, пат. 2088817, 2302328), состав ИОЖ (а.с. 327904) для реализации трибосистемы с автокомпенсацией износа.
Получены закономерности и разработана методика создания технологических и эксплуатационно-технологических систем с регулированием выходных параметров процесса ЭХМО. Они распространяются на управление процессами приработки или восстановление изношенных деталей трибосопряжений, модификацию поверхностного слоя для получения заданных триботехнических и других свойств.
Разработана система автоматического регулирования процессами трения и изнашивания (пат. 2237554).
Обоснованы и внедрены методические рекомендации по повышению долговечности трибосопряжений методом ЭХМО (пат. 2260723).
Разработаны методы и средства диагностирования трибосистем (пат. 2278365, 2284021), конструкции узлов с повышенной долговечностью (пат. 2267044, 2266454, 2267678).
Практическая значимость результатов диссертационной работы.
-
Разработан метод управляемой электрохимикомеханической обработки поверхностей деталей в трибосистемах с различными системами смазки, внешним источником электрической энергии и разнообразными источниками восстанавливающего материала.
-
Разработан технологический процесс и технологическое обеспечение ЭХМО поверхностей деталей узлов трения для придания им необходимых свойств в процессе изготовления, ремонта и использования по назначению.
-
Предложены технические решения по созданию трибосистем нового поколения, подтвержденные авторскими свидетельствами на изобретения и патентами. В частности разработаны и внедрены:
способы компенсации износа деталей трибосистем;
устройства испытания трибосистем с компенсацией износа;
технологические процессы компенсации износа и повышения износостойкости деталей, работающих в трибопарах.
установка электрохимикомеханической обработки деталей.
-
Исследованы и рекомендованы составы рабочих жидкостей для осуществления электрохимикомеханической упрочняющей обработки и компенсации износа при эксплуатации.
-
Предложены поверхностно-активные вещества и другие воздействия, позволяющие повысить эффективность и качество процесса осаждения металла.
-
Разработанные технологии и средства внедрены на предприятиях газонефтяного комплекса, автомобильного и железнодорожного транспорта и на предприятиях МО РФ.
Реализация результатов работы.
Разработанные методы, технологии и средства внедрены в производство в различных ведомствах и научно-производственных организациях: ОАО РЖД (локомотивное депо Омск, Оренбургский локомотиворемонтный завод, ГУП «Транспорт» МПС РФ), Департамент технической политики ОАО «РЖД», Департамент локомотивного хозяйства ОАО «РЖД», Федеральное унитарное предприятие — Омское производственное объединение «Иртыш», КТЦ ТНЦ СО РАН, НПО «Промышленный технопарк», Министерство обороны Украины, Войсковая часть 44424 МО РФ, ТОО «Коралл».
Технологические рекомендации и результаты исследований используются в учебном процессе ВУЗов (Общевойсковая академия ВС РФ, Омский танковый инженерный институт, Челябинский военный автомобильный институт, Военный автомобильный институт (г. Уссурийск), Военный автомобильный институт (г. Рязань).
Положення, выносимые на защиту:
Новые технологии и методы повышения ресурса трибосопряжений.
Теоретические основы применения технологий, реализующих электрохи-микомеханическую обработку, с целью повышения долговечности трибосопряжений.
Методы управления процессом ЭХМО на различных стадиях эксплуатации технических устройств.
Рекомендации по сокращению времени обкатки двигателей после ремонта и применению электрохимикомеханического регулирования в условиях циркуляции смазки.
Методика моделирования процесса ЭХМО на основе теории подобия.
Методика и оборудование для исследования электрохимикомеханической компенсации износа.
Результаты внедрения в производство научно-исследовательских и конст-рукторско-технологических разработок, их экономическая оценка.
Апробация работы.
Основные результаты и положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на Международных, Всероссийских научно-практических конференциях и семинарах, в том числе:
-
Одиннадцатая научно-техническая конференция КВВКИУ РВ. (Казань, 22-24 ноября 1989 г.). - Казань, 1989.
-
Постоянно действующий семинар по надежности на кафедре эксплуатации и вождения КВТИУ. - Украина, Киев, 1990.
-
Заседание кафедры эксплуатации и ремонта машин инженерного вооружения Военной инженерной академии имени В.В. Куйбышева. - Москва, 1990.
-
Заседание научно-технического совета при администрации г. Омска. -Омск, 1991.
-
Международный симпозиум по трибофатике. (Гомель, 14-17 сентября 1993 г.).-Гомель, 1993.
-
Международная научно-техническая конференция «Износостойкость машин» (Брянск, 17-19 января 1995 г.). - Брянск, 1995.
-
Научно-практический семинар «Использование инженерных средств военной техники в программе «СибВПК нефтегаз-2000» (Омск, 18 марта 1999 г.).-Омск, 1999.
-
Третья международная научно-техническая конференция «Динамика систем, механизмов и машин» (Омск, 26-28 октября 1999 г.). - Омск, 1999.
-
Заседание научно-технического совета региональной программы СибВПК 2000. - Омск, 2000.
-
Вторая Российская конференция «Естественные науки в военном деле» в рамках научно-технической программы IV Международной выставки военной техники, технологий и вооружения Сухопутных войск (ВТТВ СВ). - Омск, 2001.
-
Заседание научно-технического совета завода Нефтеоргсинтез. - Омск,
2001.
12. Заседание научно-технического совета завода им. Баранова. - Омск,
2001.
-
Четвертая Международная научно-техническая конференция «Динамика систем, механизмов и машин» (Омск, 2002). - Омск: ОмГТУ, 2002.
-
Межрегиональная научно-техническая конференция «Многоцелевые гусеничные и колесные машины: Разработка, производство, боевая эффективность, наука и образование. Броня-2002» (Омск, 2002.). - Омск: ОТИИ, 2002.
-
Вторая Российская конференция «Естественные науки в военном деле» в рамках научно-технической программы IV Международной выставки военной техники, технологий и вооружения (ВТТВ СВ). - Омск, 2002.
-
Международный технологический конгресс «Военная техника, вооружение и технологии двойного применения в XXI веке. В 1 ГВ-Омск-2003». — Омск, 2003.
-
Второй Международный технологический конгресс «Военная техника, вооружение и технологии двойного применения в XXI веке» (Омск, 2003). -Омск: ОмГУ, 2003.
-
Международная научно-практическая конференция «Дорожно-транспортный комплекс, экономика, экология, строительство и архитектура» (Омск, 21-23 мая 2003 г.). - Омск: СибАДИ, 2003.
-
Международная научно-техническая конференция «Проблемы и перспективы развития двигателестроения» (Самара, 26-27 июня 2003 г.). - Самара: СГАУ, 2003.
-
Заседание НТС ОТИИ. - Омск, 2003.
-
43-я Международная научно-техническая конференция «Ассоциации автомобильных инженеров» (Омск, 2004). - Омск: «ЛЕО», 2004.
-
VII международная научно-техническая конференции «Исследование, конструирование и технология изготовления компрессорных машин» (Казань, 2004 г.). - Казань: ЗАО НИиКИ центробежных и роторных компрессоров им. В.Б. ШНЕППА, 2004^
-
Всероссийская научно-техническая конференция с международным участием «Современные тенденции развития автомобилестроения в России». -Тольятти, 2004.
-
Региональная научно-практическая конференция «Новейшие достижения науки и техники на железнодорожном транспорте» (Челябинск, 2004 г.). -Челябинск, 2004.
-
Вторая межрегиональная научно-техническая конференция «Многоцелевые гусеничные и колесные машины: разработка, производство, эксплуатация и боевая эффективность, наука и образование. Броня 2004» (Омск, 2004 г.). -Омск, 2004.
-
XIV научная конференция с международным участием «Транспорт 2004» (Болгария, София, 11-12 ноября 2004 г.). - София, 2004.
-
Пятая международная научно-техническая конференция «Динамика систем, механизмов и машин» (Омск, 2004 г.). - Омск, 2004.
-
Международная научно-техническая конференция «Дорожно-транспортный комплекс как основа рационального природопользования» (Омск, 23-25 ноября 2004 г.). - Омск, 2004.
-
Заседание кафедры «Технология машиностроения», ОмГТУ, 2004, 2005, 2006.
-
Всероссийская научно-техническая конференция с международным участием «Ресурсосберегающие технологии на железнодорожном транспорте» (Красноярск, 19-21 мая 2005 г.).-Красноярск, 2005.
-
Международная научно-практическая конференция «Наука в транспортном измерении» (Киев, 11-13 мая 2005 г.). - Киев, 2005.
-
3 Международный технологический конгресс «Военная техника, вооружение и технологии двойного применения. ВТТВ-Омск» (Омск, 7-Ю июня 2005 г.). - Омск, 2005.
-
Materials of International Conference «BALTTRIB 2005», (17-18 November 2005). - LUA, Lithuania, Kaunas, 2005.
-
XV Международная научно-техническая конференция «Проблемы развития рельсового транспорта» - Украина, Алушта, 2005.
-
Третий международный технологический конгресс «Военная техника, вооружение и технологии двойного применения. ВТТВ-Омск». - Омск, 2005.
-
Научно-практическая конференция «Инновационные проекты, новые технологии и изобретения». - Экспериментальное кольцо ВНИИЖТ, Щербинка, 2005.
-
Вторая научно-практическая международная конференция «Внедрение наукоемких технологий на магистральном и промышленном железнодорожном транспорте» - Украина, Алушта, 2006.
-
Вторая Международная научно-практическая конференция «Актуальные проблемы развития железнодорожного транспорта». - Самара: СамГАПС,
2006.
-
XVI международная научно-техническая конференция «Проблемы развития рельсового транспорта» - Украина, Ялта, 2006.
-
Многоцелевые гусеничные и колесные машины: разработка, производство, модернизация и эксплуатация: III межрегиональная научно- практическая конференция (Броня-2006). - Омск, Вариант-Омск, 2006.
-
Военная техника, вооружение и современные технологии при создании продукции военного и гражданского назначения: IV Международный технологический конгресс. - Омск, 2007.
-
Подвижной состав XXI века: идеи, требования, проекты: V Международная научно-техническая конференция. Тезисы докладов. - СПб.: ПГУПС,
2007.
43. Динамика систем, механизмов и машин: VI междунар. научн.-техн.
конф. - Омск, 2007.
-
Проблемы развития рельсового транспорта: XVII Международной научно-технической конференции. - Крым, 2007.
-
Энерго- и ресурсосбережение в структурных подразделениях Западно-Сибирской железной дороги: XII научн.-практ. конф. - Омск, 2008.
46. Подвижной состав XXI века: идеи, требования, проекты: VI Междуна
родная научно-техническая конференция. - СПб.: ПГУПС, 2009.
Разработанные способы и устройства испытаны в условиях эксплуатации бронетанкового вооружения и техники, нефтегазового оборудования, железнодорожного и автомобильного транспорта.
Результаты используются в НИЛ ВУЗов при проведении НИР и в НИИ при выполнении НИОКР в соответствующих областях.
Материалы диссертационной работы использованы при написании двух учебников и 10 учебных пособий, используемых в учебном процессе. В частности они используются в ВУЗах при чтении лекций и проведении других занятий по дисциплинам «Материаловедение. Технология конструкционных материалов» и «Эксплуатация МГКМ».
Материал диссертации предлагается использовать при выполнении НИР по разработке мероприятий, направленных на повышение ресурса машин и механизмов, при производстве, эксплуатации и ремонте машин с целью повышения эффективности процессов и качества продукции.
Публикации. Основное содержание диссертации отражено в 121 опубликованной работе, в том числе в 24 изданиях, рекомендованных ВАК РФ; 40 авторских свидетельствах и патентах; 20 материалах Международных научно-технических конференций и конгрессов; 5 материалах Всероссийских научно-технических конференций; 10 материалах Межрегиональных конференций, 2 материалах научно-практических конференций; 9 сборниках научных трудов; 6 научных журналах; 3 иностранных изданиях; 2 учебниках для ВУЗов.
СТРУКТУРА И ОБЪЕМ РАБОТЫ
Актуальность проблемы повышения ресурса машин
Решение проблемы повышения долговечности изделий и увеличение сроков службы до капитального ремонта основных видов машин, снижение их металлоемкости, сокращение численности рабочих, занятых ремонтом, сохранение энергии, материалов, повышение производительности, обеспечение экологичности и безопасности зависит от повышения надежности узлов трения.
Каждый год в мире измельчается 1 млрд. тонн веществ. На операции измельчения различных технических продуктов приходится 4% мировых энергетических затрат, 30...50% вырабатываемой механической энергии уходит на трение. Ежегодные потери на трение и износ в США составляли 100 млрд. долл., в Германии - 40 млрд. марок. Значительные средства, связанные с износом, расходуются и в России. Свыше 25 млрд. т металла расходуется на ремонт и изготовление запасных частей. Около 7 млн. человек занимается ремонтными работами. Стоимость ремонта и технического обслуживания различных изделий техники (по различным источникам) в 3...10 раз превышает стоимость их изготовления [66, 87, 143].
Из-за износов снижаются КПД, точность, экономичность, безотказность и долговечность машин, ухудшаются динамические и акустические характеристики. Для поддержания машин в работоспособном состоянии требуются чрезвычайно большие денежные и материальные затраты, привлечение трудовых ресурсов [66, 87, 88, 143]. Затраты на ремонт и техническое обслуживание машины в несколько раз превышают ее стоимость: для автомобилей - в 6 раз, для самолетов - до 5 раз, станков - до 8 раз [112].
На долю заводов, выпускающих новые тракторы, приходится лишь 22% мощностей, на долю заводов, изготовляющих запасные части к тракторам, - 34%, на долю ремонтных предприятий - 44%. Иначе говоря, на ремонт тракторов затрачивается почти в 4 раза больше производственных мощностей, чем на их изготовление.
Трудоемкость ремонта и технического обслуживания многих строительных и дорожных машин за срок их службы примерно в 15 раз превышает трудоемкость изготовления новых. Создание машин, не требующих капитальных ремонтов за весь срок службы, и значительное сокращение текущих ремонтов по своей технико-экономической эффективности равноценно удвоению мощности машиностроительных заводов и увеличению выпуска металлов на многие миллионы тонн в год. Ремонтом техники занято свыше 7 млн. человек. Одна треть станочного парка находится в ремонтных предприятиях. На запасные части расходуется более одной пятой выплавляемого металла. За весь срок службы двигателей автомобилей, тракторов и комбайнов их ремонтируют до 5 раз. Ресурс двигателя после ремонта по сравнению с ресурсом нового двигателя составляет 30...50%. Число рабочих, занятых ремонтом двигателей, в несколько раз превышает число рабочих, изготовляющих двигатели на заводах серийной продукции. Материальные затраты на ремонт также во много раз превосходят затраты на изготовление нового двигателя. В целом по стране на автомобилях, тракторах и комбайнах отремонтированных двигателей в 2 раза больше, чем новых.
Среди причин малого ресурса двигателей после ремонта: - низкое качество обработки поверхностей деталей; - станки ремонтных предприятий не обеспечивают той точности обработки, которую имеют детали, изготовленные на заводах серийной продукции; - отсутствие средств надежной промывки деталей перед сборкой, запыленность абразивной пылью сборочных цехов, в целом невысокая культура производства; - плохая приработка деталей после ремонта, отсутствие современных испытательных стендов, приборов, контролирующих процесс приработки, загрязненность абразивами смазочных и гидравлических систем; - недостаточная специализация производства на ремонтных предприятиях по сравнению с ее уровнем на заводах серийной продукции, не позволяющая разрабатывать и реализовывать наиболее рациональные технологические процессы; - результатом этого является, в первую очередь, малый срок службы деталей.
Наиболее типичными видами разрушения для машин, оборудования и приборов является износ, механическое разрушение и коррозия. Эти виды разрушения охватывают 80...95% всех видов разрушения механических элементов.
Перечисленные выше виды разрушения в основном определяют затра 23 ты на эксплуатацию технических систем, которые в последнее время существенно выросли. Так, затраты на поддержание в работоспособном состоянии тракторов и самолетов в 5...8 раз превышают стоимость новых машин, металлорежущих станков - в 8... 15 раз, радиотехнической аппаратуры - примерно в 12 раз, а радиоэлектронной техники - в 1... 100 раз. По данным американских специалистов, уменьшение эксплуатационных расходов только на 3...5% оправдывает увеличение на 15...25% затрат на совершенствование основных эксплуатационных характеристик сложных технических систем.
Кроме того, надежность отремонтированной техники ниже, чем новой. Из-за несовершенства технологий ремонтных предприятий детали, соответственно, и машины, имеют малый срок службы - ресурс отечественных автотранспортных средств на 200...400 тыс. км ниже зарубежных. Об эффективности мероприятий по повышению надежности говорят следующие примеры.
Затраты на увеличение ресурса автомобильных шин на 10% составляют 0,2% их стоимости. Повышение надежности приводит к снижению потребности в них. В результате этого стоимость производства шин с увеличением ресурса (из расчета на одну и ту же величину пробега) составляет 89,8% их первоначальной стоимости. При производстве новых электроламп с увеличением на 40% срока службы, их стоимость увеличивается лишь на 20%, затраты на выпуск ламп из расчета на одну и ту же продолжительность горения составляют 72% от стоимости ламп с пониженным сроком службы.
Недостаточно высокий уровень надежности является одной из основных причин неоправданно больших затрат на техническое обслуживание и ремонт техники, на производство запасных частей.
Так, на ремонт техники ежегодно тратится почти 20% черных металлов и задействовано около 25% станочного парка страны; для поддержания в работоспособном состоянии тракторов на ремонт и их техническое обслуживание затрачивается в течение 8... 10 лет вдвое больше средств, чем на покупку нового, а в этих затратах 40...50% составляют запасные части. Сокращение объема ремонтных работ в масштабах страны только на 10% позволило бы получить экономию около 15 млрд. рублей.
Среди основных причин преждевременного выхода деталей из строя: ошибки при проектировании (составляют 25%), неправильный выбор материала и технологии изготовления (30%), неправильная эксплуатация (25%). Соотношение этих и других факторов в зависимости от конкретных условий может быть и иным. Решение этой проблемы требует комплексного подхода.
Оценка влияния собственных электрохимических потенциалов контактируемых деталей на износ сопряжения
В результате реакций на поверхностях электродов образуются продукты обработки, в том числе нерастворимые гидрооксиды [17]. Их концентрация в районе протекания анодного растворения в начальный момент превышает концентрацию в рабочей жидкости. Количество ионов металла в при-анодной и прикатодной областях будет зависеть от скорости выноса частиц потоком жидкости. Если рабочая жидкость протекает со скоростью выше 2 м/с, то она успевает вынести из электродного пространства почти все ионы металла, и скорость осаждения снижается.
Для поддержания достаточной скорости осаждения необходимо иметь скорость потока, не обеспечивающую вынос всех ионов металла, т.е. в каждый момент времени требуется обеспечить условие dm1/dT dm2/dT, (2.34) где dm}/dx и dm2/di - соответственно скорость выноса ионов металла из зоны обработки и скорость их образования в результате анодного растворения. Гидродинамические процессы зависят от комплекса факторов, следовательно, для каждого конкретного случая выбираются свои технологические режимы, свойства рабочей жидкости, электрические показатели тока.
Скорость образования ионов металла, исходя из закона анодного растворения, можно представить в виде dm2/dT = rsxU/s, (2.35) где г\ - выход по току; є — электрохимический эквивалент материала анода; X - удельная проводимость рабочей жидкости; U - напряжение на электродах; s - межэлектродный зазор. Принимая во внимание, что рабочая жидкость - это однородная среда, а ее поток близкий к ламинарному, градиент концентрации не меняется во времени dm1/dx = pD- -, (2.36) dy где р - плотность продуктов обработки (она превышает плотность электролита и по экспериментальным данным может быть принята в пределах 2500...3000кг/м3); D - коэффициент диффузии, изменяется в зависимости от концентрации электролита и его температуры; с - массовая концентрация продуктов обработки; у - длина по направлению, перпендикулярному обрабатываемой поверхности. Для установившегося режима диффузии dc/dy«(ca-cBX)/5, (2.37) где са - массовая доля продуктов обработки на аноде (изменяется в широких пределах в зависимости от режима протекания процесса ЭХМО, скорости выноса продуктов обработки, са =0,92...0,97); свх - массовая доля продуктов обработки в рабочей жидкости на входе в рабочую зону; 5 - толщина диффузионного слоя. Из уравнений (2.35) и (2.36) получим r8xU/s = pD(ca -свх)/5, (2.38) откуда 5 = pD(ca -свх /(лєхи). (2.39)
В процессе обработки металлов важным фактором является физико-химическое влияние технологической среды на поверхности инструмента и обрабатываемого материала: повышение реакционной способности смазоч-но-охлаждающей технологической среды (СОТС) по отношению к этим поверхностям благоприятно воздействует на процесс обработки.
Активация технологических сред - это любые воздействия на среду, направленные на повышение ее эффективности при обработке. Активация СОТС может осуществляться химическими методами, например, путем введения в составы СОТС химически активных присадок, т.е. путем изменения ее химического состава (химическая активация), а также внешними энергетическими воздействиями на СОТС, поступающими в зону обработки (физическая активация).
В тех случаях, когда резерв повышения эффективности СОТС путем изменения ее химического состава оказывается исчерпанным (если допустить такую возможность), расширить границы эффективности позволит применение физических методов активации. С помощью того или иного метода физической активности СОТС можно в принципе изменить свойства среды лишь на определенное время и именно в той локальной зоне, где это необходимо, т.е. в зоне обработки. Эта особенность ряда активирующих воздействий может повлечь за собой снижение уровня некоторых ограничительных требований, предъявляемых к составу и свойствам СОТС. Имеются в виду, в первую очередь, требования в отношении коррозионных свойств и токсикологических показателей технологической среды.
Можно применять в режиме физической активации также композиции СОТС, которые будут нетоксичными, коррозионно-неактивными в контакте с элементами технологического оборудования; лишь непосредственно в зоне резания они приобретут те заданные параметры активности, которые обеспечат эффективность процесса металлообработки.
Широко изучаются вопросы комплексной активации, т.е. создания таких систем охлаждения и смазки, которые включали бы какой-либо из методов физической активации, воздействующий на среду с составом, разработанным в соответствии с требованиями данного вида активации. Естественно, такой комплексный подход к применению СОТС должен завершаться рациональной системой подвода среды к зоне резания, объединяя в едином научно-техническом решении физико-химические и технические вопросы применения соте.
Важное достоинство физических методов активации СОТС - гибкость в управлении процессом, что позволяет автоматизировать активирующее воздействие, приспособить его к особенностям того или иного технологического перехода, а в перспективе включить активирующие устройства в автоматические системы управления (АСУ) технологического оборудования для того, чтобы улучшить технологические свойства охлаждающей среды на отдельных этапах операции обработки.
Помимо влияния на основные функциональные свойства среды, некоторые методы активации проявляют также бактерицидный, гемогенезирую-щий и другие дополнительные эффекты, повышающие экономичность применения технологических сред и улучшающие условия их эксплуатации.
Теория физических методов активации в настоящее время находится в состоянии разработки. Сложность и многосторонний характер физико-химических процессов, протекающих при активации, их специфичность по отношению к различным материалам, участвующим в металлообработке, разнообразие возможных условий применения в большинстве случаев не по 117 зволяют дать универсальные рекомендации по использованию того или иного метода активации. В силу этих причин технологические режимы работы активационных устройств определяются главным образом эмпирически.
Механизм активации состоит в следующем. Подвод энергии извне к технологической среде способствует преодолению атомами и молекулами потенциального барьера, препятствующего их взаимодействию с поверхностью металла в контактной зоне при обработке. Кинетическая и потенциальная энергия частиц среды в процессе активации может достигать таких величин, при которых ослабляются или разрываются внутримолекулярные связи в молекуле вещества. Вследствие этого образуются новые реакционно-способные компоненты, усиливающие эффект химической смазки при обработке. Среда переходит в некоторое нестабильное состояние, характеризующееся повышенной способностью проникать на контактные поверхности и образовывать химические смазочные пленки.
Экспериментальные исследования применения перспективных технологий для поверхностного упрочнения деталей, работающих на трение
Результаты исследований кинематической вязкости (см. рисунок 3.6) и электропроводности (см. рисунок 3.7) базовой жидкости показывают, что с увеличением концентрации загустителя вязкость жидкости увеличивается, а электропроводность уменьшается. Это подтверждает результаты теоретических исследований. Причем, изменение функций, в зависимости от концентрации загустителя и температуры жидкости, носит обратный и почти одинаковый характер. А так, как смазочная жидкость должна обладать хорошими смазывающими свойствами и максимальной электропроводностью, то наиболее полно этим условиям должна удовлетворять базовая жидкость с концентрацией загустителя -35...55% (см. рисунок 3.6). При 35% концентрации
загустителя жидкость имеет нижний уровень вязкости 5мм /с, определяемый надежностью уплотнений картеров узлов и агрегатов [95]. При концентрации загустителя 50...53% кривые вязкости и электропроводности пересекаются, определяя критическую точку эффективности совместного действия обеих параметров. При 55% концентрации загустителя интенсивность возрастания вязкости и снижения электропроводности резко уменьшается, что свидетельствует о тенденции к стабилизации параметров. Сравнительный анализ вязкостно-температурных свойств (таблица 3.4) товарных отечественных и зарубежных смазочных жидкостей на нефтяной и на водной основе показывает, что базовая жидкость, выбранная для экспериментальных исследований, по своим качествам вполне пригодна для использования в качестве смазочной жидкости в диапазоне рабочих температур от - 25 С до 90 С. Пригодность к применению базовой жидкости в узлах трения подтверждается и ее хорошими трибологическими свойствами (см. рисунок 3.8). Ее смазочная способность находится на уровне товарных нефтяных масел.
Таким образом, исходя из результатов лабораторных исследований фи-зико-трибологических свойств базовой жидкости, в факторном пространстве получена область экспериментирования по фактору С (концентрация загустителя), которая находится в пределах 35...55%.
Исследование процессов самоорганизации трибосистем проводилось на паре трения вал-подшипник, разделенных слоем смазочного масла. Схема установки для проведения испытаний представлена в соответствии с рисунком 3.9, а образцы трения - в соответствии с рисунком ЗЛО.
В качестве контртела использовались сегменты. Исследовались пары трения, составленные из сталей разных марок, меди, алюминия, цинка. Также испытывались однотипные материалы в паре трения, например: сталь — сталь, медь - медь. Непараллельность поверхностей А и Б не более 0,02 мм. Радиальное биение поверхностей В и Г относительно общей оси не более 0,03 мм. Торцовое биение поверхностей А и Б относительно общей оси не более 0,02. Исследование проводилось на материалах вала и подшипников, взятых с сопряжений реальных машин и механизмов.
Зависимость шероховатости поверхности в зависимости от плотности тока: 1,2, 3 - катод - сталь 45, анод - соответственно цинк, алюминий, медь; 4 - катод и анод - медь (коэффициент трения f = 0,06...0,08, давление р = 0,64 МПа, скорость трения V = 0,41 м/с) Фотографии поверхностей деталей, работающих в различных режимах, приведены в соответствии с рисунками 3.12...3.17. На рисунке 3.12, а показана поверхность медного образца, работающая в режиме граничного трения без восстановления, а на рисунке 3.12, би3.12, в-в условиях катодного вое становления при плотности тока до 1200 А/м и более 2000 А/м соответственно. Анод - нерастворимый графит. На рисунке 3.13 приведены фотографии поверхностей детали, изготовленной из стали 45. Как видно из рисунков, каждому режиму работы и материалу деталей трения свойственны характерные особенности рельефа и текстуры трущихся поверхностей. Работа деталей в режиме восстановления окислов при сравнительно малых плотностях тока способствует выглаживанию шероховатостей и снижению коэффициента трения.
Критерии подобия процессов электрохимикомеханической обработки модели и оригинала
Из приведенных перестановок исходной матрицы (формула 4.10) выбирают одну, наиболее удобную для последующих вычислений.
Вычисление степенных показателей проводят в соответствии с отобранными матрицами. Каждая из матриц Dj соответствует системе линейных уравнений, где каждая строка соответствует какой-либо размерности. Показатели степеней для каждой матрицы вычисляются как отношение Du / Dj На основании полученных значений Xj ; определяется набор критериев подобия щ j. Результатом расчетов является j полных наборов критериев подобия. Из них нужно выбрать один, наиболее удобный для последующего применения. Формирование механизма обеспечения подобия модели и оригинала для процесса электрохимикомеханической обработки Условия подобия модели и оригинала процесса электрохи-мико-механической обработки
Полученные расчетным путем основные критерии подобия, критерии параметрического вида, а также коэффициент нелинейности характеризуют подобие процесса ЭХМО при нанесении слоя на цилиндрическую поверхность (модель) и на сферическую (оригинал) поверхности. Такое подобие соответствует требованию совпадения сходственных относительных характеристик, выполненных с помощью нелинейно-подобного преобразования.
Третья теорема подобия [37, 63] устанавливает, что достаточным условием подобия двух систем процессов является равенство любых двух соответствующих критериев подобия этих систем, составленных из двух основных параметров и начальных (граничных) условий.
В данном случае под системами понимаются процессы ЭХМО цилинд- рической и сферической поверхностей, а приведенная формулировка третьей теории подобия только подтверждает, каковы должны быть требования к процессам, чтобы между ними существовало подобие.
Для соблюдения условий подобия нанесения слоя на цилиндрическую или сферическую поверхности в процессе ЭХМО необходимо, чтобы соответствующие критерии подобия имели один и тот же вид. Кроме того, необходимо определение величин с наличием коэффициента нелинейности Кн для сферической поверхности оригинала. Схема обеспечения подобия модели и оригинала процесса ЭХМО приведена в соответствии с рисунком 4.8.
Особенностью методов теории подобия является установление взаимосвязи между безразмерными комплексами - критериями подобия и закономерностями взаимного соответствия модели и оригинала. В методах теории подобия критерии подобия разделяют на определяющие и не определяющие критерии. Не определяющие включают в себя одну или несколько величин неизвестных до эксперимента или до расчета, как, например, vcn - скорость нанесения слоя в процессе ЭХМО. Определяющие критерии - это критерии, включающие все величины известные до эксперимента (расчета), например, 5 - толщина покрытия, Кэ - электрохимический эквивалент, і - плотность тока и т.д.
Определение скорости нанесения слоя в процессе ЭХМО (производительности процесса) с помощью критериев подобия возможно с использованием именно определяющих критериев подобия. Эти критерии содержат обобщенные значения переменных (исходные данные) до эксперимента или расчета в соответствии с выражением (таблица 4.5)
Приравнивая критерий, содержащий зависимую величину vcn с любым из других критериев, содержащих независимые величины, обеспечена возможность определения vcn - скорости нанесения слоя. Но это возможно в том случае, если установлена функциональная связь между критериями подобия, т.е. тождественность. Такую связь между критериями подобия можно установить двумя путями, изложенными ниже.
В общем случае нахождение функциональной зависимости для рассматриваемых условий представляет значительные сложности. Но при этом можно поступить иначе - определить частные зависимости для отдельных
Полагая в первом приближении наличие пропорциональной зависимо сти (в формуле 4.11), имеем -~- = Сі (ВТ), откуда vcn = Cj . о 1 т Постоянная величина С\ (коэффициент пропорциональности) определяется в необходимом интервале режимов нанесения слоя расчетным путем. Если необходимо определить vcn - скорость нанесения слоя для оригинала (сферическая поверхность), то коэффициент пропорциональности С\ остается такой же величиной, что и для модели, но вводится Кн - коэффициент нелинейно-подобного преобразования, т.е. для оригинала v -С К ВТ6 vcn -Ч Кн—— Аналогично можно определить скорость нанесения слоя vcn в зависимости от времени обработки х и от толщины наносимого слоя 5.
Приравнивая зависимый критерий подобия TCJ с иным критерием подобия, возможно помимо установления коэффициента пропорциональности выявить влияние на скорость нанесения слоя и других параметров. Однако анализ возможностей применения этого пути выявил его не всегда достаточную точность определения связи между критериями подобия.
