Введение к работе
Актуальность проблемы. В процессе эксплуатации работоспособность металлорежущего оборудования может снижаться, из-за постепенных изменений, связанных с износом, происходящим в парах трения, под влиянием внутренних и внешних физико-химических процессов и воздействия окружающей среды. В свою очередь, изменения в основных узлах станков могут приводить к снижению производительности и ограничению устойчивости процесса резания, а также снижению точности обрабатываемых изделий и ухудшению их качества относительно выбранных критериев. Большинство способов восстановления работоспособности машин предполагает прямое вмешательство в трибосопряжения с предварительной их разборкой и частичной заменой элементов. В тоже время, изменение характеристик смазочной среды посредством введения активных препаратов (АП), дает возможность сохранить, а в отдельных случаях и повысить работоспособность трибосопря-жений металлорежущего станка без дорогостоящих операций замены изношенных пар. Поэтому актуальной является разработка методов и средств, позволяющих продлить межремонтные сроки, а также повысить эффективность ремонтных работ.
Наиболее перспективными АЛ, находящими применение для жидких смазочных материалов (ЖСМ), в настоящее время являются наномодификаторы карбоно-вой группы - фуллероидные материалы. Использование фуллероидных наномоди-фикаторов (ФН) в ЖСМ обеспечивает многофункциональное воздействие на пары трения скольжения металлорежущего оборудования, что приводит в итоге к значительному уменьшению адгезионного и усталостного изнашивания и обеспечению сохранения физико-химических характеристик смазочной среды, параметров качества поверхностного слоя и точности формируемых деталей пар трения. Указанное является залогом повышения работоспособности пар трения скольжения и обеспечения требуемых высоких эксплуатационных характеристик металлорежущего оборудования.
Дель диссертационной работы. Основной целью исследований, выполненных в работе, является повышение работоспособности узлов металлорежущего оборудования, включающих силовые фрикционные пары за счет применения активных препаратов - фуллероидных наномодификаторов к смазочным материалам системы смазки.
Для достижения поставленной цели возникла необходимость решить следующие задачи:
на базе накопленного опыта расчетно-экспериментальных работ синтези-ровагь информативно содержательную модель процесса трения и износа пар трения скольжения металлорежущего оборудования с учетом влияния применяемых АП;
на основе полученных экспериментальных данных выполнить классификацию современных АП к ЖСМ по основным классификационным признакам;
на базе выполненных экспериментальных работ по применению в узлах трения АП ФН сформировать физическую модель их работы в ЖСМ применительно к материалам силовых пар трения скольжения узлов металлорежущего оборудова-
НИЯ; I РОС. НАЦИОНАЛЕН,
3! -Швш:,
разработать алгоритм введения АП в ЖСМ, методики и технологические приемы эксплуатации реальных объектов с ЖСМ, содержащих в своем составе АП типа ФН;
разработать алгоритм адаптации АП к ЖСМ, применяемых в узлах металлорежущего оборудования с целью обеспечения рациональных по разработанным критериям режимов работоспособности;
предложить эффективные методы и средства производственных испытаний ЖСМ с АП, и провести необходимые исследования триботехнических материалов узлов трения с применением ФН;
разработать систему комплексной диагностики эксплуатационных параметров качества поверхностного слоя элементов трибосопряжений металлорежущего оборудования при условии применения АП.
Объект исследования. Объектом исследования в диссертации являются три-босопряжения узлов металлорежущего оборудования, работающие в условиях граничного трения и при ограниченном доступе смазочного материала в зону трения, работа которых соответствует параметрам работоспособности в течение регламентированного срока службы станка.
Методы исследований, достоверность и обоснованность результатов. В работе использованы эмпирические и теоретические методы исследования, включая методы теории подобия. Решения задач базируются на полученных в диссертации экспериментальных данных и известных теоретических положениях теории трения и изнашивания, принципах прикладной механики, технологии машиностроения, теории сопротивления материалов и математической статистики. Достоверность и обоснованность результатов исследования обусловлены использованием фундаментальных положений физики твердого тела, положений динамики механических систем, корректных математических моделей процессов трения, применением эффективных вычислительных методов и средств программного обеспечения для ПЭВМ. Научные положения и выводы, полученные аналитически, подтверждены экспериментально и положительными результатами применения в производственных условиях. Достоверность результатов исследования контактных взаимодействий трибосопряжений подтверждена удовлетворительным соответствием результатов с основополагающими решениями, полученными в работах по процессам трения в трибо-сопряжениях технологических систем механической лезвийной обработки, а также результатами исследований других авторов. Новизна выполненных технических решений подтверждается соответствующими техническими актами, приложенными в работе.
На зашиту выносятся:
результаты теоретических и экспериментальных исследований параметров пар трения скольжения и эксплуатационных характеристик качества работы трибосопряжений металлорежущего оборудования;
принцип действия и конструкции триботехнического стенда «Износ», а также приспособления для накатывания износостойких покрытий, выполненного на базе токарного станка, методики измерения с применением измерительно-
вычислительных комплексов (ИВК) для оценки параметров качества поверхностного слоя деталей пар трения «Профиль», «Latimet Automatic»;
предложенная модель процесса трения и изнашивания, учитывающая с необходимой полнотой влияние АП в ЖСМ на параметры трения и износа трибосоп-ряжений;
система комплексного мониторинга параметров качества и диагностики состояния поверхностного слоя пар трения для обеспечения управления процессом трения и износа деталей трибосопряжений металлорежущего оборудования;
выдвинутая, экспериментально обоснованная и инструментально подтвержденная модель действия АП ФН на ЖСМ я поверхности трения;
созданная и апробированная на практике эффективная система адаптации АП в ЖСМ на основе дифференцированного учета физико-химических свойств АП ФН.
Научная новизна результатов исследований заключается в следующем:
предложена научно обоснованная модель процесса трения скольжения при наличии АП ФН в ЖСМ в качестве основы для выполнения комплекса исследований по достижению заданных параметров работоспособности трибосопряжений металлорежущего оборудования;
на основе экспериментальных данных предложена модель влияния АП ФН в ЖСМ на параметры процесса трения и формирование параметров качества при эксплуатации трибосопряжения;
на основе предложенной модели разработан алгоритм системы адаптации АП в ЖСМ к параметрам процесса треігая и параметрам качества контактирующих поверхностей. Разработанный алгоритм адаптации позволяет на этапе триботехни-ческих и натурных испытаний учесть влияние основных физико-химических характеристик АП, в зависимости от их концентрации и введения в ЖСМ, на работоспособность пар трения скольжения;
разработаны методы комплексной оценки показателей качества поверхностного слоя пар трения, основанные на использовании триботехнических стендов, специальных аппаратных средств и новых ИВК;
предложен применительно к трибосопряжениям метод модификации АП ФН смазочных материалов, используемых в металлорежущем оборудовании.
Практическая полезность работы.
Разработанная система адаптации АП в ЖСМ, применяемых в металлорежущем оборудовании, позволяет обеспечить высокую работоспособность пар трения скольжения при жестких ограничениях на эксплуатационные параметры, параметры процесса трения, качества и точности контактирующих поверхностей.
Система, работая совместно с ИВК «Профиль», позволяет осуществлять оценку микрогеометрии поверхности; работая совместно с ИВК «Latimet Automatic», позволяет проводить визуальный мониторинг поверхностей трения и оценку микротвердости; с ИВК «Износ» - осуществлять оценку триботехнических характеристик ЖСМ и пар трения; с ИВК «ПИРСП» - осуществлять оценку реологических свойств ЖСМ м пластичных смазочных материалов. При работе с информатизационной сис-
темой «Thixomet Standard» производится металлографическая оценка поверхностей трения.
Личный вклад автора. В диссертации изложены результаты исследований, полученные автором самостоятельно, а также совместно с сотрудниками ТТИМаш -В.М. Петровым, В.А. Никитиным, Д.В. Васильковым; СГТбГПУ - С.Г. Чулкиным,
При этом лично автору принадлежат:
обоснование направления исследований, постановка задач и разработка методологии исследований; планирование и проведение экспериментальных исследований, связанных с триботехническими испытаниями на триботехнических стендах, металлорежущем оборудовании и комплексной оценкой параметров качества на приборах и ИВК;
разработка модели для оценки комплексного влияния АП ФН на проектируемые антифрикционные материалы, смазочные материалы и покрытия;
обобщение экспериментальных исследований, построение на их основе моделей и установление основных закономерностей исследуемых процессов;
разработка и внедрение ресурсосберегающих технологий в промышленности на основе АП ФН.
Реализация результатов. Предложенные методы комплексной оценки основных эксплуатационных параметров качества трибосопряжений и методы проектирования конструкционных смазочных материалов, покрытий триботехнического назначения и СОТС нашли применение:
в станкостроении и в энергетическом машиностроении при проектировании индивидуальных ответственных пар трения «металл - металл», «металл - композиционный материал» (ОАО «Санкт Петербургский Завод прецизионного станкостроения», ОАО Концерн «Силовые машины» ЛМЗ);
в машиностроении на операциях механической лезвийной обработки, при разработке новых масляных СОТС и СОТС на водной основе, содержащих наномо-дификаторы карбоновой группы фуллероидные материалы (ОАО Концерн «Силовые машины» ЛМЗ, ЗАО Завод «Композит»).
Кроме того, учитывая общность рассматриваемых проблем в транспортном машиностроении, реализация результатов исследований осуществлена:
при отработке технологий применения антифрикционных препаратов к жидким смазочным материалам двигателей внутреннего сгорания на этапах триботехнических и стендовых испытаний (ГОУ ВПО СПбТПУ, кафедра ДВС, ФГУП ВНИИЖТ г. Москва, ФГУП ВНИКТИ г. Коломна);
на железнодорожном и автомобильном транспорте при разработке новых жидких и пластичных смазочных материалов (ФГУП Русэкотранс).
Материалы диссертации внедрены в учебный процесс и использованы при подготовке профилирующих дисциплин на технологическом факультете ГОУ ВПО ПИМАШ, таких, как:
«Триботехника» - по разделу «Применение модификаторов и антифрикци
онных препаратов для создания триботехнических материалов с особыми свойства
ми».
«Взаимозаменяемость и стандартизация» и «Метрология» - по разделу «Методы и средства контроля параметров точности и качества»
«Основы технологии машиностроения» - по разделу «Влияние параметров точности и качества на основные эксплуатационные характеристики пар трения ».
Апробация работы. Результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались в период с 2000 г. по 2005 г. на ряде научно - технических конференций, симпозиумов, совещаний и семинарах: Международной научно-практической конференции "Автоматизация технологических процессов в машиностроении. Режущий инструмент и оснастка" (г. С.-Петербург, 2003); Международной научно-практической конференции "Технологии третьего тысячелетия" (г. С.-Петербург, 2003); 6-ой Международной практической конференции - выставке «Технологии ремонта, восстановления, упрочнения и обновления машин, механизмов, оборудования и металлоконструкций»; «Fullerenes and Atomic Clasters», 4th Biennial International Workshop in Russia; IWFAC*99 (1999, St.Petersburg, Russia); Международном симпозиуме по транспортной триботехнике «Триботехника на транспорте»; «Транстрибо-2001, 2002, 2005» (г. С.-Петербург, СПбГТУ, 2001, 2002, 2005); Международной научно - практической конференции "Качество поверхностного слоя деталей машин" (г. С.-Петербург, 2003);Международной научно-практической конференции, посвященной 300 - летию Санкт-Петербурга: «Безопасность водного транспорта» (г. С.-Петербург, 2003);ФГУП «Рособоронэкспорт» ДГУП «Гранитный» (г. Североморск, 2002);ФГУП ПКБ ЦТ МПС (г. Москва, 2003); ГУП Московский метрополитен (г. Москва, 2004); ФГУП ВНИКТИ (г. Коломна, 2004), ФГУП ВНИИЖТ (г. Москва, 2004). Основные результаты выполнены в рамках НИОКР per. № 01200 407457 код ВНТИЦ 020302228 0321.
Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 11 печатных работ.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы из 136 наименований и содержит 179 страниц текста, включая 9 таблиц, 51 рисунок и три приложения, которые подтверждают работоспособность разработанных алгоритмов и внедрение результатов диссертационной работы на отраслевом и региональном уровнях.
