Содержание к диссертации
Введение
1. Состояние вопроса и задачи исследования 14
1.1. Проблемы качества двигателей внутреннего сгорания сельскохозяйственной техники 14
1.2. Явление избирательного переноса при трении 51
1.3. Практическое применение "эффекта безызносности" 68
1.4. Выводы по главе. Цель и задачи работы 92
2. Теоретические аспекты реализации избирательного переноса при трении 94
2.1. Теоретические условия реализации избирательного переноса при трении 94
2.2. Теоретическое обоснование режимов фрикционного латунирования трущихся поверхностей деталей 99
2.3. Прогнозирование трибопараметров избирательного переноса при трении 115
2.4. Выводы по главе 123
3. Разработка методов и средств реализации избирательного переноса при трении 125
3.1. Разработка новых металлоплакирующих смазочных материалов 125
3.2. Совершенствование процессов фрикционно-механического нанесение пластичных покрытий 131
3.3. Разработка новых методов нанесения медьсодержащих покрытий 143
3.4. Метод повышения триботехнических свойств трущихся соединений без их разборки 156
3.5. Выводы по главе 162
4. Методика экспериментальных исследований 165
4.1. Оборудование и аппаратура для экспериментальных исследований ' 169
4.2. Проведение лабораторных триботехнических испытаний 165
4.2.1. Планирование и математическая обработка испытаний по определению оптимальных уровней концентрации металлоорганических соединений в смазочном материале 181
4.2.2. Проведение сравнительных испытаний "Комплексной технологии" 184
4.3. Определение физико-химических изменений поверхностей трения 189
4.4. Планирование и математическая обработка результатов испытаний по определению оптимальных режимов обкатки карбюраторных двигателей в режиме избирательного переноса при трении 195
4.5. Стендовые и эксплуатационные испытания двигателей в режиме избирательного переноса при трении 194
5. Результаты исследований разработанных методов и средств 210
5.1. Результаты лабораторных триботехнических испытаний 211
5.1.1. Оптимальные уровни концентрации металлооргани-
ческих соединений в смазочном материале 211
5.1.2. Результаты лабораторных триботехнических испытаний
"Комплексной технологии" 220
5.2. Результаты исследований физико-химических изменений трущихся поверхностей при избирательном переносе 228
5.3. Оптимальные режимы обкатки карбюраторных двигателей
в режиме избирательного переноса 242
5.4. Результаты стендовых и эксплуатационных испытаний 248
5.5. Результаты испытания метода повышения триботехнических свойств трущихся соединений без их разбоки 255
5.6. Результаты испытаний металлополимерных и наплавленных покрытий 270
5.7. Выводы по главе 275
6. Внедрение и экономическая эффективность результатов работы 283
6.1. Апробация результатов работы 283
6.2. Внедрение результатов научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ 295
6.3. Экономическая эффективность результатов работы 296
6.4. Выводы по главе 309
Общие выводы 311
Библиографический список
- Явление избирательного переноса при трении
- Теоретическое обоснование режимов фрикционного латунирования трущихся поверхностей деталей
- Разработка новых методов нанесения медьсодержащих покрытий
- Проведение сравнительных испытаний "Комплексной технологии"
Введение к работе
На современном этапе развития экономики и промышленности в
России и странах СНГ в условиях рыночных отношений особое
внимание должно уделяться качеству производимой продукции. Однако,
до настоящего времени качество селькохозяйственной техники (СХТ),
эксплуатирующейся в хозяйствах отрасли не удовлетворяет
предъявляемым требованиям. Так, расходы на ремонт, техническое обслуживание (ТО) и хранение техники в 4...6 раз выше затрат на её производство [42], а межремонтный ресурс СХТ составляет 35...40% от ресурса новой техники. В результате анализа установлено, что надежность СХТ главным образом определяется материалами и технологиями, применяемыми в сельскохозяйственном (с.-х.) машиностроении и ремонтном производстве, а также условиями ее эксплуатации, регламентом ТО и ремонтов [30, 86, 99, 102]. Долговечность агрегатов является низкой вследствие недостаточной износостойкости их деталей, в результате чего снижается ресурс СХТ и оборудования в целом, падает производство сельхозпродукции.
В последние годы резко обострилась проблема защиты
окружающей среды. Содержание вредных компонентов в выхлопных
газах, увеличивающееся при эксплуатации изношенных ДВС, утечки
масел через неисправные уплотнения приводят к загрязнению с.-х.
угодий, снижению количества и качества получаемой продукции, росту
заболеваемости людей и животных, другим отрицательным
последствиям [138,180, 212, 221].
Вследствие этого, разработка новых конструкторско-технологических решений, направленных на повышение качества СХТ, посредством увеличения ее надежности, ресурсосбережения и улучшения экологии является современной и актуальной задачей.
Одним из них является разработка, исследование и практическое применение материалов, технологий, методов и средств, направленных на реализацию научного открытия "Эффекта избирательного переноса при трении (эффекта безызносности)" [40,56].
Данная работа выполнена в соответствии с республиканской целевой научно-технической программой "Технический сервис", программами научно-исследовательских работ МГАУ им. В. П. Горячкина в рамках Государственных заказов Минсельхозпрода РФ № 79-34-5 м и № 163-32-4 м на период 1991... 1998 гг., по которым соискатель был ответственным исполнителем и научным руководителем.
Целью работы является повышение долговечности двигателей внутреннего сгорания реализацией в трущихся соединениях избирательного переноса при трении (ИП).
Объектом исследования служат методы и средства реализации ИП, а также различные виды трущихся соединения ДВС ("шейка коленчатого вала - вкладыш", "гильза цилиндров - поршневое кольцо", "вал-манжетное уплотнение" и др.).
В работе применен системный метод проведения
экспериментальных исследований, включающий: лабораторные триботехнические испытания конструкционных и смазочных материалов на режимах приработки и "пуска-остановки"; многофакторные эксперименты по определению оптимальной концентрации металлоплакирующей присадки (МПП) к СМ и оптимальных режимов обкатки двигателей; физико-химические исследования по определению микротвердости и предела выносливости образцов после ФАБО, насыщения трущихся поверхностей пластичными металлами и водородом; сравнительные стендовые и эксплуатационные испытания двигателей с применением разработанных технологий.
При проведении исследований использовались методы физического и математического моделирования с применением персональной электронно-вычислительной машины.
Научная новизна диссертационной работы заключается в комплексном решении поставленной проблемы путем анализа и обобщения теоретических и экспериментальных данных, положений и закономерностей трибологии в результате которых:
- обоснована возможность и эффективность применения
технологий и материалов, реализующих ИП в различных соединениях
СХТ; впервые предложен математический аппарат, который может быть
использован для оценки основных триботехнических характеристик
(износ деталей, путь трения, оптимальное давление в соединении и др.) в
режиме ИП;
-разработана методика лабораторных триботехнических
испытаний конструкционных и смазочных материалов в режиме "пуск-
остановка"; предложен метод рентгено-спектрального
флуоресцентного анализа (РСФА) испытуемых образцов при изучении
процессов образования "сервовитных" пленок на поверхностях трения;
- изобретены новые методы и средства, реализующие ИП:
металлоплакирующая присадка к смазочной композиции (Пат. РФ №
2044761); устройство и составы для фрикционно-механического
нанесения покрытий (Пат. СССР № 1834913, Пат. РФ № 2004622,
Положит, реш. ВНИИГПЭ № 97103462); метод безразборного
восстановления трущихся соединений (Пат. РФ № 2062821); состав
клеевых медьсодержащих покрытий для манжетных уплотнений (заявка
на изобретение № 96110269); электротехнологические процессы
нанесения покрытий (Патенты РФ № 2102523 и № 2102529, Положит,
реш. ВНИИГПЭ № 96100121); металлоплакирующая консистентная
смазка (Положит, реш. ВНИИГПЭ № 97111694).
найдены аналитические зависимости для определения оптимальных концентраций металлоплакирующей присадки в СМ, применительно к соединению "шейка коленчатого вала-вкладыш" двигателя СМД-62.
Практическая ценность диссертации в следующем: 1. Новая методика триботехнических испытаний конструкционных и смазочных материалов в режиме "пуск-остановка" до 10 раз сокращает продолжительность испытаний на износостойкость, а, следовательно, и время от начала разработки технологии до ее практического использования.
2. Созданы и применены новые методы и средства, реализующие
ИП: металлоплакирующая присадка "Эрфолг", а на ее базе:
гидравлическая жидкость (масло) марки "РЦ-1" (ТУ 258-002-95),
масляная смазочно-охлаждающая жидкость "РЦ-2" (ТУ 0258-001-45-95),
консистентная смазка "МСК" (ТУ 32-001-98); устройство Д.91 и составы
для фрикционно-механического нанесения покрытий СФП-2 и СФП-3
(ТУ 95300-2-6-078-91) ; метод нанесения клеевых медьсодержащих
покрытий на манжетные уплотнения ("Руководство по нанесению
покрытий на рабочую поверхность манжетных уплотнений и условиям
их дальнейшей эксплуатации" - РТМ 10. 0019-94); восстановитель
трущихся соединений в процессе их непрерывной эксплуатации "М-
Пульс-2000"; новые электротехнологические процессы нанесения
порошковых покрытий и упрочнения трущихся поверхностей:
индукционная металлизация, индукционное макроармирование и
электроконтактная металлизация. На их основании разработана
ресурсоповышающая "Комплексная технология", включающая
нанесение медьсодержащего покрытия на трущиеся поверхности соединений и применение в процессе их эксплуатации смазочных композиций с МПП ("Руководство по применению финишной
антифрикционной безабразивной обработки (ФАБО) деталей, технологического состава СФП-2 (3) и металлоорганической присадки "Велап" при капитальном ремонте, обкатке и эксплуатации двигателей внутреннего сгорания" - РТМ 10. РОССИЯ 01.0018-92).
3. Комплекс научно-исследовательских и опытно-конструкторских разработок позволяет: уменьшить интенсивность изнашивания трущихся деталей до 10 раз, сократить продолжительность заводской обкатки различных ДВС более чем в четыре раза, производить частичное восстановление технических характеристик узлов и агрегатов без их разборки, что в комплексе обеспечивает повышение безотказной работы агрегатов и увеличение их межремонтного ресурса в 1,23 и более раз; сократить расход топлива и СМ на 5%, а вредные выбросы (оксид углерода (СО), сажа, СМ) на 30...50% и т. д.
Результаты работы могут быть использованы на машиностроительных, транспортных и ремонтно-технических предприятиях (РТП). Методы исследований и их результаты могут быть применены в технических вузах при изучении курса "Трибология".
Основные положения и результаты исследований были предметом обсуждения и одобрения на: научных конференциях профессорско -преподавательского состава, научных работников и аспирантов МГАУ в 1989...1998 гг; областной научно - технической конференции (НТК) "Эффективность использования машиностроительного оборудования", Саранск, 1991 г.; научно-техническом семинаре (НТС) "Эффективные технологические процессы и оборудование для восстановления и упрочнения деталей машин", ПДНТИ, Пенза, 1991 г.; Всесоюзной НТК "Износостойкость машин-91", Брянск, 1991 г.; Международном НТС "Избирательный перенос и фрикционные покрытия. Безызносность-91", Москва, 1991 г.; "Школе передового опыта", проводимой ВДНХ СССР и ВНПО "Ремдеталь", Москва, 1991 г.; технических советах Ростокинского
ремонтного завода (РРЗ), 1992 г., Краснопахорского ремонтно-механического завода (КРМЗ), 1994 г., фирмы "S-Bahn Berlin GmbH" (ФРГ), 1997 г.; Научно-технических советах Главмехэлектро МСХ РФ, 1992 г., и МПС РФ, 1998 г; Международной НТК "Концепция развития и высокие технологии индустрии ремонта транспортных средств", Оренбург, 1993 г.; научно-практической конференции (НПК) "Научно-технический прогресс в инженерной сфере АПК России", Москва, 1993 г.; НПК "Совершенствование научного обеспечения и подготовки кадров для агропромышленного производства Волгоградской области", ВСХИ, Волгоград, 1994 г; НТК МГМИ, посвященной 110-летию А.Д. Брудастова, Москва, 1994 г.; П-ом Международном конгрессе (МК) "Защита-95", Москва, 1995 г.; НПК "Современные технологии восстановления и упрочнения деталей - эффективный способ повышения надежности машин", ЦРДЗ, Москва, 1996 г.; 14-ой Российской НТК "Неразрушающий контроль и диагностика", АНХ, Москва, 1996 г.; "НПК по проблеме износа гребней колес и рельсов", ВНИИЖТ, ст. Щербинка, 1996 г; МК "Экологические проблемы больших городов: инженерные решения, Москва, 1996 г.; НТС "Проблемы безызносности в машинах", ГАНГ, Москва, 1997 г.; 3-ем Международном симпозиуме по трибологии фрикционных материалов "Ярофри-97", Ярославль, 1997 г.; НПК "Технологии-97", Москва, 1997 г.; НПК "Деловые связи в науке и образовании", Москва, 1997 г.; НТС, посвященном памяти Ю.С. Симакова, Москва, 1997 г.; Международной НПК, посвященной памяти академика В.П. Горячкина, Москва, 1998 г.; 1-вой Международной конференции "Физико-химические основы трения и износа фрикционной пары колесо-рельс" "Трибэнерг-98", Москва, 1998 г.; Международной конференции по коллоидной химии и физико-химической механике, Москва, 1998 г.
Тезисы доклада соискателя включены в программу 11-того конгресса Международной- федерации по горячей обработке и технологиям нанесения покрытий (11-th Congresse of the International Federation for Heat Treatment and Surface Engineering), Флоренция, Италия, 1998 г., а также опубликованы в сборнике докладов Международной конференции по трибологии (International Conference Balttrib' 99), Каунас, Литва, 1999 г.
Разработанные технологии и конструкторские разработки экспонировались на: Международном НТС "Избирательный перенос и фрикционные покрытия. Безызносность-91", Москва, 1991 г; отраслевых выставках: "Вузовская наука - сельскохозяйственному производству", Минсельхозпрод РФ, 1993 г.; "Ресурсосбережение на железнодорожном транспорте", Экспериментальное кольцо ВНИИЖТ, ст. Щербинка, 1996...1997 гг.
По итогам 1-ой Международной выставки "Технологии России-97" (1997 г.) и выставки "Технологии России - агропромышленному комплексу", (1998 г.) автор награжден Медалью лауреата ВВЦ.
Основные положения диссертации нашли отражение в 72 печатных работах: из них монография "Безразборное восстановление трущихся соединений" (объем 4,5 п.л.), три методические разработки, два руководящих материала, шесть патентов и три положительных решения ВНИИГПЭ о выдаче патента. Подробное изложение материалов по отдельным разделам работы дано в семи отчетах о научно-исследовательской работе, из них два прошли государственную регистрацию в ЦНИИТИ.
Предлагаемые технологии, конструкции, материалы и научно-техническая документация применяются на 29 транспортных и ремонтно-технических предприятиях, в том числе на фирме "S-Bahn Berlin GmbH" (ФРГ)- Элементы технологий и результаты исследований используются в
>
, ;'
учебном процессе МГАУ по специальности 3113 - "Механизация
сельского хозяйства". На основании РТМ 10. РОССИЯ 01.0018-92 и
РТМ 10.0019-94 осуществлены отраслевые внедрения технологий в
системе Минсельхозпрода РФ.
Диссертация состоит из введения, шести глав, общих выводов, библиографий и приложений. Изложена на 342 страницах машинописного текста и включает 83 рисунка, 42 таблиц. Библиографический список содержит 257 наименований, в том числе 17 на иностранных языках. Приложения включают 170 страниц научно-технической и технологической документации по результатам испытаний и внедрения разработок.
Лично автором получены и выносятся на защиту:
1. Теоретические основы применения технологий и материалов,
реализующих ИП, с целью повышения долговечности ДВС;
Новые методы и средства повышения надежности СХТ, ресурсосбережения и улучшения экологии, основанные на реализации ИП;
Новые методы лабораторных триботехнических испытаний: определение износостойкости деталей в режиме "пуск-остановка" и приработки; РСФА "сервовитных" пленок на поверхности алюминиевого антифрикционного вкладыша в условиях применения различных технологий, реализующих ИП; методики определения оптимальной концентрации металлоплакирующей присадки в СМ и оптимальных режимов обкатки двигателей на основании планирования многофакторных экспериментов.
4. Результаты сравнительных лабораторных, стендовых и
эксплуатационных испытаний предлагаемых научно-технических
решений;
5. Результаты физико-химических исследований по определению
микротвердости и предела выносливости стальных образцов после
фрикционного латунирования, а также интенсивности насыщения
поверхностей трения пластичными металлами и водородом.
6. Результаты производственного использования научно-
исследовательских и конструкторско-технологических разработок, их
экономическая оценка.
Автор выражает сердечную признательность сотрудникам кафедр материаловедение, сопротивление материалов, надежности и ремонта машин МГАУ им. В.П. Горячкина, ИФХ РАН, ВНИИ ТВЧ им. В.П.Волощина, ПТЦ "Рем-Авто, НТЦ "Русский центр", Корпорации "Сплав-ЛТД" за оказанную помощь и поддержку при выполнении диссертационной работы.
Явление избирательного переноса при трении
До недавнего времени считалось, что трение в подвижных соединениях только разрушительный процесс, приводящий к отказу узла ив связи с этим к огромным материальным затратам во всем мире [40,42].
Открытие ИП, или другими словами "эффекта безызносности", сделанное советскими учеными Д.Н. Гаркуновым и И.В. Крагельским в 1956 году, позволило изменить сложившееся представление о механизме изнашивания и трения [ 140].
Сущность ИП отмечают они в том,"... что при трении медных сплавов о сталь в условиях граничной смазки, исключающей окисление меди, происходит явление избирательного переноса меди из твердого раствора медного сплава на сталь и обратного ее переноса со стали на медной сплав, сопровождающееся уменьшением коэффициента трения до жидкостного и приводящее к значительному снижению износа пары трения..." [43].
Это явление первоначально было названо атомарным схватыванием. В последствии, после проведения ряда исследований, в 1968 году явление ИП было определено как "...вид фрикционного взаимодействия, характеризуемый в основном молекулярной составляющей силы трения. Возникает в результате протекания на поверхности химических и физических процессов, приводящих к образованию систем автокомпенсации износа и снижения трения. Наиболее характерна система образования защитной (сервовитной) пленки (рис. 1.3), в которой реализуется диффузионно-вакансионный механизм деформации, протекающий без накопления дефектов, свойственных усталостным процессам" [215].
Название "сервовитная" (пленка) происходит от латинского servowitte - спасать жизнь, подразумевает, по мнению авторов, в нашем случае спасение трущихся поверхностей от изнашивания.
Исследование ИП в настоящее время ведется с нескольких основных позиций и направлений. К ним относятся: дислокационно-вакансионный механизм и координационная трибохимия. Наиболее новым является так называемый вакансионно-дислокационный механизм сдвига при ИП, исследованию которого посвятил свои последние годы А.А.Поляков. В работе [161] он пишет:"Избирательный перенос - это вид трения, осуществляемый в основном как внутреннее трение в спонтанно возникающей металлической пленке, которая образуется на поверхностях трения при определенных сочетаниях конструкционных и смазочных материалов. Эта пленка повышает износостойкость поверхностей на два порядка и снижает силы трения на один порядок по сравнению с аналогичными условиями трения при граничной смазке. Для нее характерен нелинейный режим взаимодействия вакансий и дислокаций - вакансионно-дислокационный механизм сдвига, задаваемый повышенной концентрацией вакансий при избирательном растворении упрочненных участков в процессе трения.
При некоторой критической концентрации в пленке происходит кинетический фазовый переход от консервативного движения дислокаций к их неконсервативному переползанию и выходу на нее.
Дислокации переходят на другой уровень взаимодействия с кристаллической решеткой металла с существенно меньшей затратой энергии, что сопровождается релаксацией напряжений".
В отношении процессов, протекающих в СМ при ИП, наиболее ценны работы А.С.Кужарова, проведенные на стыке трибологии, трибохимии и координационной химии [108-110]. Им изучено влияние трения на протекание трибокоординации и обратное ее влияние на условия функцианирования, самоорганизации, параметры трения и износостойкость фрикционных систем. Эти исследования были объединены в новое направление теоретических исследований координационная трибохимия. А.С. Кужаровым впервые изучены кинетические закономерности трибокоординации, т.е. трибохимических реакций активных компонентов dM с поверхностью трущегося металла. Выявлено влияние внешних условий на ее скорость, установлен механизм трибохимических реакций комплексообразования и его отличия от химических реакциях в обычных условиях.
Основными результатами исследований в данном направлении является следующее. Установлено, что "... на поверхности сервовитной пленки за счет трибокоординации образуется граничный слой комплексных соединений, непосредственно связанный с поверхностью трения. Этот слой обеспечивает легкое скольжение и уменьшение коэффициента трения в режиме безызносности за счет своих стереохимических особенностей и подвижности, что проявляется в серфинг-эффекте при реализации ИП. Помимо продуктов трибокоординации в структуре граничного слоя находят свое место не только активные молекулы СМ, но и молекулы смазочной основы (растворителя), а также молекулы окружающей среды. При этом в ходе трения протекает весь комплекс явлений, обусловливающих трибохимические превращения непосредственно СМ, а также химическую модификацию поверхности, в результате чего образуется набор продуктов от простейших неорганических соединений металлов через комплексные соединения до трибополимеров. Эти продукты, а также коллоидные образования в СМ, получающиеся в результате диспергирования металла в процессе приработки и в ходе трибополимеризации, составляют полный набор веществ, определяющих структуру граничного слоя при трении в режиме безызносности" [110].
Теоретическое обоснование режимов фрикционного латунирования трущихся поверхностей деталей
Установлено, что на конечные # результаты при применении фрикционного нанесения медьсодержащих покрытий оказывают влияние следующие основные факторы [38,40]: 1. Адгезионная склонность между наносимым материалом и обрабатываемой поверхностью. 2. Элементный, структурный и фазовый состав обрабатываемой поверхности. 3. Конструкционные особенности ТС. 4. Подготовительная (предварительная) обработка. 5. Качество обрабатываемой поверхности (параметр шероховатости, отсутствие коррозии и т.д.). 6. Условия трения и изнашивания. 7. Применяемые в эксплуатации обработанных соединений СМ. Формирование антифрикционных покрытий при ФАБО происходят вследствие протекания физико-химических процессов.
Фрикционное нанесение покрытий при ФАБО (т.е. нанесение при помощи трения) имеет характерные особенности, аналогичные тем процессам, которые протекают при сварке трением. Такие как; активация поверхности, наличие прижимающих усилий, относительное перемещение поверхностей друг относительно друга. Вследствие этого происходит разогрев контактирующих участков, образование ювинильных поверхностей, схватывание и т.д. В результате чего материал с натирающего инструмента, изготовленного из пластичного металла переносится на обрабатываемую деталь [24, 28, 153, 211, 256].
Повышение производительности процесса нанесения покрытия и улучшение его качества в большой степени зависят от интенсивности и полноты протекания стадий образования физического контакта и активации контактных поверхностей.
Современной науке известны четыре канала активации контактных поверхностей: механический, термический, химический и канал, связанный с высвобождением энергии при выходе на поверхность в результате микропластической деформации структурных дефектов, типа: дислокаций, вакансий и межузельных атомов. Данные каналы тесно связаны между собой и очевидно, что образование качественного покрытия возможно при их полном задействовании в процессе ФЛ [232].
Активация контактных поверхностей в общем виде, способствует образованию межатомных связей в системе "подложка - материал покрытия", но предварительно необходимо, чтобы произошла диссоциация связей в системе "атом металла - атом кислорода".
Срабатывание механического канала активации в процессе нанесения покрытий трением происходит в результате фрикционного воздействия, способного частично или полностью разрушить слой оксида или химически адсорбированного кислорода. В первоначальный период ФАБО хрупкий слой оксида на поверхности трения подвергается значительному воздействию сдвиговых деформаций, вследствие чего происходит его разрушение и вынос из зоны контакта. На обнажившихся ювенильных поверхностях возможно образование связей типа "Me - Me " между атомами металлов с ненасыщенными связями. Следует иметь ввиду, что длительность нахождения атомов в активированном состоянии крайне мала, и возможно вновь образование связей типа "Me - О". Однако использование в процессе ФАБО специальных технологических сред предохраняет контактную поверхность от окисления, что значительно снижает требуемые деформационно-скоростные условия образования соединения, по сравнению со способами сварки и наплавки трением.
Усилие прижатия инструмента и скорость его перемещения вдоль обрабатываемой поверхности определяют величину удельной теплоты трения, а следовательно и температуру поверхностей контакта. Повышение температуры в локальных поверхностях контакта способствует возбуждению поверхностных атомов металлов, участвующих во фрикционном взаимодействии, что облегчает разрушение связей типа "Me - О" и обеспечивает срабатывание термического канала активации. Согласно работам английских ученых Ф. Боудена и Д. Тейбора [26] анализ нагревания при трении области контакта имеет важное практическое значение. Современная наука рассматривает процесс подъема температуры на фрикционном контакте как двухстадийный, а именно, общий подъем температуры представляется как средняя поверхностная температура и локализованные температурные вспышки, вызванные диссипацией энергии на неровностях поверхности трения, и которые накладываются на среднюю поверхностную температуру (2.2) umax = D + всп (2-2 где о - средняя поверхностная температура, распределенная по номинальной площади равномерно или по какому-либо закону; всп" температурная вспышка, рассматриваемая как избыточная над средней температурой.
Гипотеза суммирования температур на фрикционном контакте, применительно к работе узлов трения, разработана в исследованиях А.В.Чичинадзе и его учеников [200], где вопросы температурной задачи трения рассматриваются с учетом микрогеометрии реальных поверхностей контактирующих тел. Расчет температур поверхностей трения применительно к нанесению покрытий ФАБО дается далее.
Повышение температуры поверхностных слоев вызывает снижение предела текучести и облегчает процесс микропластической деформации. При контактировании металлов с разными физико-механическими свойствами градиент температур do/dt и градиент механических свойств da/dt по глубине различны.
Разработка новых методов нанесения медьсодержащих покрытий
Известно, что многие детали СХТ и оборудования работают в тяжелейших условиях, характеризующихся высоким абразивным изнашиванием, химической коррозией, водородным изнашиванием и т.д. К таким деталям относятся коленчатые и распределительные валы двигателей, различного вида оси, штоки, валики, рабочие органы почвообрабатывающей техники, различные элементы зерноуборочных и других машин, работающих с биологической массой и т.д. В этих случаях отмечаются большие линейные изменения геометрических размеров деталей вследствие износа [209].
В этих деталях реализация ИП известными методами представляется нецелесообразным. К примеру, нанесенные методом
ФАБО покрытия имеют толщину не более 1 мм, а некоторые детали должны быть восстановлены до номинальных или ремонтных размеров на величину до нескольких миллиметров. В тоже время условия эксплуатация этих деталей часто определяют необходимость иметь у этих деталей высокую поверхностную твердость, усталостную стойкость, абразивную износостойкость и ряд других специальных свойств.
На кафедре материаловедения МГАУ им. В.П.Горячкина под руководством профессора, д.т.н. Потапова Г.К. заложена научная школа восстановления и упрочнения деталей с.-х. машин и оборудования различными электротехнологическими методами. Предложен ряд принципиально новых научных и технологических решений. К ним следует отнести электроконтактную наплавку порошковых композиционных сплавов, плазменную металлизацию с последующим оплавлением в поле токов высокой частоты (ТВЧ) и др. [172].
В настоящее время, основываясь на накопленном богатом опыте, совместно с ВНИИ ТВЧ им. В.П.Вологдина (г. Санкт-Петербург), разработаны и успешно испытаны новые патентно-способные электротехнологические процессы РТП), такие как индукционная и электроконтактная металлизации, а также индукционное макроармирование.
Целью этих разработок является прежде всего нанесение медьсодержащих покрытий на трущиеся поверхности деталей, а также одновременное восстановление их размеров до ремонтных или номинальных. Разработанные методы, по сравнению с уже известными ЭТП, обеспечивают снижение себестоимости процесса восстановления и упрочнения за счет сокращения расхода порошковых материалов и электроэнергии, уменьшения допусков на механическую обработку, а также уменьшение термического воздействия на упрочняемую деталь по сравнению с другими методами, с одновременным повышением адгезионных, прочностных и антиизносных свойств.
Наиболее применимы по требованиям износостойкости и стоимости, серийно выпускаемые отечественной металлургической промышленностью порошковые сплавы на медной основе типа ПР-Бр. (табл.3.7).
Индукционная металлизация трущихся поверхностей осуществляется путем напыления разогретого токами высокой частоты (ТВЧ) с помощью специального индуктора порошкового композиционного сплава, который подается в зону обработки из дозатора воздушным потоком от нагнетательного устройства. Напыленные материалы при помощи другого индуктора сплавляются с основным материалом обрабатываемой детали (рис. 3.6). Таблица 3.7 Химический состав и условия применения некоторых порошковых медных сплавов № Марка Химический состав, % Применение 1. ПР-Бр.АЖНМц8,5-4-5-1,5 8,5Al;4Fe;4,8Ni;l,4Mn; Подшипники, вкла остальное Си дыши, втулки и т.д., 2. Пр-Бр.ОН8,5-3 8,5 Sn; 3Ni; ост. Си в т.ч. без смазки и с 3. Пр-Бр.ОЦС5-5-5 5 Sn; 5 Zn; 5 Pb; ост. Си мелким абразивом Для осуществления метода требуется незначительное количество медных порошковых материалов и электроэнергии вследствие минимальных теплопотерь.
Проведение сравнительных испытаний "Комплексной технологии"
Пальчиковые образцы из алюминиевого антифрикционного сплава АО-20-1 ГОСТ 2337-86 до испытаний не прирабатывались.
Испытания в режиме приработки проводились по методике, изложенной в п. 4.2. при следующих режимах: Р = 10 МПа, V = 6,4 м/с, t = 3600 с, Q = 0,085 мл/с. При этом образцы перед испытанием дополнительно не прорабатывались.
В качестве СМ использовалась композиция, состоящая из моторного масла М-10-Г2 и 0,5 % мас. МПП торговой марки "Эрфолг" (Патент № 2044761) [145].
Испытания в режиме "пуск-остановка" проводились с тайммерным устройством в электрической цепи машины трения АЕ-5М, включающим и выключающим электродвигатель установки с определенным интервалом. В процессе этих испытаний узел регистрации силы трения отключали. Образцы перед испытанием прирабатывались.
В данных испытаниях использовалась смазочная композиция, состоящая из моторного масла М-10-Г2 и 0,15 % мае. МПП "Эрфолг".
Испытания проводили до достижения 1250 циклов "пусков-остановок" при следующих режимах: Р = 10 МПа, Q = 0,085 мл/с, образцы разгонялись до скорости V = 6,4 м/с.
Обработка результатов испытаний проводилась в соответствии с требованиями математической статистики, изложенными в п. 4.2. Результаты испытаний представлены и обсуждены в гл. 5.
С целью выяснения полученных триботехнических параметров манжетных уплотнений с клеевыми медьсодержащими покрытиями на рабочих поверхностях проводились специальные триботехнические исследования. Данные исследования проводились совместно с д.т.н., профессором Ерохиным М.Н., к.т.н. Быстровым В.Н. и инженером Кремененко О.И. Испытания состояли из: - лабораторных испытаний на машине трения с последующим анализом изменения содержания меди на поверхности трения испытательных образцов; - стендовых испытаний.
Лабораторные испытания проводились на модернизированной машине трения АЕ-5М. В установке применена схема контакта "диск-пальцы" с вращательным движением дискового образца. Пальчиковые образцы изготовлялись из стали 45, на трущуюся поверхность которых наклеивалась резина по ГОСТ 8752-79. На поверхность наклеенного материала манжет наносились металлосодержащие покрытия согласно разработанной технологии. Дисковые образцы изготовлялись из стали 45 ГОСТ 1050-88 с нанесенными латунными покрытиями методом ФАБО в среде СФП-3.
Режим испытаний был выбран в соответствии с источниками, описывающими условия работы реальных соединений типа "вал-уплотнение" СХТ: нагрузка равнялась Р = 0,5 МПа, скорость скольжения V= 1,6 м/с, подача CM Q = 0,085 мл/с, а продолжительность одного цикла испытаний 3600 с. В качестве СМ использовалось трансмиссионное масло ТАП-15 и его композиции с 0,5%шссовых медьорганической присадки.
Перед испытаниями образцы подвергались РСФА на приборе "БАРС-3" с целью выявления относительных значений содержания меди на поверхности, выраженных в импульсах. Принцип действия анализатора описан в п. 4.1 настоящей главы.
Медьсодержащие покрытия на резине испытывались в следующих комбинациях: $9 1. Со стальным диском на масле ТАП-15 (базовый вариант); 2. Со стальным диском на масле ТАП-15 + 0,5% МПП "Эрфолг"; 3. С латунированным стальным диском на масле ТАП-15; 4. С латунированным стальным диском на масле ТАП-15 + 0,5% МПП "Эрфолг". После часовых испытаний на машине трения АЕ-5М, промывки и сушки вновь производился анализ поверхностей трения образцов на содержание меди. Данные замеров заносились в протокол испытаний, обрабатывались и сравнивались с показаниями до испытаний. Полученные результаты обсуждены в гл. 5.
