Содержание к диссертации
Введение
1 Состояние вопроса и задачи исследований 12
1.1 Анализ условий работы коробок передач с гидравлическим управлением 12
1.2 Обзор основных направлений повышения ресурса фрикционных дисков
1.2.1 Методы повышения ресурса поверхностей трения 22
1.2.2 Применение альтернативных смазочных материалов 28
1.3 Цель и задачи исследований 33
2 Теоретические предпосылки улучшения режима трения фрикционных дисков 35
2.1 Влияние смазочной композиции и модифицированых поверхностей трения на износ фрикционных дисков гидроподжимных муфт 35
2.2 Теоретическое обоснование применения деталей с положительным градиентом твердости 38
2.3 Анализ температурной напряженности фрикционных дисков при модификации поверхностей трения 51
2.4 Процесс наводороживания поверхностей трения фрикционных дисков и обоснование метода критериальной оценки улучшения режима трения. 60
Выводы 67
3 Программа и методика исследований 68
3.1 Программа исследований 68
3.2 Методика лабораторных исследований
3.2.1 Методика исследований образцов на роликовой машине трения... 71
3.2.2 Методика исследований образцов на трение и изнашивание на трибометре 75
3.3 Методики определения степени наводороживания поверхностней трения 79
3.3.1 Определение степени наводороживания поверхностей трения методом фотоэлектрического спектрального анализа 79
3.3.2 Определение степени наводороживания поверхностей трения расчетно-аналитическим методом 82
3.4 Методика нанесения функционального покрытия на поверхности трения 83
3.5 Методика стендовых исследований фрикцинных дисков 87
3.6 Методика оценки содержания железа в смазочной среде 90
3.7 Методика ускоренных ресурсных исследований
Выводы 94
4 Результаты экспериментальных исследований 95
4.1 Обоснование рационального состава минерально растительной смазочной композиции 95
4.2 Экспериментальная оценка изнашивания и определения рационального режима трения фрикционных дисков 104
4.3 Результаты стендовых сравнительных исследований фрикционных дисков 129
4.4 Результаты ускоренных ресурсных исследований гидроподжимных муфт 132
Выводы 137
5 Рекомендации по применению и экономическая эффективность результатов исследования 140
5.1 Рекомендации по обслуживанию коробок предач трактора «кировец» 140
5.2 Экономическая эффективность результатов исследования 142
Выводы 145
Общие выводы 146
Список использованной литературы
- Методы повышения ресурса поверхностей трения
- Теоретическое обоснование применения деталей с положительным градиентом твердости
- Методики определения степени наводороживания поверхностней трения
- Результаты ускоренных ресурсных исследований гидроподжимных муфт
Введение к работе
Актуальность темы. Основным ресурсоопределяющим узлом механической коробки передач с гидравлическим управлением, например, тракторов «Кировец» производства ЗАО «Петербургский тракторный завод», является гидроподжимная муфта (ГПМ), обеспечивающая переключение передач без разрыва потока мощности. При реализации переключения передач вследствие буксования поверхностей трения ведущие и ведомые диски ГПМ испытывают большие термодинамические нагрузки, приводящие к их короблению и интенсивному изнашиванию. Это является причинной снижения фактического ресурса фрикционных дисков на 60% от регламентированного.
Ресурс ГПМ и технико-экономические показатели работы энергонасыщенной автотракторной техники, оснащенной механическими коробками передач с гидравлическим управлением, во многом зависят от параметров режима трения фрикционных дисков. Ухудшение режима трения приводит к интенсивному наводороживанию и увеличению износа дисков и, как следствие, к ухудшению динамических характеристик трактора и повышенному расходу топлива. Рациональный режим трения фрикционных дисков определяется эффективным сочетанием смазочной среды, материала и качества сопрягаемых поверхностей трения.
Поэтому актуальными являются исследования, направленные на улучшение режимов трения фрикционных дисков ГПМ путем модификации и повышения уровня насыщения контакта поверхностей трения, а также трибологических свойств смазочного матириала.
Степень разработанности темы. Гидроподжимные муфты механической коробки передач с гидравлическим управлением тракторов типа «Кировец» работают в сложных эксплуатационных условиях. Исследованиями установлено, что фрикционные диски ГПМ испытывают большие тепловые и динамические нагрузки, вызывающие ухудшение режима трения и снижение нормативных показателей работы дисков.
Разработки отечественных и зарубежных ученых в области повышения ресурса ГПМ связаны в основном с упрочнением поверхностей трения фрикционных дисков или их восстановлением. Важным показателем эффективности работы ГПМ является повышение передаваемого крутящего момента увеличением площади фактического контакта фрикционных дисков.
В числе перспективных направлений исследования процесса трения широко анализируются методы модификации поверхностей трения, снижения водородного изнашивания, альтернативного использования минерально-растительных смазочных композиций (МРСК) в качестве гидравлических рабочих жидкостей и трансмиссионных масел.
Применительно к ГПМ тракторных коробок передач вышеуказанные научные направления характеризуются рациональным составом МРСК, модификацией поверхностей трения и уровнем насыщения их контакта. Поэтому данные вопросы требуют дальнейших теоретических обоснований и разработки новых технических решений.
Работа выполнена по плану НИОКР ФГБОУ ВПО Самарская ГСХА на 2006…2010 г.г. по теме «Разработка и внедрение технологии рационального использования минеральных и альтернативных топливо-смазочных материалов и методов улучшения трибологических параметров сельскохозяйственной техники» (ГР №01.200511089) и на 2011…2015 г.г. по теме «Обоснование рациональных методов формирования и нанотехнологического насыщения поверхностей трения деталей сельскохозяйственной техники в условиях минеральной и альтернативной смазочной среды» (ГР №01.201062609).
Цель исследований. Повышение ресурса гидроподжимных муфт коробок передач с гидравлическим управлением улучшением режима трения фрикционных дисков сочетанием модификации поверхностей трения дисков и трибологических свойств МРСК.
Задачи исследований:
1. Обосновать рациональный состав минерально-растительной смазочной композиции для гидроподжимных муфт коробок передач, обеспечивающий снижение сорбции водорода в поверхностные слои фрикционных дисков.
2. Теоретически обосновать и оценить возможность повышения технического ресурса гидроподжимных муфт коробок передач с гидроуправлением применением фрикционных дисков с положительным градиентом твердости поверхностей трения.
3. Экспериментально оценить влияние насыщения контакта поверхностей трения фрикционных дисков на ресурс гидроподжимных муфт и критериально установить рациональный режим трения фрикционных дисков гидроподжимных муфт.
4. Разработать технологические рекомендации и оценить экономическую эффективность рационального режима трения в аспекте повышения ресурса фрикционных дисков.
Объект исследований. Процесс трения модифицированных рабочих поверхностей фрикционных дисков ГПМ при использовании МРСК.
Предмет исследований. Показатели режима трения фрикционных дисков ГПМ.
Научную новизну работы составляют:
аддитивный критерий, характеризующий комплексное влияние качества поверхностей трения и смазочной среды на ресурс фрикционных дисков;
показатели, оценивающие влияние положительного градиента твердости поверхности трения при использовании МРСК, на ресурс гидроподжимных муфт;
комплексный способ снижения водородного изнашивания фрикционных дисков фрикционно-механическим латунированием поверхностей трения и применением МРСК;
рациональный состав МРСК, используемый в качестве смазочного материала коробок передач с гидроуправлением тракторов «Кировец».
Теоретическая и практическая значимость работы. Модификация поверхностей трения фрикционных дисков посредством фрикционно-механического латунирования в сочетании с МРСК (50% М-10Г2 + 50%РМ), пригодной для использования в механических коробках передач с гидравлическим управлением тракторных трансмиссий, позволяет без значительных конструктивных изменений установить рациональный режим трения фрикционных дисков, характеризующийся сочетанием значений коэффициента трения, работы буксования и скорости изнашивания рабочих поверхностей, обеспечивающих регламентированный технический ресурс и устойчивый режим включения ГПМ. Определен аддитивный критерий (КА = 5,492…7,941), характеризующий рациональный режим трения фрикционных дисков ГПМ. Установлены способ модификации поверхности трения и операции технологического процесса ее формирования, типы трансмиссий и узлы, в которых используется технология модификации.
Реализация результатов исследований. Результаты исследований по рациональному режиму трения, снижению износа и повышению ресурса ГПМ посредством модификации поверхностей трения фрикционных дисков и применения МРСК приняты к внедрению в производстве на ремонтном предприятии ОАО «Большеглушицкремтехсервис» и ООО «Волгаагромаш» Самарской области.
Методология и методы исследования. Теоретические исследования параметров рационального режима трения фрикционных дисков ГПМ выполнены с применением основных положений, законов и методов трибологии, математического анализа и математического моделирования. Экспериментальные исследования выполнены с использованием стандартных и разработанных частных методик исследований.
Обработка экспериментальных данных выполнялась с применением современных технических средств измерения и методов ПЭВМ на основе прикладных программ Statistica v.7.0, POWERGRAPH v.3.1, MathCAD 2001, Microsoft Excel и др..
Научные положения и результаты исследований, выносимые на защиту:
количественные значения показателей, оценивающих влияние изменения качества поверхностей трения и применения минерально-растительной смазочной композиции на технический ресурс гидроподжимных муфт;
способ снижения водородного изнашивания фрикционных дисков гидроподжимных муфт, основанный на комплексном применении фрикционно-механического латунирования поверхностей трения дисков и использования минерально-растительной смазочной композиции в качестве смазочной среды;
рациональный состав минерально-растительной смазочной композиции, обеспечивающий снижение сорбции водорода в поверхности трения фрикционных дисков гидроподжимных муфт;
аддитивный критерий, характеризующий комплексное влияние качества поверхностей трения и смазочной среды на ресурс фрикционных дисков гидроподжимных муфт.
Степень достоверности и апробация результатов. Достоверность результатов подтверждается сравнительными натурными стендовыми и ускоренными ресурсными исследованиями фрикционных дисков ГПМ коробок передач трактора типа «Кировец».
Результаты исследований доложены и одобрены на межвузовских, региональных и международных научно-технических конференциях ФГБОУ ВПО «Саратовский ГАУ» (2005 г.), ФГБОУ ВПО «СамГТУ» (2008, 2011 г.г.), ФГБОУ ВПО Самарская ГСХА (2005, 2007, 2008, 2010…13 г.г.).
Публикации. Основные положения диссертации опубликованы в
12 научных работах, в том числе 4 статьи в изданиях по «Перечню…ВАК при Минобрнауки РФ». Одна статья опубликована без соавторов. Общий объем публикаций 2,59 п. л., из них автору принадлежит 1,52 п.л.
Структура и объем диссертации. Диссертация изложена на 197 с., состоит из пяти разделов, общих выводов, списка использованной литературы из 171 наименования и приложения на 34 с., содержит 16 табл. и 41 рис.
Методы повышения ресурса поверхностей трения
Традиционная муфта сцепления, разъединяющая двигатель и коробку передач, в данной трансмиссии отсутствует, ее заменяет соединительная муфта. Переключение передач производится устройствами в самой коробке передач, а именно гидроподжимными муфтами. На ведущем валу коробки установлено четыре аналогичных по устройству ГПМ, но имеющих на ведомом барабане шестерни с разным числом зубьев, что даёт возможность каждой из них включить одну передачу. ГПМ состоит из набора ведущих и ведомых стальных дисков, барабана, и нажимного диска. Ведущие диски связаны с валом, получающим вращение, равное частоте вращения коленчатого вала.
Конструкция ведущего вала, устанавливаемого в коробки передач тракторов семейства «Кировец» имеет четыре ГПМ, каждая из которых имеет: 5 ведущих и 6 ведомых дисков для 2, 3 и 4 передач; 6 ведущих и 7 ведомых дисков - для первой передачи. Высота пакета дисков соответственно составляет 35,2...37,0 мм и 40,3...44,8 мм [112, 115, 169]. Ведомые диски ГПМ соединены со свободно вращающимися шестернями [115]. Включение ГПМ осуществляется давлением масла 0,8.. .0,9 МПа, поступающего в бустер, воздействующего на нажимной диск сжимающего пакет фрикционных дисков, передавая крутящий момент с ведущего вала на шестерни включаемой передачи и далее на промежуточный вал [112,115,168,169].
Рабочие поверхности зубьев шестерен, имеющих твердость рабочих поверхностей 57.. .63 HRC воспринимают контактные давления, достигающие порой 2000 МПа [28, 94]. Их предельное состояние в большей степени определяет не изнашивание рабочих поверхностей, а выкрашивание и сколы зубьев [115, 167]. Ввиду этого за критерий предельного состояния шестерен принимают техническое состояние рабочих поверхностей зубьев, влияющее на условия работы зацепления [115, 69]. Изменение профиля зацепления, вследствие изнашивания и выкрашивания по всей длине зубьев, приводит к повышению динамических нагрузок при их сопряжении. В работе СВ. Пе-тина указано, что при превышении допустимых значений динамические нагрузки приводят к поломке зубьев. При этом износ зубьев шестерен, изготовленных в соответствии с техническими требованиями, при наработке 6000.. .8000 мото-ч достигает менее 40 % средней толщины упрочнённого слоя [115]. Выкрашивание на рабочей поверхности зубьев ведет к изменению формы и расположения пятна контакта. При этом фактическая площадь контакта может как увеличиваться, так и уменьшаться. В работах СВ. Петина и Е.А. Шувалова указывается, что при эксплуатации тракторов К-700, К-701, после начала поверхностного выкрашинания при наработке 3000 моточ, шестерни остаются работоспособными в течение периода, в 2...3 раза превышающего наработку, соответствующую появлению начального выкрашивания [115, 167]. При этом максимальная доля площади выкрашивания на рабочих поверхностях шестерен, являющихся работоспособными до разборки трансмиссии, составила 60...70% [115]. Это свидетельствует о том, что предельное состояние при выкрашивании и сколах зубьев шестерен можно определить из условия размещения пятна контакта на оставшейся площади рабочей поверхности зубьев [115].
Шестерни связаны с валами посредством шлицевых соединений изнашивающихся вследствие относительных перемещений шлицев при пульсирующем воздействии окружной силы [115]. Предельное состояние закаленных шлицев может определяться изнашиванием закалённого слоя, имеющего повышенную твёрдость. В работе СВ. Петина описывается поэтапный процесс изнашивания шлицевьк соединений. В начальный период приработки шлицевых соединений, практически не превышающий время обкатки (30...60 мото-ч), микрорельеф поверхностей переходит от исходного состояния (после технологической обработки) к эксплуатационным [115]. Трение в этот пе-риод обусловлено сравнительно малой площадью фактического контакта, при этом истинные напряжения в контакте достигают небольших значений, а интенсивное разрушение происходит из-за образовавшихся при механической обработке неровностей, накопления в зоне трения твердых продуктов износа и загрязнений, их дробления и пластического деформирования, сопровождаемого наклепом тонкого поверхностного слоя. Таким образом, изнашивание обусловлено в основном процессами воспроизводства единичных микронеровностей, изменением формы поверхностей трения и характеризуется прогрессивным возрастанием интенсивности изнашивания.
Данная закономерность изнашивания характерна также для подшипников качения и кольцевого уплотнения бустера фрикциона, которое в процессе экс 15 плуатации значительно теряет герметичность [167]. СВ. Петин, в своей работе указывает, что под действием центробежного поля вращающегося ведущего вала абразивные примеси, содержащиеся в масле, отбрасываются на периферию и оседают на цилиндрической поверхности бустера в виде абразивного налета. При последующем выключении ГПМ, уплотнительные кольца бустера скользя по этому налету интенсивно изнашиваются [115].
Гидроподжимныые муфты коробки передач трактора «Кировец» работают в масляной среде и имеют меньшие габаритные размеры по сравнению с сухими муфтами [115, 169]. Наличие масляной пленки обеспечивает улучшение противо-задирных свойств и допускает более высокие давления на рабочих поверхностях фрикционных дисков. При этом, масло охлаждает фрикционные диски ГПМ интенсивнее, чем воздух. Более стабильные значения коэффициента трения для фрикционных элементов, работающих в масле, позволяет уменьшить габаритные размеры узлов трансмиссии [115]. В ГПМ трансмиссий тракторов «Кировец» применяются стальные диски или смешанная пара: сталь - металлокерамика. Ведомые диски ГПМ изготавливются из стали 40ХЗМ2ФА, ведущие - из суль-фоцианированной стали 65Г [115, 154, 169]. Такое сочетание обеспечивает достаточно хорошую прирабатываемость и износостойкость рабочих поверхностей.
По данным ряда работ [18, 21, 64, 115, 165, 167, 168], ГПМ являются самыми недолговечными элементами коробки передач (таблица 1.1). В работе О.С. Володько [21] указывается, что в условиях Самарской области средняя наработка тракторов «Кировец» до первого капитального ремонта составляет 4500...5750 мото-ч
Теоретическое обоснование применения деталей с положительным градиентом твердости
В традиционном представлении несущую способность ресурсоопределяю-щих сопряжений связывают не только с прочностью самих фрикционных дисков, но и с состоянием (прочностью, а также износостойкостью) их активных поверхностей. Нагруженные участки поверхностей при трении могут получать энергетические воздействия на уровне разрушения атомных связей, однако в реальных условиях разрушающая энергия значительно снижается благодаря диссипативным (рассеивающим) свойствам поверхностных структур. По мнению многих ученых [9, 25 - 27] современные трибологические подходы к пониманию явлений, имеющих место при трении и изнашивании, связывают эти процессы с самоорганизацией диссипативных структур, изучаемых синергетикой и термодинамикой неравновесных процессов. Широко распространенными способами повышения ресурса трибосопряже-ний являются упрочнение сформированных при изготовлении слоев поверхностей трения и применение металлоплакирующих смазок (присадок), обеспечивающих безызносное трение в результате самоорганизации в зоне фрикционного контакта за счет автоколебательных трибохимических реакций [25, 26, 87].
При воздействии многократной пластической передеформации, имеющей место при эксплуатации узлов трения с цикличным действием, поверхностный упрочненный слой теряет свои заданные свойства [117]. Переход от конструктивно рекомендуемой микротвердости (Яр) к Н 0 (микротвердости основного металла фрикционного диска) в данном случае осуществляется по закону снижения (рисунок 2.2а), т.е. с отрицательным градиентом твердости (Гт) в направлении от поверхности трения, который по мере углубления в основу фрикционного диска {К) и стабилизации микротвердости стремится к нулю.
Анализ распределения микротвердости при упрочнении поверхностного слоя фрикционных дисков технологическими методами и в процессе эксплуатации выявляет, что обычно наибольшее ее значение (Н Р - конструктивно рекомендуемая микротвердость поверхностного слоя) наблюдается не на поверхности, а на глубине 10.. .20 мкм (рисунок 2.2а).
Упрочненный поверхностный слой сравнительно мал (50...300 мкм) и базируется на менее твердом основании (основной металл фрикционного диска). Он подвержен воздействию многочисленных факторов, вызывающих его деформацию как на макро, так и на микро уровнях. Например, в подшипниках качения, зубчатых передачах и других идентичных парах трения при вибрации, обусловленной прерывистым контактом сопряженных фрикционных дисков, может возникать режим контактного резонанса, который, в свою очередь, значительно повышает интенсивность пластической деформации и накопления повреждаемости поверхностного слоя [9, 27, 92].
Во фрикционных дисках с отрицательным градиентом твердости как положительный фактор может выступать высокая твердость поверхностного слоя, но при этом нельзя не отметить снижение жесткости диска в процессе эксплуатации за счет прогрессирующей внутренней вибрации при цикличном нагружении с деформацией поверхностного слоя и накопление энергии активации разрушения как деформируемого слоя основного металла, так и хрупкой оксидной пленки.
Распределение микротвердости (Н) по глубине (И) с отрицательным градиентом твердости (а) и структуры материала с положительным градиентом твердости (б): Нр — конструктивно рекомендуемая микротвердость поверхностного слоя; Н0 — микротвердость основного металла; 1 — адсорбированная масляная пленка; 2 - сервовитная пленка; 3 - модифицированный диффузионный слой; 4 — основной металл
В условиях избирательного переноса и безызносных режимов работы узлов трения, современная оценка процессов трения (смазывания) и изнашивания, с точки зрения трибологии, не отрицает и обосновывает применение фрикционных дисков с положительным градиентом твердости (рисунок 2.26).
При этом облегчается процесс модификации деформированного при механической обработке слоя 3, путем диффузии мягких металлов (Дс), обеспечивающих формирование сервовитной пленки 2 (СП). Режим избирательного переноса может быть активирован наличием реметализантов и поверхностно активных веществ (ПАВ) в смазочном слое 1. Повышение твердости основного металла (Н"0 ) направленно на увеличение жесткости фрикционного диска при соответствующем снижении вибрации и ее отрицательного влияния на процессы трения и изнашивания.
Анализ взаимосвязи параметров при определенных условиях и режимах трения выступает в пользу фрикционных дисков с положительным градиентом твердости. Так при снижении твердости поверхностного слоя коэффициент трения ОТР) в условиях пластического контакта увеличивается, но при этом облегчается формирование поверхности трения с большей фактической площадью контакта и меньшей удельной силой трения, что повышает ее несущую способность [80-86].
Динамическое воздействие на смазочный слой, как третий элемент триболо-гической системы контакта фрикционных дисков, также является сложным процессом. Так при вибрации в зависимости от частоты воздействия изменяется собственная упругость смазочного слоя, демпфируя и рассеивая механическую энергию. Динамическое воздействие совместно с температурными изменениями в смазочном слое дополнительно увеличивают внутренне трение с соответствующим повышением вязкости и нагрузочной способности смазочного слоя, что в свою очередь ускоряет термомеханическую деструкцию масла и снижает его эксплуатационный ресурс [3, 7, 9, 12, 63, 75, 92].
Трибологическая система контакта фрикционных дисков с положительным градиентом твердости, схема оптимизации которой представлена на рисунке 2.3, характеризуется рядом особенностей входных и выходных параметров.
Современный опыт анализа трибологических систем [141] позволяет оценить взаимосвязь данных параметров с целью определения рациональной функциональной зависимости трибологических показателей от режимов трения при определенной системе ограничений (регламентированный ресурс сопряжения (Тр), расчетная прочность материала ( тп) и экономические затраты (Э) на конструктивное (Зк), технологическое (Зт) и эксплуатационное (Зэ) обеспечение рационального режима трения).
Методики определения степени наводороживания поверхностней трения
Для улучшения температурного градиента в зоне контакта и как следствия снижения сорбции водорода в поверхности сопряжения, влияющей на изнашивание фрикционных дисков ГПМ, необходимо установление такого режима трения, который обеспечивал бы сокращение промежутка времени до полного включения муфты. Иными словами момент трения (M(t)) фрикционного диска должен как можно быстрее совпасть с крутящим моментом (Мкр), передаваемым этому диску. Т.е. условие включения ГПМ будет выглядеть в виде следующей зависимости: M(t) = Мкр (при этом M(t) - Мкр).
Для реализации этого условия наиболее логичным видится увеличение мощности буксования и, как результат, увеличение работы буксования фрикционных дисков за счет насыщения зоны контакта посредством увеличения фактической площади контакта (Ат) рабочих поверхностей дисков сопрягаемых поверхностей. Рациональным в данном случае является технологическое воздействие. Выравнивание (сглаживание) микрорельефа трущихся поверхностей за счёт предварительной их обработки, например нанесение функционального покрытия способом фрикционно-механического латунирования, будет способствовать росту адгезионной составляющей (согласно молекулярно-механической теории трения). Это приведет к более интенсивному наращиванию мощности трения, а следовательно к уменьшению пробуксовывания дисков в промежуток времени до полного включения ГПМ.
В формуле 2.24 представим динамический коэффициент трения фрикционной пары (/дин)? как функцию двух основных определяющих его параметров: фактической площади контакта (Ат) фрикционных дисков и давления, обусловленного нормальной по отношению к поверхностям дисков силой (Р). Тогда: /дин=АЛг;Р) (2.25) или /дин = ГР , (2.26) где у/- коэффициент пропорциональности. Перепишем полученное выражение (2.26), введя коэффициент пропорциональности, учитывающий давление в контакте поверхностей фрикционных дисков (х = Ц/-Р), тогда: /дин = ХА (2.27)
Из выражения (2.27) видно, что увеличение фактической площади контакта (Аг) приведет к росту динамического коэффициента трения (/дщ ), который в свою очередь, согласно формуле (2.24) будет повышать момент трения фрикционных дисков.
В результате этого будут возрастать мощность и работа буксования всей ГПМ, которые можно представить в виде выражений (2.28, 2.29). В /-й момент времени: где к- число интервалов разбиения до момента времени t\. Таким образом, можно констатировать, что фактическая площадь контакта сопрягаемых поверхностей является ключевым параметром, определяющим тепловую напряженность и параметры буксования ГПМ при переключении передач, что согласуется с работами Н.Г. Бардзимашвили, С.Г. Яшвили, Н.Б. Дёмкина, Е.А. Шувалова, А.В. Бойкова и др. [7, 59, 84, 150, 151, 167, 168]. На основе представленного математического анализа тепловой напряженности и трибологической системы фрикционных дисков с положительным градиентом твердости (раздел 2.2) можно сказать, что работа буксования фрикционных дисков будет значительно изменяться в зависимости от температурного, скоростного и нагрузочного ре 60 жима работы. Изменение всех параметров процесса буксования взаимообусловлены и зависят от фактической площади контакта (Аг), нормальных усилий на поверхностях трения (P(t)) и тепловой нагрузки (с;). Исходя из представленного математического анализа видно превалирующее влияние температуры на работу буксования {Wx(t)) которое можно выразить в качестве критериальной оценки тепловой напряженности фрикционных дисков (Кт) и представить в виде функции: Кт =fLAn P(t), d) =Лт(0) (2.30)
Полученный критерий и результаты теоретического анализа определяют методическую направленность и задачи экспериментального подтверждения перспективного направления улучшения режима работы фрикционных дисков ГПМ, заключающегося в сокращении длительности буксования за счёт насыщения зоны контакта. Это позволит снизить температуру в зоне контакта, возможность проникновения водорода в поверхностные слои сопряжения и износ фрикционных дисков. Данный эффект направлен на увеличение ресурса ГПМ коробок передач энергонасыщенных тракторов и трансмиссии в целом.
Общеизвестно негативное влияние водорода, выделившегося из смазочной среды во время эксплуатации различных узлов, на поверхностные слои сопряженных фрикционных дисков, приводящее к их разрушению. При проникновении водорода в сталь происходит изменение механических, физических и химических свойств металла [104]. Особенно сильно водород влияет на механические свойства конструкционных сталей, вызывая заметное уменьшение поверхностной прочности, пластичности, ударной вязкости и выносливости стали в процессе эксплуатации [9,104]. Эти явления вызывают ускоренное изнашивание поверхностей трения и выделены А.А. Поляковым и Д.Н. Громаковским (авторами открытия) в особый вид - водородное изнашивание [12, 13, 52]. Механизм наводороживания можно представить как проникновение свободного водорода, выделенного вследствие деструкции смазочного материала и образовавшейся в ходе эксплуатации (цикл «нагрев-охлаждение») воды (рисунок 2.6). При этом скорость диффузии определяется градиентами температур и напряжений [120, 122].
Результаты ускоренных ресурсных исследований гидроподжимных муфт
Анализ литературных источников позволяет выделить первопричину, влияющую на износ фрикционных дисков, которой является их наводороживание, зависящее от воздействия на поверхности трения высоких температур и прилагаемой нагрузки, необходимой для включения ГПМ. Для увеличения ресурса ГПМ возникла необходимость в снижении степени наводороживания дисков фрикциона путем улучшения режима трения при помощи не только повышения эффективности смазочной среды, но и улучшением свойств материалов контактирующих фрикционных дисков.
Одним из путей решения поставленной задачи для таких узлов, как ГПМ механических коробок передач с гидравлическим управлением энергонасыщенных тракторов, можно рассматривать обеспечение рационального сочетания твердости и режимов трения поверхностного слоя фрикционных дисков. Наиболее перспективным, при этом, видится применение различных функциональных покрытий. Наиболее распространенными функциональными покрытиями являются антифрикционные и про-тивоизносные покрытия, обеспечивающие упрочнение, повышение долговечности, снижение трения и восстановление деталей узлов трения машин и механизмов. Одним из существенных показателей качества для таких покрытий выступает высокая износостойкость при низком коэффициенте трения (антифрикционные пары) или при высоком коэффициенте трения (фрикционные пары).
Для обеспечения улучшения режима трения фрикциона рационально обеспечить такую поверхность трения, которая бы позволила в сочетании с МРСК со 84 хранить на прежнем уровне или увеличить момент трения (коэффициент трения) дисков и при этом улучшить температурный режим при работе ГПМ. Анализ различных литературных источников по оценке функциональных покрытий позволил выделить свойства меди, выраженные в ее высокой теплопроводности наряду с алюминием и серебром, а именно способности распределять и быстро отдавать тепло, а также в свойстве препятствовать проникновению водорода в материал, чем в меньшей степени обладают алюминий и серебро. Самым простым и доступным способом нанесения такого покрытия является фрикционно-механическое латунирование [23, 66].
Перед нанесением покрытия проводились подготовительные работы: образцы очищались от консервационной смазки, или от технологических загрязнений после изготовления водным раствором CMC - Лабомид-101; используя 10%-ый раствор соляной кислоты, производилось обезжиривание рабочей поверхности образцов, соблюдая меры предосторожности; выдержав 3.. .5 минут, образец промывался в проточной воде; после образцы протирались сухой ветошью и высушивались в течение 10...15минут. Нанесение функционального покрытия методом фрикционно-механического латунирования выполнялось следующим образом (рисунок 3.6): диски фрикциона устанавливались в самоцентрирующийся трёхкулачковый патрон токарно-винторезного станка, а образцы для исследования устанавливались на удерживающую оправку, также установленную в патрон станка (рисунок 3.6 а, г); затем рабочие поверхности образцов обрабатывались технически чистым глицерином, используя войлочный тампон, соблюдая при этом меры предосторожности (рисунок 3.6 б); устанавливалось приспособление для фрикционно-механического латунирования в резцедержатель станка, таким образом, чтобы центрирующее отверстие силового вала совпадало с осью центрирующего конуса задней бабки; рукояткой продольного движения суппорта подвести устройство для фрикционно-механического латунирования к рабочей поверхности образца создав необходимое усилие (контроль усилия производился посредством сжатия тарированной пружины на определенный шаг); включался станок, придавалось вращение образца по часовой стрелке и при перемещении устройства для фрикционно-механического латунирования в поперечной плоскости производилось нанесение функционального покрытия (рисунок 3.6 в, г).
Нанесение функционального покрытия: а - общий вид; б — нанесение технически чистого глицерина; в, г — процесс нанесения функционального покрытия соответственно на образец для исследований и фрикционный диск При нанесении функционального покрытия применялось следующее оборудование: поддон цеховой, токарно-винторезный станок 1К62А и верстак слесарный, а также следующие материалы образцов и технологические материалы: 10%-ый раствор соляной кислоты; технически чистый глицерин; латунный пруток марки Л63 (возможно применение ЛС59-1) с содержанием меди не менее 63% по объему (соответственно Zn - 37%); водный раствор CMC - Лабомид-101 (температура раствора 95±5С, концентрация- 10..Л5 г/л [66, 104, 135, 136, 138, 158]); материал образца (диска) Сталь 40X3М2ФА; материал образца (диска) Сталь 65Г.
Качество нанесения функционального покрытия на образцы оценивалось по состоянию поверхности как внешним осмотром, так и при помощи окуляр-микрометра ПМТ-3, микротвердомера Викерса (рисунок 3.7 а) и профилографа-профилометра «Абрис-ПМ7» (рисунок 3.7 б). Визуально оценивали цвет, равномерность и однородность функционального покрытия
