Содержание к диссертации
Введение
Глава 1 Износостойкость трибосопряжений - основанадежности машин и механизмов 9
Анализ потока отказов трибосопряжений различной природы... 13
Анализ изнашивания деталей трибосопряжений 33
Анализ критериальных подходов к оценке износостойкости материалов, деталей и трибосопряжений 47
Анализ эффективности технических решений по управлению физико-химическими процессами на фрикционном контакте и организации трибосопряжений повышенной износостойкости... 56
Совместимость контртел 62
Смазочные среды 70
Бинарные поверхности 82
Определение общей цели и постановка научных задач исследо вания 87
Глава 2 Методическое обеспечение исследований 88
Общие методические принципы аналитического исследования 88
Методика и программа экспериментальных исседований 90
Выбор объектов исследования 92
Макро- и микроскопические исследования и профилографирование , 95
Определение износостойкости и триботехнических свойств пар трения 97
Создание специального лабораторного оборудования 105
Методика математической обработки экспериментальных данных и компьютерное моделирование процессов изнашивания трибосопряжений 106
Выводы по главе 2 107
Глава 3 Аналитическая оценка эффективности трибо- сопряжений 108
Гипотеза об основных принципах организации эффективных трибосистем 108
Принципы прогнозирования ресурса трибосопряжений 115
Системный анализ трибосопряжений 118
Выводы по главе 3 128
4. Экспериментальные исследования трибосопря- жений различной природы 130
4.1. Исследование износостойкости трибосопряжений типа "металл- металл" при наличии и без смазочного материала 131
4.1.1 Трибосопряжение "Медь-сталь" без смазки 131
4.1.2 Трибосопряжение "Железо-сталь" без смазки 135
4.1.3 Трибосопряжение "Чугун-сталь" при смазке маслом SAE 15W/40 140
4.1.4 Трибосопряжение "Чугун-сталь"при наличии в масле 0,04% присадки перекиси дикумила 145
4.1.5 Трибосопряжение "Чугун-сталь"при наличии в масле 0,5% нафтиламина , 150
4.1.6 Трибосопряжение "Подшипниковый сплав L6 - сталь" в масле SAE15W/40 155
4.1.7 Трибосопряжение "Баббит Б82 - сталь" при смазке маслом 161
4.1.8 Общий анализ экспериментальных данных по разделу 4.1 162
4.2. Исследование износостойкости трибосопряжений типа "металл-неметалл" при наличии и без смазочного материала 164
4.3. Исследование износостойкости трибосопряжений типа "металл-неметалл" при наличии бинарной поверхности трения на микроуровне 166
4.3.1 Исходные данные 166
4.3.2 Трибосопряжение "СИГМА - бронза" 170
4.3.3 Трибосопряжение "СИГМА-сталь нержавеющая" 182
4.3.4 Трибосопряжение "СИГМА - сталь углеродистая сырая" 185
4.3.5 Трибосоиряжение "СИГМА - сталь углеродистая термо обработанная" 188
4.3.6 Трибосопряжение "СИГМА - чугун серый" 191
4.3.7 Исследование трибосопряжений "Металл - СИГМА" без смазки 195
4.3.8 Зависимость коэффициента трения от продолжительности эксперимента 205
4.3.9 Предельные условия эксплуатации 208
4.3.10 Общий анализ экспериментальных данных по разделу 4.3 209
4.4. Исследование износостойкости трибосопряжений типа "неметалл-неметалл" при наличии и без смазочного материала... 211
4.4.1 Трибосопряжение "твёрдых" неметаллических материалов
4.4.2 Трибосопряжение "твёрдых" неметаллических материалов с полимерами 216
4.4.3 Общий анализ экспериментальных данных по разделу 4.4 217
4.5. Исследование некоторых трибосопряжений в экстремальных условиях эксплуатации 218
Выводы по главе 4 220
5. Практическое использование результатов исследований 221
5.1. Разработка практических рекомендаций по оценке эффективности трибосопряжений221
5.2. Разработка рекомендаций по практическому использованию результатов исследований в конкретных отраслях промышленности Польши 222
5.3. Использование результатов исследований в учебном процессе.225
Выводы по главе 5 226
Общие выводы по диссертации 227
Список использованной литературы 228
Приложения 252
- Анализ изнашивания деталей трибосопряжений
- Макро- и микроскопические исследования и профилографирование
- Принципы прогнозирования ресурса трибосопряжений
- Исследование износостойкости трибосопряжений типа "металл-неметалл" при наличии и без смазочного материала
Введение к работе
Природа устроена таким образом, что, согласно Закону всемирного тяготения, все тела находятся в непосредственном контакте с другими телами или стремятся к такому контакту. Контактное взаимодействие твердых тел описывается различными законами, в том числе законами трения, когда наблюдается взаимное перемещение тел или отсутствие перемещения. В первом случае имеет место трение движения, во втором - трение покоя [37,109]. Практически все природные и техногенные объекты представляют собой совокупность внутренних и внешних пар трения, от которых зависит нормальное функционирование этих объектов.
Природа и человек практически постоянно сталкиваются с проблемой эффективности пар трения. Отсутствие сил трения между природными объектами, находящимися в контакте, делает невозможным существование природной среды в традиционном понимании. Например, камень или иной объект любой массы под действием слабого дуновения ветра должен перемещаться с ускорением, что должно приводить к разрушению окружающей среды. Природа противодействует такому сценарию, используя силы трения и создавая такие пары трения, которые эффективно препятствуют взаимному перемещению тел.
С другой стороны, преодоление сил трения в живой природе и в технических средствах связано с нерациональным расходованием энергии, преждевременным изнашиванием контактирующих тел и к выходу из строя как объектов живой природы, так объектов техники. Поэтому природа стремится создать такие пары трения, которые характеризуются минимальными силами трения, например, суставы животных, а человек аналогично природе создает машины и механизмы с парами трения, где силы трения минимальны. Существуют и противоположные задачи, когда требуются значительные силы трения, например, в тормозных устройствах. Поэтому в любом случае понятие "эффективность" применительно к парам трения представляет собой некую совокупность свойств, которая необходима для каждого конкретного объекта. В общем виде в эту совокупность могут входить свойства, характеризующие надежность пары трения, степень её опасности для окружающей среды (экологичность), экономические, эстетические и иные характеристики. Очевидно, что в одном исследовании невозможно дать оценку эффективности пар трения любого назначения и любой природы.
Настоящее диссертационное исследование посвящено эффективности техногенных пар трения, применение которых ограничено техническими средствами, в первую очередь машинами и механизмами. Можно назвать также иные техногенные пары трения, используемые в спортивных целях (коньки, лыжи, сани, сноуборды и др.), в детских игрушках, в пищевой промышленности (пробки пластмассовые и на основе древесины), в текстильной промышленности (сочетание тканей, кожи, древесины и др.) и т.п. В силу ограниченности объема работы указанные пары трения? не рассматривались.
В качестве объектов исследования были выбраны пары трения машин и механизмов, получившие широкое распространение в технике, организованные по принципу скольжения, пары трения качения не исследовались. Среди пар трения скольжения исследовались такие, у которых контактирующие тела были выполнены из одинаковых и различных металлических и неметаллических материалов, со смазкой и без смазки. В качестве смазки использовались вода и техническое масло, проводились также исследования и без смазки. В качестве условий эксплуатации были выбраны "нормальные", экстремальные условия были исследованы минимально. К нормальным условиям эксплуатации отнесены: скорость скольжения до 15 м/с, нагрузки на уровне не более 20% предела прочности, температура в пределах от 0 до 100° С.
Первая глава посвящена исследованию достижений науки и техники по проблеме обеспечения эффективности трибосопряжений. Исследование выполнено на основании анализа публикаций в научно-технических изданиях России и зарубежных стран. Показана важная роль износостойкости трибосопряжений и дана оценка конструктивно-технологических решений с точки зрения обеспечения эффективности машин и механизмов. На основании аналитического исследования сформулированы главная цель исследования и основные научные задачи, которые необходимо решить для достижения цели.
Во второй главе дано описание методического обеспечения всего диссертационного исследования, которое состоит из аналитического и экспериментального разделов, существуюишх раздельно, или дополняющих друг друга. Так собственно аналитический раздел исследований представляет собой совокупность гипотез, оценок автора диссертации существующих принципов организации трибосопряжений и обеспечения их эффективности, а также принципов и методов прогнозирования трибосопряжений различной природы. Собственно экспериментальный раздел построен на базе программы исследований и методики выполнения экспериментов, основанных на реальных возможностях лаборатории, где выполнялись эксперименты и использованного оборудования, а также средств измерения. Аналитические методы исследований в экспериментальном разделе касаются обработки и оценки экспериментальных данных. Для этих целей использованы как качественные оценки, так и количественные. Первые применяются в тех случаях, когда отсутствует достаточная корреляция массивов входных и выходных данных, а также когда невозможна полезная статистическая обработка экспериментальных данных (велика дисперсия или рассеивание). Методика экспериментальных исследований предусматривает рациональную организацию экспериментов, выбор объектов исследования и назначение их характеристик, выбор лабораторного оборудования и измерительных средств применительно к изучению свойств поверхностей изучаемых тел (визуальное исследование, фотографирование, профилографирование) и к их триботехническим характеристикам (коэффициент трения, износ в абсолютных единицах).
Третья глава посвящена аналитическому исследованию трибосопряжений различной природы. В частности, рассмотрена гипотеза о принципах организации эффективных трибосистем, дана оценка существующих принципов прогнозирования ресурса трибосопряжений, выполнен анализ трибосопряже-ний на базе мономерных, бинарных и многомерных поверхностей трения раз-личных масштабных уровней. В четвертой главе приведены результаты экспериментальных исследований, а также результаты аналитической обработки и оценки экспериментальных данных. Глава представляет собой совокупность таблиц, математических формул, графиков и текста с качественной оценкой полученных экспериментальных данных. Приводятся результаты исследований трибосопряжений типа "металл - металл", "металл - неметалл" и "неметалл -неметалл". Большое внимание уделено ранее не исследованным трибосопряжениям, в которых одно из тел выполнено из пластмассы с образованием бинарной поверхности на микроуровне, в том числе при смазке маслом, водой и без смазки. Достаточно подробно изучено поведение трибосопряжений типа "металл - металл" при смазке маслом и без смазки. Обращено внимание на пары трения с использованием таких специфических материалов, как медь и чистое железо в сочетании с углеродистой сталью и с чугуном. Исследования выполнялись с целью определения как общефизических (температура, электрическое сопротивление контакта) и триботехнических величин (коэффициент трения, износ). Отдельно были выполнены эксперименты по определению изменений коэффициента трения по времени эксперимента. При изучении трибосопряжений "металл - металл" рассматривались специальные металлические подшипниковые сплавы. Было также изучено влияние присадок в смазочную среду на триботехнические характеристики пар трения.
В пятой главе представлены результаты практического использования и рекомендации по практическому применению результатов исследований в промышленности Польши. Приводится также информация об использовании полученных научных данных в учебном процессе ВУЗов Польши.
Анализ изнашивания деталей трибосопряжений
Первыми обобщенными исследованиями в области изнашивания материалов и даталей трибосопряжений были монографии М.М.Хрущева [235-237], Л.К.Зайцева [61], В.Д.Кузнецова [118,120]. В дальнейшем исследования природы изнашивания проводились И.В.Крагельскнм [110,113], Б.Д.Грознным [47], Д.В.Конвисаровым [91,92], Б.И.Костецким [95-106], В.Л.Белым [10,11], Н.Л.Буше [21-23], Д.Н.Гаркуновым [37,38], М.Л.Бабичевым [6,235], Н.Л.Голего [43,44], М.М.Тененбаумом [210], В.Н.Виноградовым [26], Г.М.Сорокиным [199], У.Л.Икрамовым [67], И.Р.Клейсом [83], С.П.Козыревым [89], Л.И.Пого-даевым [163-166], Э.Д.Брауном [16], Б.Т.Грязновым [48], Л.Ш.Шустером [246], М.Б.Рубиным [186-191], Ю.К.Машковым [138], Г.И.Сурановым [208], Д.Г.Гро-маковским [214] и др. учеными. Большой вклад в изучение процессов трения и изнашивания внесли специалисты из Великобритании — Ф.П.Боуден и Д.Тейбор [15,256,257], Германшш - Г.Фляйшер [229,230], Г.Польцер и Ф.Мейсснер [171] и др., Польши - С.Пытко [176], М.Хебда [94,263] и др.
В настоящее время работы в области триботехники продолжаются во многих странах, в том числе России и Польши, Например, в Санкт-Петербурге работает целая плеяда ученых-трибологов. В Институте проблем машиноведения РЛН триботехническими исследованиями руководит Ю.А.Фадин [215-223], в Петербургском институте машиностроения - Д.В.Васильков [27] и К.Н.Войнов [29-34], в ЦНИИ технологии судостроения— П.М.Лысенков [125-136], в Военно-морской академии им.Кузнецова — В.Н.Половинкин [169], в автодорожном институте государственного архитектурно-строительного университета В.В.Шульц [245], в ЦНИИ «Прометей» - В.Е.Бахарева [8,190], в государственном морском университете - М.Е. Подолье кий [167], в государственном университете водных коммуникаций — Л.И.Погодаев и Ю.Н.Цветков [163-166]. В государственном политехническом университете продолжаются исследования процессов трения и изнашивания металлических и неметаллических материалов, которые проводятся под руководством: А.Я.Башкарева [9,157], С.ГЛулкина [240-244,268],, Ле Суан Аня [124],, АЛХаршина [40-42].
Успехи в разработке физической стороны процесса трения, привлечение современных методов физического эксперимента к опытному изучению процесса, тщательное физико-химическое исследование природы поверхностных слоев твердого тела и накопленный большой экспериментальный материал позволили в настоящее время глубже понять механизм изнашивания.
Анализ процесса изнашивания позволил И.В.Крагельскому с коллегами [109] расчленить его на три явления: -взаимодействие поверхностей трения; -изменения, происходящие в поверхностном слое металла; -разрушение поверхностей.
Эти явления не следует рассматривать как последовательные этапы, они непрерывно переплетаются, взаимно влияя друг на друга. При непрерывном относительном перемещении поверхностей их взаимодействие изменяется. Разрушение поверхностей является завершающим этапом изнашивания. Однако разрушение поверхностей не охватывает одновременно всю поверхность трения, а происходит, как правило, в отдельных ее участках. Другие участки претерпевают только физико-механические изменения. Частичное раз-рушение и изменение свойств поверхностей влияют на взаимодействие поверхностей.
Взаимодействие поверхностей может быть механическим и молекулярным. Механическое взаимодействие выражается во взаимном внедрении и зацеплении неровностей поверхностей в совокупности с их соударением в случае скольжения грубых поверхностей. Молекулярное взаимодействие проявляется в виде адгезии и схватывания. Адгезия не только обусловливает необходимость приложения касательной силы для относительного сдвига поверхностей, но и может привести к вырывам материала. Схватывание свойственно только металличесим поверхностям и отличается от адгезии более прочными связями. Молекулярное взаимодействие возможно также на участках взаимного внедрения поверхностей. Оно обязательно будет при разрушении масяной пленки.
Необходимо отметить, что хрупкость и пластичность твердого тела не являются свойствами, присущими ему независимо от напряженного состояния.
При одних напряженных состояниях тело может быть пластичным, а при других - полухрупким и хрупким. Так, Б.Д.Грозин показал [47], что при определенных условиях объемного сжатия даже такие обычно хрупкие материалы, как чугун и закаленная сталь, обладают значительной пластичностью.
Изменения на поверхностях трения обязаны деформации, повышению температуры и химическому действию окружающей среды. Изменения, вызванные деформацией, заключаются в следующем. 1. Многократные упругие деформации из-за несовершенства структуры матеоиала приводят в определенных условиях к усталостному выкрашиванию поверхностей качения, а многократные упругие деформации микронеровностей поверхностей скольжения разрыхляют структуру.
2. Пластическое деформирование изменяет структуру материала поверхностного слоя. Пластическое деформирование твердых тел складывается из четырех элементарных процессов: скольжения по кристалло-графическим плоскостям; двоиникования кристаллов; отклонения атомов от правильного расположения в решетке и их тепловое движение; разрушение структуры. 3. Пластическая деформация при температуре ниже температуры рекристаллизации приводит к наклепу поверхностного слоя — его упрочнению. Однако у самой поверхности структура несколько ослаблена, микротвердость понижена. Микротвердость достигает максимума на некоторой глубине, далее уменьшаясь до исходной.
Макро- и микроскопические исследования и профилографирование
В первой серии объектом исследований были образцы деталей трибосопряжения "металл-металл", изготовленные из материалов: 1) гомогенных - технически чистые железо 041А и электролитическая медь М1Е (производство Польши); 2) гетерогенных - подшипниковый сплав L6 и модифицированный серый чугун ZL250 (производство Польши). В качестве материала контртела применялась сталь 45, термически обработанная на твердость HRC = 38...40. Во второй серии объектом исследований были образцы деталей трибосопряжения "неметалл-металл", изготовленные из антифрикционного материала, «СИГМА-3», имеющего бинарную поверхность трения на микроуровне. В качестве материала контртела применялись следующие материалы: 1) бронза В101 (производство Польши); 2) сталь нержавеющая Х18Н9Т (производство России); 3) сталь углеродистая 45 сырая; 4) сталь углеродистая 45, термически обработанная на твердость HRO38...40; 5) чугун серый ZL250 (производство Польши). Также были испытаны трибосопряжения "бронза-неметалл", где в качестве контробразцов из неметаллического материала использовались: 1) капролон; 2) фторопласт; 3) полиуретан. В третьей серии объектом исследований были трибосопряжения "неметалл-неметалл ": 1) резина-полиэтилен; 2) силицированный графит- силицированный графит; 3) силицированный графит-пластмасса "Сигма". Выбор указанных материалов, гомогенных и гетерогенных, обоснован их различными механическими свойствами и различным химическим составом с целью изучения, сравнения и анализа гаммы процессов, происходящих во время нормального трения и в период повреждаемости.
Выбор материалов обоснован тем, что они применяются на ответственных (Польша) деталях машин автотракторной промышленности, в частности, при изготовлении вкладышей и втулок (L6), коленчатого и распределительного валов (сталь 45) двигателя S - 21 [266], а также вкладышей и поршней (ZL 250) [268]; при изготовлении деталей судовых движительных комплексов в судостроительной промышленности России, при изготовлении насосов и других устройств и элементов, применяемых практически во всех отраслях промышленности и транспорта и обладающих высоким комплексом эксплуатационных характеристик.
В качестве смазочной среды в первой серии испытаний была принята смазка SELEKTOL SUPER PLUS SAE15W/40, применяемая в двигателях S -21 внутреннего сгорания с искровым зажиганием автомобилей марки Zw, Nysa, Tarpan, Polonez (производство Польши). Оптимальный выбор смазочного материала должен обеспечить уменьшение потерь мощности и уменьшать износ трущихся деталей. Кроме того, масла должны сохранять работоспособность в широком диапазоне температур, давлений и скоростей, легко заполнять впадины и микронеровности на рабочих поверхностях.
Изучение переходных процессов трения и изнашивания необходимо с целью расширения диапазона нормального их протекания. Задача расширения границ нормального трения и изнашивания, прежде всего, возникает при тяжелых режимах работы, больших нагрузках и высоких скоростях. Ощутимое повышение долговечности деталей достигается использованием противоизносных и противозадирных присадок к маслам [166].
В настоящее время главным направлением для изучения механизмов действия присадок, является моделирование химических реакций, протекающих между присадкой и продуктами превращения смазочного масла, а также между присадкой и трущимися металлическими поверхностями. Это направление широко используется при изучении механизма действия антиокислительных и противоизносных присадок. Например, изучение механизма действия антиокислительных присадок осуществляется исследованием элементарных реакций ингибирования процесса окисления -реакций антиокислительных присадок с перексидными радикалами и гидропероксидами [98]. Работы по изучению связи между структурой, физико-химическими свойствами и эффективностью действия присадок являются главной задачей исследования по изучению механизма равновесия образования и разрушения вторичных структур.
При тяжелых режимах происходит смещение равновесия разрушения и восстановления вторичных структур в сторону больших скоростей этих процессов. Поэтому в данном случае потребность в модифицирующих элементах резко возрастает. Температура начала взаимодействия химически активных присадок с металлом определяет условия их применения и правильность выбора [98,101].
Исходя из вышеизложенных соображений для исследований материалов, применяемых в практике (L6, ZL250), были приняты присадки: Во второй и третьей серии испытаний в качестве смазочных сред применялись масло и вода. Кроме того, испытания проводились и без смазочных материалов. Более подробно применяемые среды и режимы испытаний приводятся в соответствующих разделах главы 4. Предварительные и основные исследования проводили на масле SAE 15W/40 и на масле, содержащем присадки для материалов L6 и ZL250.
Для выбора концентрации модифицированной смазочной среды были проведены предварительные опыты. На основе результатов, полученных в этих опытах, для конкретных сопряжений материалов были выбраны следующие значения концентрации присадок: Во всех опытах применяли метод децентрализованного подвода смазочной среды в зону трения (капельный метод с помощю насоса масла) со скоростью 90 капель в минуту.
Принципы прогнозирования ресурса трибосопряжений
Экспериментальными исследованиями широкого диапазона трпбосопряженин подтверждено известное утверждение о том, что свойств материалов с названиями "износостойкость" и "долговечность" не существует. Поэтому речь должна идти об износостойкости и долговечности (ресурсе) трибосопряжений.
Следует отметить, что сложность прогнозирования ресурса трибосопряжений связана с целым рядом факторов, предсказать которые трудно (например, связанные с предсказанием совместимости материалов при конкретных условиях эксплуатации: нагрузкой, скоростью относительного перемещения трущихся деталей, условиями смазывания и температурой на поверхности трения) или практически невозможно (например, связанные с ролью человеческого фактора).
На основании работ Л.В.Чичинадзе [156], Э.Д.Брауна [16], Л.СПрони-кова [173], Л.И.Погодаева [163-166], Г.М.Сорокина [199], В.В.Шульца [245] и многих других ученых, посвященных прогнозированию ресурса трибосопряжений, можно с уверенностью утверждать, что имеется принципиальная возмож-ность прогнозирования ресурса как антифрикционных, так и фрикционных три-босопряжений. Вопрос заключается в том: существуют ли для этого на сегодня-шний день аналитические и технические средства. Кроме того, необходимо оговориться о степени достоверности получаемых результатов: прогнозирова-ние может быть выполнено с большей или меньшей степенью достоверностью. При этом необходимо учитывать многочисленные допущения, принимаемые для упрощения расчетов износостойкости и долговечности..
В частности, в российском капитальном издании по трибологии [156] рассмотрен общий методический подход к расчету формоизменения сопряженных деталей при изнашивании (т.е. продолжительность работы до достижения нормативного износа), в основе которого лежат следующие допущения: 1. Вид изнашивания рассчитываемого узла заранее известен. 2. Для данного вида изнашивания известны износостойкие свойства сопряженных материалов, характеризуемые зависимостями интенсивности изнашивания от характерных режимных параметров. Если зависимости неизвестны, их определяют экспериментально на машинах трения. Влияние различных эксплуатационных факторов учитывают соответствующими коэффициентами, определяемыми экспериментально. 3. Контакт сопряженных деталей в области касания непрерывен (континуален). 4. Материалы сопряженных деталей сплошные, однородные и изотропные. 5. Отделяемые от поверхности детали частицы имеют существенно меньшие размеры по сравнению с общим износом деталей, 6. Процесс отделения частиц износа непрерывен. С такими допущениями результат может отличаться у различных исследователей на порядок, на два и более. И при этом можно будет объективно сказать, что никто из исследователей не исказил действительности, просто сказываются субъективные факторы. Чем же объясняется сложность прогнозирования долговечности трибосопряжений от прогнозирования их прочности? Это объясняется тем, что узлы трения представляют собой сложные трибосистемы, сложность которых обусловлена следующими свойствами: Динамичностью входных и выходных параметров; Изменением во времени структуры и свойств; Обратной связью входных и выходных параметров; Распределенностью параметров, характеризующих состояние узлов трения (формы деталей, температуры, напряжения и деформации); Множеством взаимосвязанных и одновременно протекающих процессов (кинаматических, механических, тепло физических). Большинство ученых-трибологов признает, что по своей сути процесс изнашивания является эволюционным, нестационарным, стохастическим, поэтому методологический подход к решению триботехнических задач, по их мнению, должен соответствовать сложным многофакторным системам. Анализ информации, полученной на базе многолетнего опыта создания и эксплуатации пар трения технического назначения (см. главу 1), позволяет утверждать, что в настоящее время не существует общепризнанной методики прогнозирования износостойкости и долговечности трибосопряжений, а также расчета их трнботехнических характеристик, основанной на заданных условиях эксплуатации, физико-механических свойствах материалов, образующих пару трения, конструктивных особенностях пары трения и технологии её изготовления. Такое положение не удается исправить ни учетом возможных отклонении от номинальных значений физико-механических свойств материалов, ни использованием энергетических подходов к оценке процессов, протекающих на фрикционном контакте, ни применением метода аналогий. Поэтому наиболее эффективным методом изучения трнботехнических характеристик пар трения следует признать метод экспериментального исследования . Принципы прогнозирования ресурса неразрывно связаны и, даже более того, вытекают из принципов организации эффективных трибосистем. Автор может представить их в следующем виде: 1 .Определяется долговечность пары трения, а не материалов входящих в нее деталей,
Созданием и исследованием эффективных трибосопряжений, работающих в условиях трения скольжения, для различных машин и механизмов занимались и продолжают заниматься ученые Польши, России и многих других стран. Начиная от 4-х томника по трению и износу, выпущенного в 1947 году заведующим лабораторией трения и смазки Ленинградского политехнического института А.К.Зайцевым [61], и заканчивая 3-х томником «Справочника по триботехнике», выпущенным совместно российскими и польскими учеными в 1990 году [200,201], в литературе описано большое количество рекомендаций и удачных - лучше сказать эффективных — технических решений в рассматриваемой области. Однако работы продолжаются. Это говорит о том, что полученные эффективные решения для одних узлов трения невозможно с успехом применять для других.
Исследование износостойкости трибосопряжений типа "металл-неметалл" при наличии и без смазочного материала
Самую продолжительную историю среди трибосопряжений данного класса имеют трнбосопряження типа "металл-древесные материалы". Среди них выделяются пары трения транспортных средств на конной тяге: телеги, повозки, брички, колесницы, спортивные повозки. В них используется металлическая (стальная) ось и деревянный подшипник. Принято считать, что лучшие результаты показывают трнбосопряження, когда ось изготовлена с использованием упрочняющих технологий (цементация, закалка), а подшипник изготовлен из твердой древесины (дуб, бук). Для улучшения работы такого трнбосопряження используют пластичную смазку, например, бараний жир.
Широко известно трибосопряжение типа "металл-древесина" в практике судостроения, судоремонта и судоходства. До настоящего времени широко используются подшипники судовых гребных валов, выполненные из бакаута -древесины экзотического гваякового дерева, произрастающего в местностях с тропическим и субтропическим климатом [190]. Для этих целей наиболее благо-приятна пара трения "оловянистая бронза - бакаут". Преимуществами бакаута считается не только твёрдость, но и наличие в структуре древесины смолистых веществ, образующих благоприятную смазочную среду при смачивании бака-ута водой. Именно поэтому подшипники на основе бакаута всегда смазываются забортной водой. Подшипники на основе бакаута достаточно хорошо изучены непосредственно в эксплуатационных условиях. Достоверным считается диапазон интенсивности изнашивания бакаутовых подшипников от 0,2 до 0,5 х10-9, что эквивалентно практическим единицам в мм/1000 часов эксплуатации [128]. Большой диапазон значений удовлетворительно объясняется влиянием масштабного фактора [133], нестабильными свойствами древесины и наличием-отсутствием абразивных частиц в забортной воде. Актуальность применения подшипников на основе бакаута иллюстрируется тем, что специально для них сформулированы правила ведущих морских классификационных обществ: Lloyd s Register (Великобритания), Det Norske Veritas (Норвегия), ABS (США), Российский морской регистр судоходства [190]. Другим известным материалом на основе древесины является древесно-слоистый пластик [128].
Широкое распространение в практике машиностроения, в частности, судостроения, получили трибосопряжения типа "металл-неметалл" [2] с использованием современных полимерных материалов. Среди них можно выделить пары трения "бронза-капролон", "углеродистая сталь-капролон", "сталь-фторопласт", "бронза-полиуретан", "нержавеющая сталь-капролон" [2,9,10].
Наличие большого количества экспериментальных данных, полученных разными исследователями, позволило сократить объем экспериментов этого класса трибосопряжений в настоящей диссертационной работе до отдельных контрольных опытов при нагрузке 1 МПа и скорости скольжения 0,5 м/с, результаты которых представлены в табл. 4.9.
В процессе испытаний наблюдался значительный разброс данных. Поэтому значения, приведенные в табл. 4. 9, можно рассматривать как ориентировочные, их нельзя использовать для прямых расчетов ресурса трибосопряжений или энергетических показателей механизмов.
Полученные данные позволяют утверждать, что трибосопряжения типа "металл-неметалл" без смазки пригодны для использования в лёгких условиях, например, в бытовой технике (ручные тележки и т.п.). В более тяжелых условиях они не обладают достаточной надежностью, т.к. невысока вероятность безотказной работы [9]. Однако, при наличии смазки водой эти трибосопряжения могут быть использованы для нагруженных устройств, например, для таких ответственных изделий, как судовые подшипники гребных валов. Данные, представленные в табл. 4.9, несмотря на широкий диапазон значений, удовлетворительно совпадают с результатами опубликованных исследований [2,8,133,134]. 4.3 Исследование процессов изнашивания трибосопряжений типа "металл-неметалл" при наличии бинарной поверхности трения на микроуровне. В качестве объекта исследования выбрано трибосопряжение, организованное следующим образом: - антифрикционный материал "СИГМА-3"; - контртело - металл (сталь 45 сырая, сталь 45 термообработанная, сталь нержавеющая аустенитного класса типа ОХ18Н10Т, бронза марки В101, чугун серый марки Z1200); - смазка - вода, масло, воздух (отсутствие смазки); - схема испытаний - "колодка-ролик"; - диаметр сопряжения (d) 60 мм; - площадь сопряжения (S) 1,8 см2; - нагрузка на фрикционном контакте изменялась ступенчато в пределах от 20 до 70 кгс (от 1 до 4 МПа); - скорость вращения ролика (п) была постоянной во всех опытах и составляла 600 об/мин; - скорость скольжения (V) была равна 1,885 м/с; - продолжительность каждого опыта (Т) составляла 2 часа (7200 секунд); - путь трения (L) в каждом опыте был равен 13,572 км Рис. 4.38. Исходная поверхность колодки из материала СИГМА-3. Наличие бинарной поверхности трения на колодке из антифрикционного материала СИГМА-3 принималось по данным фотографического исследования исходной поверхности трения, показанной на рис. 4.38.
