Содержание к диссертации
Введение
1. Твёрдосмазочные покрытия в триботехнических системах и инженерные методы оценки их функциональных свойств 14
1.1. Применение твёрдосмазочных покрытий (ТСП) в современной технике .14
1.1.1. Классификация твёрдосмазочных покрытий и их функциональные свойства. 14
1.1.2. Применение ТСП в трибосопряжениях и триботехнических системах 24
1.1.3. Влияние внешних факторов на триботехнические характеристики контактирующих шероховатых тел с ТСП 39
1.2. Инженерные методы оценки функциональных свойств трибосопряжений с ТСП .60
1.2.1.Теоретические основы инженерных расчётов контактных и фрикционных характеристик трибосопряжений с ТСП 60
1.2.2. Экспериментальные и расчётно-экспериментальные методы оценки фрикционных характеристик трибосопряжений с ТСП 98
1.2.3. Оценка функциональных свойств номинально неподвижных контактных соединений с покрытиями, проводящими высокие потоки энергии .115
1.2.4. Компьютерное моделирование дискретного фрикционного контакта с ТСП .120
1.3. Цели и задачи исследований .127
2. Материалы, оборудование и методики исследований трибосопряжений с ТСП .131
2.1. Применяемые материалы, подготовка образцов и технология нанесения ТСП 131
2.2.Экспериментальное оборудование и методики исследования морфологии поверхностей с ТСП 135
2.3. Экспериментальное оборудование и методики исследования физико-механических свойств ТСП при повышенных температурах 141
2.4.Экспериментальное оборудование и методики исследования контактного и фрикционного взаимодействия сферической модели микронеровности с ТСП .150
2.5.Экспериментальное оборудование и методики исследования номинально неподвижного контакта шероховатых поверхностей с ТСП .156
2.6. Экспериментальное оборудование и методики исследования процессов трения и изнашивания моделей трибосопряжений с ТСП
в широком диапазоне изменения режимов испытаний 172
2.7. Экспериментальное оборудование и методики исследования процессов трения и изнашивания ТСП в условиях лабораторного вакуума
и открытого космического пространства .190
2.8. Применения МКЭ при проведении численных экспериментов с моделью единичной микронеровности 199
3. Экспериментально - теоретическое исследование контактного и фрикционного взаимодействия сферической модели единичной микронеровности с ТСП 205
3.1. Исследование контактного взаимодействия сферической модели единичной микронеровности с относительно мягким покрытием .205
3.1.1. Допущения, принятые при исследованиях контактного взаимодействия сферической модели единичной микронеровности с ТСП 205
3.1.2. Контактное взаимодействие сферического индентора с относительно мягким покрытием при его упругих, вязко-упругих и пластических деформациях .208
3.1.3. Критерии перехода от упругого деформирования к пластическому при контактировании сферического индентора с относительно мягким покрытием .216
3.1.4. Упругопластический контакт сферического индентора с относительно мягким покрытием (приближённое решение) 220
3.1.5. Экспериментальные исследования контактного взаимодействия сферического индентора с относительно мягким покрытием 224
3.1.6. Исследование контактного взаимодействия сферического индентора с помощью МКЭ 228
3.2. Исследование влияния покрытий на электрическое и термическое сопротивление единичного микроконтакта .258
3.3. Теоретико - экспериментальное исследование трения сферического индентора по относительно мягкому упругопластическому покрытию .270
3.4. Разработка феноменологических моделей температурно-временных зависимостей механических свойств композиционных ТСП с полимерными связующими 287
4. Научные основы инженерных расчётов характеристик контактного и фрикционного взаимодействия номинально плоских шероховатых поверхностей с ТСП . 295
4.1. Контактное взаимодействие номинально плоских шероховатых поверхностей с покрытиями .295
4.1.1. Допущения, принятые при моделировании дискретного контакта 295
4.1.2. Оценки характеристик контактного взаимодействия номинально плоских шероховатых поверхностей с ТСП при упругих, пластических и упругопластических деформациях покрытия .298
4.1.3. Оценка термического и электрического сопротивления контакта номинально плоских шероховатых поверхностей с покрытиями 311
4.1.4. Оценка герметичности стыков шероховатых поверхностей с покрытиями .315
4.1.5. Экспериментальные исследования контактного взаимодействия номинально плоских шероховатых поверхностей с ТСП 316 4.2.Фрикционное взаимодействия номинально плоских шероховатых поверхностей с ТСП .328
4.2.1.Эволюция характеристик фрикционного взаимодействия и морфологии поверхностей
с ТСП в процессе их жизненного цикла 328
4.2.2. Расчёт коэффициента трения при фрикционном контакте тел, имеющих ТСП, с позиций
молекулярно-механической теории трения 348
4.2.3.Экспериментальное исследование статического коэффициента трения номинально плоских
шероховатых поверхностей с ТСП 352
4.2.4.Расчёты допустимых нагрузок и температур для фрикционного контакта номинально плоских шероховатых поверхностей с ТСП и
их экспериментальная проверка 354
4.2.5. Исследование влияния скорости и температуры на коэффициент трения номинально плоских шероховатых поверхностей с ТСП. Принцип температурно - скоростной суперпозиции .366
4.3. Разработка 3-х мерной компьютерной модели фрикционного контакта шероховатых поверхностей 371
5. Научные основы расчётных и расчётно-экспериментальных методов оценки характеристик контактного и фрикционного взаимодействия типовых трибосопряжений с ТСП 394
5.1. Влияние шероховатости на характеристики контактного взаимодействия трибосопряжений типа вал с ТСП-втулка 394
5.2. Влияние шероховатости на характеристики контактного взаимодействия трибосопряжений типа зубчатая передача с ТСП 402
5.3. Влияние шероховатости на характеристики контактного взаимодействия передачи типа винт с ТСП- гайка 406
5.4. Исследование фрикционных характеристик трибосопряжений типа вал с ТСП -втулка .416
5.4.1. Расчётная оценка момента страгивания трибосопряжения типа вал с ТСП - втулка .416
5.4.2. Экспериментальное исследование момента страгивания приборных подшипников скольжения с ТСП космических летательных аппаратов (КЛА) в лабораторных условиях и в условиях открытого космоса 418
5.4.3. Расчётно-экспериментальная методика оценки момента страгивания приборных подшипников скольжения КЛА с покрытиями 422
5.4.4. Исследование влияния нагрузки и температуры на интенсивность изнашивания трибосопряжений
типа вал с ТСП -втулка 428
5.5.Расчётно–экспериментальный метод ускоренных испытаний трибосопряжений с ТСП .435
5.6. Исследование работоспособности клапанных пар с ТСП .441
6. Примеры применения результатов исследований в инженерной практике .448
6.1. Разработка и исследование функциональных покрытий с гетеродисперсным составом на примере износостойкой
краски для разметки автомобильных дорог 448
6.2. Принципы оптимизации конструкций трибосопряжений с ТСП .456
6.3. Разработка средств тестовых испытаний трибосопряжений с ТСП 460
Заключение 470
Список литературы
- Влияние внешних факторов на триботехнические характеристики контактирующих шероховатых тел с ТСП
- Экспериментальное оборудование и методики исследования физико-механических свойств ТСП при повышенных температурах
- Контактное взаимодействие сферического индентора с относительно мягким покрытием при его упругих, вязко-упругих и пластических деформациях
- Оценки характеристик контактного взаимодействия номинально плоских шероховатых поверхностей с ТСП при упругих, пластических и упругопластических деформациях покрытия
Введение к работе
Актуальность темы исследования. В условиях, когда традиционные
смазочные материалы не эффективны, работоспособность триботехнических
систем обеспечивается нанесением на их контактирующие поверхности
покрытий на основе мягких металлов, полимеров, твёрдых смазочных
материалов и различных композиционных составов, получивших общее
название твёрдосмазочные покрытия (ТСП). Первоначально такие покрытия
использовались в узлах трения космических летательных аппаратов (КЛА),
однако развитие технологий привело к применению ТСП и в других
областях современной техники.
Эти обстоятельства позволяют отнести фундаментальные исследования, связанные с повышением эффективности применения ТСП в современной технике, к ряду актуальных направлений, сформулированных в указе президента РФ от 07.07.2011 № 899 "Об утверждении приоритетных направлений развития науки, технологий и техники в Российской Федерации и перечня критических технологий Российской Федерации".
Степень разработанности проблемы. Теоретическими и
экспериментальными исследованиями и моделированием процессов,
происходящих на фрикционном контакте, занимаются механика контактных
взаимодействий и трибофизика, а непосредственными измерениями и
обработкой параметров, отражающих результаты этих процессов, трибометрия.
Применительно к трибосопряжениям с ТСП, по каждому из этих направлений
проведены значительные фундаментальные и прикладные исследования.
Однако следует отметить недостаточность исследований контактного и
фрикционного взаимодействия шероховатых поверхностей с ТСП при
упругопластическом деформировании покрытия, отсутствие достоверных
инженерных методов оценки контактных и фрикционных характеристик
трибосопряжений с ТСП, не решенность проблем компьютерного
моделирование фрикционного контакта шероховатых поверхностей с ТСП.
Цель работы: развитие научных основ инженерных методов
проектирования триботехнических систем с ТСП на базе комплексных
экспериментально-теоретических исследований процессов, протекающих на
фрикционном контакте, их компьютерном моделировании и тестовых
испытаниях моделей трибосопряжений.
Задачи исследований.
1. Разработать специальное оборудование и методики необходимые для
экспериментальных исследований характеристик фрикционного контакта с ТСП.
2. На основе исследований контактного и фрикционного взаимодействия
модели неровности с ТСП, разработать и экспериментально проверить
соотношения, оценивающие характеристики контактного и фрикционного
взаимодействия номинально плоских шероховатых поверхностей с ТСП.
3. Разработать инженерные методы расчётных оценок фрикционных свойств типовых трибосопряжений с покрытиями пригодные для проектирования триботехнических систем с ТСП и провести их комплексное тестирование.
-
На основе модели контактного и фрикционного взаимодействия неровности с ТСП разработать и протестировать 3-х мерную компьютерную модель фрикционного контакта шероховатых поверхностей.
-
Провести экспериментальные исследования моделей трибосопряжений с ТСП в широком диапазоне режимов испытаний и разработать расчётно-экспериментальные методики прогнозирования момента страгивания приборных подшипников скольжения с ТСП и ускоренных ресурсных испытаний трибосопряжений с покрытиями.
6. Провести разработку перспективных функциональных покрытий с
гетеродисперсным составом; принципов оптимизации конструкций
трибосопряжений с ТСП; эффективных средств тестовых испытаний
трибосопряжений с ТСП.
Научная новизна.
1.На основании известных решений контактных задач о внедрении сферического
индентора в относительно мягкое покрытие получены и подтверждены
расчетами методом конечных элементов (МКЭ) критерии перехода упругих деформаций относительно мягкого покрытия в упругопластические.
-
Получено приближённое решение задачи о внедрении сферического индентора в относительно мягкое упруго - пластическое покрытие, сцеплённое с упругим полупространством. Экспериментальные и численные исследования с применением МКЭ показали, что для его уточнения необходимо введение поправочной функции, параметры которой определяются на основе проведенных расчётов.
-
Получена аналитическая оценка влияния покрытий на электрическое и термическое сопротивление единичного контакта.
4. Разработана и экспериментально проверена расчётная модель фрикционного
взаимодействия единичной неровности с упругопластическим покрытием.
5. На основе предложенных моделей контактного и фрикционного
взаимодействия единичной неровности получены и экспериментально
проверены расчётные соотношения для оценки характеристик контактного и
фрикционного взаимодействия номинально плоских шероховатых
поверхностей с ТСП.
-
Получены и экспериментально проверены, в том числе в условиях лабораторного вакуума и открытого космического пространства с использованием прибора “Имитатор трения”, расчётные соотношения для оценки характеристик контактного и фрикционного взаимодействия типовых трибосопряжений с ТСП.
-
Предложены феноменологические модели температурно - временных зависимостей физико - механических свойств композиционных ТСП.
Практическая значимость работы.
1. Разработаны и защищены авторскими свидетельствами СССР и патентами
РФ комплексы лабораторного оборудования для исследований моделей
трибосопряжений с ТСП и номинально неподвижных контактных соединений с покрытиями. Создано специализированное оборудование для исследований контактного и фрикционного взаимодействия моделей неровностей с ТСП и
температурно - временных зависимостей физико - механических свойств
покрытий.
2. Разработана 3-х мерная компьютерная модель фрикционного контакта,
защищённая свидетельствами о гос. регистрации программ для ЭВМ, которая
позволяет, учитывая эволюцию ТСП на различных этапах эксплуатации,
повысить достоверность оценки контактных и фрикционных характеристик
трибосопряжений с покрытиями.
3.Разработаны расчётно-экспериментальные методики прогнозирования
момента страгивания приборных подшипников скольжения с ТСП и ускоренных
ресурсных испытаний трибосопряжений с ТСП, причём последняя защищена
патентом РФ.
4. Разработаны: функциональное покрытие с гетеродисперсным составом,
повышающим его износостойкость; высокоэффективные трибосопряжения с
ТСП; методы и средства тестовых испытаний моделей трибосопряжений,
защищенные авторскими свидетельствами СССР, и патентами РФ.
Методы исследований. При разработке моделей контактного и
фрикционного взаимодействия использовались положения теории упругости и
пластичности, методы теории подобия, методы теории вероятности и
математической статистики, метод электростатической аналогии, МКЭ.
Исследование морфологии поверхностей с ТСП проводилось на поверенном,
промышленно выпускаемом, лабораторном оборудовании. Исследования
контактного и фрикционного взаимодействия моделей неровностей, номинально
неподвижных контактных соединений и моделей трибосопряжений в условиях
вакуума и в широких диапазонах изменения режимов испытаний проводились
на специально разработанных комплексах оборудования ввиду отсутствия
промышленных аналогов.
Положения, выносимые на защиту.
1. Уточнённое приближённое решение задачи о внедрении сферического индентора в упругопластическое покрытие и критерии перехода упругих деформаций ТСП в упругопластические.
2. Расчётная модель фрикционного взаимодействия модели неровности с ТСП
при упругопластических деформациях покрытия.
3. Решение задачи о влиянии покрытий на электрическое и термическое
сопротивление единичного контакта.
4. Расчётные соотношения для оценки характеристик контактного (фактическая
площадь контакта, максимальное внедрение микронеровностей, тепло- электро
сопротивление, герметичность) и фрикционного (статический коэффициент
трения, допустимые и предельные контактные давления) взаимодействия
номинально плоских шероховатых поверхностей с ТСП, учитывающие время и
характер деформации, параметры микрогеометрии, толщину и физико-
механические свойства ТСП, действующие температуры и нагрузки.
5. Расчётные соотношения для оценки характеристик контактного и
фрикционного взаимодействия типовых трибосопряжений с ТСП: вал с ТСП -
втулка; зубчатая передача с ТСП; передача винт с ТСП - гайка.
6. Методики ускоренных испытаний трибосопряжений с ТСП и расчётно-
экспериментального прогнозирования момента страгивания приборных
подшипников скольжения с ТСП.
7. Математическая реализация и тестирование компьютерной модели
контактного и фрикционного взаимодействия шероховатых поверхностей,
учитывающей эволюцию параметров контакта на различных этапах
эксплуатационного цикла трибосопряжений с ТСП.
8. Разработанные и защищенные авторскими свидетельствами СССР и
патентами РФ комплексы специализированного лабораторного оборудования
для экспериментальных исследований моделей трибосопряжений с ТСП и
номинально неподвижных контактных соединений с функциональными
покрытиями в широких диапазонах изменений режимов испытаний.
Степень достоверности результатов работы. Достоверность результатов работы базируется на объективности применяемых теоретических, численных и экспериментальных методов исследований и соответствии результатов расчётов, получаемых при помощи разработанных моделей, экспериментальным данным,
полученным в процессе проведения исследований, а также данным независимых исследователей, опубликованным в доступных источниках.
Апробация результатов работы. Основное содержание работы доложено
на международных, всесоюзных, всероссийских, региональных и отраслевых
конференциях и семинарах: Всесоюзной научно-практической конференции
«Теория и практика создания, испытания и эксплуатации триботехнических
систем».- Андропов,1986; Всесоюзной научно-технической конференции
«Современные проблемы триботехнологии».-Николаев,1988; Всесоюзной
научно-технической конференции «Триботехнические испытания в проблеме
контроля качества материалов и конструкций».-Москва,1989; научно-
технической конференции «Применение полимерных материалов при ремонте и
восстановлении деталей машин и оборудования».-Ижевск,1990; ХХ юбилейной
научно-технической конференции-школы «Физика и механика композиционных
материалов на основе полимеров».-Гомель,1991; Всесоюзной научно-
технической конференции «Износостойкость машин».- Брянск,1991; семинаре-
смотре «Триболог-8м» с международным участием «Теоретические и
прикладные разработки молодых трибологов»-Ярославль-Москва-Рыбинск-
Ростов.1991; международного научно-практического семинара «Триболог-10М»
-Рыбинск,1993; международной конференции «Современные проблемы
механики», посвящённая 100-летию Л.А.Галина. М.:2012; Всероссийской научно-технической конференции с участием иностранных специалистов «Проблемы машиноведения: Трибология машиностроению». М.: 2012; Х Всероссийской конференции: Новые технологии. -М.: РАН, 2013; Всероссийской научно-технической конференции с участием иностранных специалистов «Трибология машиностроению.» М.:2014; Международной научно-технической конференции «Полимерные композиты и трибология» (Поликомтриб-2015, Гомель, Беларусь:2015), семинаре по механике фрикционного взаимодействия твёрдых тел им. И.В. Крагельского (ИПМехРАН, 2015).
Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения, списка литературы из 414 наименований и приложения (акты
внедрения). Работа изложена на 512 страницах текста, содержит 158 рисунков и 32 таблицы.
Влияние внешних факторов на триботехнические характеристики контактирующих шероховатых тел с ТСП
Компания Orion industries [362] конкретизирует применения ТСП следующими узлами: механизмы затворов огнестрельного оружия, шарниры крепления автомобильных дверей, якоря электромагнитов, поршни автомобильных кондиционеров, роторы автомобильных нагнетателей, резиновые и пластиковые детали автомобилей, цилиндрические направляющие и пр. Haward Corporation [306] рекомендует применять ТСП в винтовых домкратах, регулировочных винтах, резьбовых задвижках, обратных клапанах, упорных шайбах, зубчатых колёсах, рычагах, опорах, шпиндельных узлах, пальцах, кулачках, толкателях, направляющих, клапанах, поршнях, болтах и гайках. Компания Pioneer metal finishing [368] дополняет перечень следующими характерными применениями: в автомобильной промышленности - системы безопасности (привода и замки ремней безопасности), системы перемещения и регулировки сидений, механизмы дверей, поршни, цилиндры, оси шарниров, конические вентили, направляющие и толкатели, крепёжные детали, подшипники скольжения, тяги и опоры, прокладки; в нормализованных деталях машин -гидравлическая арматура клапаны и распределители, уплотнения, зажимные приспособления, пружины, муфты; в машиностроении – приспособления и оснастка; технологические процессы: гибка труб, штамповка, литьё в постоянные формы алюминиевых сплавов и цинка; в военной технике - различные типы самолётов, вооружений, автотранспорта. Chem Processing [273] рекомендует применение ТСП в шпоночных соединениях, карданах, направляющих в клавишах электронных устройств, для обработки деталей реактивных двигателей перед сборкой, для облегчения освобождения готовых изделий из термопластов при их формовании. Компания Imagineering Finishing Technologies [315] рекомендует применять ТСП в трибосопряжениях работающих в коррозионной среде, для консервации деталей, для часто разбираемых и труднодоступных узлов, для работы в условиях высокой запылённости, для узлов, подверженных фреттинг-износу. И, наконец, компания Metal Improvement Co [353], которая является пионером в промышленном нанесении ТСП, просто указывает, что ТСП эффективны везде, где обычные жидкие смазки недостаточно защищают от высокой температуры, экстремальных нагрузок, износа и коррозии.
Следует отметить высокую эффективность ТСП в борьбе против фреттинг-износа [253,295,412] в номинально неподвижных контактных соединениях, через которые проходят высокие энергетические потоки (электрические контакты, теплонагруженные контактные соединения), заклёпочных соединений и стыках.
Кроме фирм, специализирующихся на нанесении покрытий, ряд компаний серийно выпускают трибосопряжения имеющие ТСП. Так компании PIC Design [367] и Thomson [398] выпускают винтовые передачи различных типоразмеров и точности с винтами, имеющими ТСП на основе ПТФЭ, а по заказу могут наноситься и другие покрытия. Компания Parker Hannifin Corporation [354] выпускает уплотнительные элементы с ТСП из различных мягких металлов предназначенные для эксплуатации при высоких температурах.
Представляет интерес, какие твёрдосмазочные материалы [388] и связующие применяются в ТСП общепромышленного применения и в каких трибосопряжениях они используются наиболее широко. Компания Henkel под торговой маркой Acheson выпускает ТСП Emralon, Molydag, DAG [307] . Покрытия Emralon представляют из себя ТСП (8 марок) в которых в качестве твёрдосмазочного материала используется фторполимер, а в качестве полимерной основы термопласты, фенольная, полиуретановая, полиамидная, алкидная и акриловая смолы горячей полимеризации. Emralon применяется для покрытия резиновых уплотнений, деталей карбюраторов, принтеров, приводов автомобильных фар, и пр. DAG представляет из себя ТСП (2 марки) на основе графита с термопластическим или эпоксидным связующим горячей полимеризации. Это покрытие применяется в прокладках головки блока цилиндров автомобильных двигателей и выхлопных систем, в реактивных двигателях. Оно защищает детали от схватывания до температуры 583С. Molydag- представляет из себя ТСП (2 марки), в одном из которых использована смесь графита и дисульфида молибдена с неуказанной смолой горячей полимеризации, а в другом дисульфид молибдена в эпоксидной смоле также горячей полимеризации. Данные ТСП используется в самых ответственных и тяжелонагруженных узлах. Например, взаимодействующие детали кресла-катапульты пилота истребителя, двери для аварийной эвакуации людей.
По данным [22], ТСП на основе комплекса полимеров, разработанное в Институте Механники Металло-полимерных Систем АН БССР, используются в направляющих цилиндров пневмогидравлической подвески автосамосвалов БелАЗ-540.
Компания Fuch Lubritech Gmbh [296] также специализируется на выпуске ТСП, применяемых в автомобильной промышленности. Среди потребителей её продукции такие автопроизводители как Daimler AG, Volvo, Saab. Так в легковом автомобиле Мерседес-Бенц Е-класса имеется 12 узлов, в которых применяются ТСП этой фирмы. К ним относятся: уплотнения дверей, пластиковые детали интерьера, соединения коммутационных устройств двигателя, детали системы впрыска топлива, кольцевые резиновые уплотнения, прокладки, болты колёс, выхлопная система, механизм регулировки сидений, механизм втягивания ремней безопасности, скользящие детали обивки крыши, детали дверного замка. Причём в перечисленных узлах ТСП применяется не только как долговременная смазка, но и для облегчения сборки и снижения шумов. Компания выпускает ТСП под брендом gleitmo (17 марок) на основе ПТФЭ (8 марок), дисульфида молибдена (6 марок) и графита (3 марки). Применяются органические и неорганические связующие горячего и «холодного» отверждения, в том числе и водорастворимые. Список компаний выпускающих различные варианты подобных ТСП можно значительно расширить, однако далее отметим лишь те, которые используют не типичные антифрикционные материалы и связующие. Компания Carl Bechem Gmbh [270] выпускает ТСП под брендом Berucoat (14 марок) и использует в ряде своих рецептур в качестве твёрдосмазочных наполнителей воск, наночастицы и микрокапсулы. Инновационная, микрокапсульная нанотехнология (Berucoat MC) позволяет в микроскопические шарообразные контейнеры из защитного лака помещать смазочный материал, который вступает в работу только после разрушения микроконтейнера от приложенной нагрузки и, освобождаясь, снижает трение и износ на микроконтактах. Недостатком таких ТСП является узкий, как у обычных смазок, диапазон рабочих температур (-40 C…+80 C).
Исследование трибологических свойств композиционных покрытий на основе микрокапсул воска со связующим из силикона проводилось в работе [325]. Было показано, что разрыв микрокапсул приводит к разрушению силиконовой матрицы, поэтому в зависимости от эксплуатационного назначения покрытия необходимо оптимизировать их концентрацию. Чем меньше концентрация микрокапсул, тем меньше микроразрушений матрицы, но выше коэффициент трения.
Экспериментальное оборудование и методики исследования физико-механических свойств ТСП при повышенных температурах
Триботехнические свойства материалов, смазок и покрытий оценивают на стадии их лабораторных испытаний. Поэтому они являются одним из методов оценки работоспособности триботехнических систем имеющих ТСП. От натурных или эксплуатационных испытаний лабораторные испытания отличаются идеализацией условий их проведения при точной регистрации исследуемых величин. Результатами оценки триботехнических свойств являются данные по текущему износу трущихся тел, коэффициенту трения, температуре в контакте, ресурсу сопряжения и их зависимости от свойств образцов, режимов испытаний и свойств окружающей среды. Важность лабораторных триботехнических испытаний подтверждается большим количеством стандартизованых и нестандартизованых методов подобных испытаний, разнообразием применяемого оборудования и методических рекомендаций их регламентирующих [114,128,389]. Кроме того для многих случаев, например условий космического пространства, провести натурные и эксплуатационные испытания невозможно и разрабатываются специальные программы по лётным лабораторным испытаниям. Особое внимание при этом уделяется ТСП. Так в США с целью проверки соответствия результатов лабораторных испытаний в условиях лабораторного вакуума условиям открытого космоса в начале 60-х годов прошлого века на спутнике “Рейнджер-1” проводились лётные лабораторные испытания различных пар трения на установке, работающей по схеме диск-палец [373]. Среди пар трения, наряду с керамикой, тефлоном и консистентной смазкой, испытывались покрытия из дисульфида молибдена и мягкого металла. В СССР испытания с аналогичной целью проводились в середине 70-х годов прошлого века на космическом летательном аппарате “Луна-22”. Эксперимент проводился с использованием автономного прибора “Имитатор трения”, а объектом испытаний было ТСП марки ВНИИНП- 212 [249]. В настоящее время российскими учёными, в рамках работы Международной Космической Станции, подготовлена программа “Трибокосмос” [116], целью которой является исследование влияния факторов космического пространства на коэффициенты трения и механизмы изнашивания антифрикционных и износостойких материалов, в том числе и ТСП.
Несмотря на принципиальную важность лабораторных испытаний с целью определения триботехнических свойств материалов, смазок и покрытий их результаты зачастую не отличаются удовлетворительной воспроизводимостью из- за влияния на эксперименты неконтролируемых процессов протекающих на контактирующих поверхностях при их фрикционном взаимодействии. Так в работах [276, 277] описаны результаты исследования триботехнических свойств керамик и сталей, проведённых в 39 лабораториях, находящихся в различных странах мира. При исследовании трения стального шарика по стальному диска для одинаковых образцов, условий и методов проведения испытаний в различных лабораториях были получены различные данные по значениям коэффициента трения. Их обработка показала, что при среднем значении коэффициента трения для пары f=0,6 стандартное отклонение его значений составляло 0,109 , а экспериментально наблюдаемые значения коэффициента трения колебались от 0,35 до 0,92. Причём группы значений коэффициента трения получаемых в пределах отдельных лабораторий имели существенно меньший разброс значений. Ещё больший разброс экспериментальных данных был получен при испытаниях на износ. Подобные результаты можно наблюдать и при анализе результатов испытаний покрытий [310].
Рассмотрим факторы, которые могут не учитываться при оценке триботехнических свойств твёрдосмазочных покрытий и влиять на воспроизводимость лабораторных испытаний и корреляцию их результатов с натурными условиями.
Первым таким фактором является напряжённо-деформированное состояния ТСП в сопряжении и его эволюция в процессе испытаний.
Как указывлось выше в рекомендациях [189] , распространяющихся на лабораторные испытания покрытий в вакууме, все трибосопряжения разделяются по виду контакта на точечные, линейные и плоские и, в зависимости от этого, предлагается оценивать их триботехнические свойства, используя 13 схем трения, имитирующих работу различных трибосопряжений.
За рубежом, по данным [310] , на основании рекомендации VAMAS (Versailles Project on Advanced Materials and Standards) основной схемой тестирования покрытий является схема диск с покрытием- палец, оканчивающийся сферой диаметром 10 мм из стали AISI 52100. Типичная нормальная нагрузка 10Н, скорость скольжения 0,1 м/с, окружающая среда воздух при температуре 23 и относительной влажности 50%. В процессе испытаний контролируется сила трения и общий путь трения, а по окончанию испытаний измеряется износ профилографированием дорожки износа и измерением изменения высоты пальца. Другие методы тестирования могут быть использованы в случаях, когда они лучше имитируют реальный контакт и их результаты легче переносятся на специфические применения. Эти методы также оговариваются и представляют следующие схемы трения и условия контактного взаимодействия стандартизованные ASTM: сфера - плоскость с покрытием совершающая возвратно-поступательные перемещения , блок с покрытием- вращающееся кольцо (схема Timken), вращающийся вал с покрытием- призмы (схема Falex), два вращающихся ролика, один из которых с покрытием, моделирующих качение с проскальзывнием (схема Amsler), две плоскости , одна из которых с покрытием, моделируют удар со скольжением при оценке ударной износостойкости покрытий, сфера - осциллирующая по плоскости с покрытием, моделирует фреттинг износ, вращающееся резиновое колесо - блок с покрытием при подаче сухого песка в зону трения (износ частично закреплённым абразивом), два ролика из резино - абразивного материала обкатывающихся с проскальзыванием по торцу диска с покрытием (тест Taber [395] для износа сухим закреплённым абразивом), торцы двух пальчиковых металлических образцов - диск с покрытием в среде жидкого абразива (абразивный износ в тяжёлых условиях).
Сопоставляя данные [310] и [189], можно увидеть существенные различия в используемых схемах трения и условиях испытаний. Из 13-ти представленных в [189] схем трения в [310] не применяются следующие 10: торец пальца - диск, торец кольца- торец кольца, сфера- диск с совпадающими осями, конус- диск с совпадающими осями, сфера - кольцевой пояс, шарик - три шарика, вращающийся вал - втулка, вращающийся вал- вкладыш, возвратно- поступательно двигающийся вал- втулка, торец пальца - плоскость с возвратно поступательным движением. В то же время предлагаемые в [310] схемы: сфера - плоскость с покрытием совершающая возвратно-поступательные перемещения, схема Falex, схема оценки ударной износостойкости, схемы испытаний на фреттинг и абразивный износ (всего 7 из 10) не рассматриваются в [189].
Учитывая, что существует более 30 схем трения [114], проанализируем причины этих предпочтений с точки зрения оценки напряжённо-деформированного состояния твёрдосмазочных покрытий и его эволюции в процессе испытаний. Начнём с того, что рекомендации [189] касаются оценки триботехнических свойств материалов и покрытий в вакууме, поэтому не содержат требований к испытаниям в абразивной среде. Кроме того некоторые из представленных в этом документе схем трения ограничены имитацией только одного трибосопряжения, которое отличается спецификой контакта, но имеет широкое применение (например схема трения сфера - диск с совпадающими осями моделирует шаровые опоры или шарниры). Выбранные в [189] схемы трения стремятся к воспроизведению условий контакта, возникающих в реальных узлах трения, и перекрывают большинство используемых в вакуумной технике механизмов. С этой точки зрения получаемые на них результаты должны иметь лучшую корреляцию с натурой, чем результаты, получаемые на тестере диск-сфера рекомендуемого VAMAS и который также рекомендуется в [189] но только для технологического контроля триботехнических характеристик материалов. Обращает на себя внимание, тот факт, что все рекомендуемые для специфических применений в [310] схемы трения имеют либо точечный контакт, либо линейный контакт при отсутствии зазоров в сопряжениях. Однако линейный или точечный контакт, в процессе износа может изменять свои размеры и как следствие напряжённо-деформированное состояние. Это играет большую роль при испытании покрытий из-за их относительно малой толщины. В работе [208] показано, что без учёта эволюции контактного давления в подвижном сопряжении жёсткая сфера - упругое покрытие на жёстком основании , корректная интерпретация результатов испытаний на износ затруднена. В то же время при использовании других схем трения ( торец кольца - торец кольца, вращающийся вал с покрытием – втулка и пр.) роста номинальной площади контакта в процессе износа не происходит и изменение напряжённо -деформированного состояния происходит только за счёт уменьшения толщины покрытия. Основным недостатком таких схем трения является возможность возникновения перекосов образцов, при испытаниях вызванных неточностями изготовления и сборки. Возникающие при этом неконтролируемые изменения напряжённо-деформированного состояния твёрдосмазочных покрытий в процессе износа могут значительно больше влиять на результаты испытаний, чем эволюция контактного давления в сопряжении сфера- покрытие в процессе износа.
Контактное взаимодействие сферического индентора с относительно мягким покрытием при его упругих, вязко-упругих и пластических деформациях
Для проверки расчётных оценок характеристик контактного и фрикционного взаимодействия шероховатых поверхностей с ТСП разработан комплект специализированного оборудования для проведения экспериментальных исследований контактного взаимодействия номинально плоских шероховатых поверхностей с ТСП и сопряжений с ТСП типа “вал с ТСП- втулка” при статической нагрузке в составе: испытательного комплекса для исследований контактных деформаций и герметичности нагруженных номинально плоских шероховатых стыков ИДП-3, трибометра СКТ-1 для исследования статического коэффициента трения номинально плоских шероховатых образцов с ТСП, испытательного стенда для исследования термического сопротивления номинально плоского шероховатого контакта с покрытиями, прибора ПКД-П для исследования характеристик контактного взаимодействия сопряжения “вал с ТСП- шероховатая втулка”.
Экспериментальное исследование характеристик контактного взаимодействия номинально плоских шероховатых поверхностей с ТСП проводится на специально разработанном комплексе ИДП-3. Комплекс содержит три функциональных блока: блок нагружения и регистрации контактных деформаций и герметичности; электронный блок измерения контактных деформаций и герметичности; блок поверки регистрирующих и измерительных устройств.
Блок нагружения и регистрации контактных деформаций и герметичности (Рисунок 39) представляет собой винтовой пресс (на рисунке не показан), на столе 1 которого смонтирован корпус блока, выполненный в виде камеры 2 и основания 3. Герметичность камеры при сборке обеспечивается уплотнением 4. В центре основания корпуса блока 3 выполнено отверстие 5, в котором герметично устанавливается нижний образец 6, имитирующий шероховатую поверхность, а верхний образец с ТСП 7 имеет герметизированный подвижный упор 8, предназначенный для компенсации зазоров в измерительных звеньях. Герметичность установки нижнего образца 6 достигается за счёт его прижатия к основанию 3 фланцем 9 трубки 10. Выточка в образце 7 при контакте с образцом 6 образует полость 11. Свободный конец трубки 10 размещён в полости камеры 2. Упругий элемент 12, выполненный в виде сильфона, припаянного к крышке 13 и основанию 3, герметизирует через уплотнение 14 при затяжке гайки корпуса датчика 15 собственный внутренний объём. Упругий элемент 12, установленный на свободной части трубки 10, обеспечивает герметичную установку нижнего образца 6 в отверстии 5 за счёт упругих сил сжатия сильфона. Стержневой толкатель 16 выполнен с лыской и установлен в трубке 10 с возможностью возвратно-поступательного перемещения, а лыска с внутренней поверхностью трубки 10 образует канал 17. Полый корпус датчика перемещений 18 выполнен в виде упругого сильфона 19, имеющего крышку 20, которая герметично, через уплотнение 21, смонтирована на гайке 15. Герметичная полость 22, образованная при этом, сообщена посредством канала 17 с полостью 11. Гайка 15 через втулку 23 при навинчивании по резьбовому сопряжению 24 герметизирует уплотнение 14 на трубке 10. В полости 22 жёстко установлены катушки индуктивного датчика перемещений 25, выдающие сигнал на электронный блок измерения контактных деформаций и герметичности 26. Стержневой толкатель 16 в своей концевой части расположен в полости 22 корпуса датчика 18 и связан с якорем 27 индуктивного датчика перемещений 25, а гайка 28 с плоской пружиной 29 обеспечивает равновесие стержневого толкателя 16 в сборе с якорем 27. Герметизированный подвижный упор 8, выполненный в виде регулировочного винта, взаимодействует со стержневым толкателем 16. Штуцер 30 осуществляет подачу в полости прибора и образцов 11 сжатого воздуха в открытом положении клапана 31, взаимодействующего с пружиной 32 и регулируемого винтом 33. Винт 33 осуществляет свои перемещения в крышке 34, скреплённой с основанием 3, имеющим канал 35, связанный с герметичной камерой 2, и канал 36, связанный с полостью 11 через канал 37 в образце 6. Палец 38 винтового пресса создаёт нормальную нагрузку на образцы.
Блок нагружения и регистрации контактных деформаций и герметичности Устройство работает следующим образом. При сборке устройства герметично устанавливают нижний образец 6 на основание 3, после чего монтируется камера 2, и весь корпус блока в сборе устанавливается на столе 1 винтового пресса. Затем устанавливают верхний образец 7 и вращением упора 9 обеспечивают его контакт со стержневым толкателем 16. Через штуцер 30, открыв клапан 31, соединяют полость камеры 2 и полость образцов 11 с атмосферой. При этом в полости 22 корпуса датчика перемещений 18 также устанавливается атмосферное давление. Через палец 38 винтового пресса создают необходимую нагрузку на образцы 6 и 7, при этом происходит деформация стыков образцов, вызывающая перемещение стержневого толкателя 16 относительно трубки 10, что способствует перемещению якоря 27 индуктивного датчика относительно его катушек 25. Крепление корпуса датчика перемещений 18 на трубке 10 через упругий элемент 12 позволяет исключить ошибку, вызываемую объёмной деформацией образца 6 и неисследуемыми объёмными и контактными деформациями деталей блока нагружения и регистрации контактных деформаций и герметичности под нагрузкой. Для измерения герметичности стыка штуцер 30 подсоединяют к источнику давления. Вращая винт 33, открывают клапан 31 и сжатый газ от источника давления, подаётся по каналу 36 в герметичную камеру 2, а через каналы 35 и 37 – в полость 11, из которой по каналу 17 сжатый газ поступает в полость 22 датчика перемещений 18. При наличии утечки в стыке между образцами 6 и 7 газ из полости 22 через канал 17 уходит в атмосферу. Давление в полости 22 падает, а в полости камеры 2 остаётся постоянным. Под действием возникающего перепада давлений происходит сжатие сильфона 19, вызывающее перемещение катушек индуктивного датчика 25 относительно неподвижного якоря 27, пропорциональное утечке газа через испытуемый стык. Данная конструкция блока нагружения и регистрации контактных деформаций и герметичности защищена А. с. № 1375959. Она обеспечивает повышение точности измерения контактных деформаций и герметичности путём исключения переориентации контактирующих поверхностей.
Оценки характеристик контактного взаимодействия номинально плоских шероховатых поверхностей с ТСП при упругих, пластических и упругопластических деформациях покрытия
Сила трения, возникающая при скольжении тел, имеет две составляющие-молекулярную и механическую. В основе молекулярной составляющей лежит процесс непрерывного возникновения и разрушения адгезионных связей на фактических пятнах контакта, а в основе механической — процесс деформации контактирующих неровностей [120]. Покрытия оказывают существенное влияние на напряжённо-деформированное состояние контактирующих поверхностей и формирование силы трения. Представляет интерес разработка расчётной модели оценки коэффициента трения сферического индентора, скользящего по покрытию, при его упругопластическом деформировании, для дальнейшего её применения при моделировании фрикционного взаимодействия шероховатых поверхностей с ТСП. Это позволит оценить влияние комплекса физико-механических свойств ТСП, нагрузки и толщины покрытия на коэффициент трения.
Будем рассматривать скольжение жёсткого сферического индентора радиуса r, моделирующего единичную микронеровность, по упругопластическому покрытию, жёстко скреплённому с упругим полупространством. В случае, когда скорость скольжения постоянна, силы, действующие на индентор взаимодействующий с покрытием, можно представить так, как это изображено на Рисунке 97. Здесь нормальные и касательные напряжения, распределённые по внедрённой поверхности индентора, приведены к равнодействующим силам, приложенным к центру сечения индентора, ограниченного фактической площадкой контакта радиуса . При рассмотрении фрикционного взаимодействия сферического индентора с упругопластическим покрытием принимаются те же допущения, что и при приближённом решении задачи о вдавливании сферического индентора в упругопластическое покрытие на упругом основании рассмотренное в 3.1.4. Здесь сближение при упругопластическом контакте рассматривается как сумма упругой и пластической составляющих. Причём упругая составляющая определяется при рассмотрении контакта сферы радиусом r с остаточным пластическим отпечатком радиуса , а пластическая как глубина остаточного отпечатка радиуса при идеально пластическом контакте. Рисунок 97. Расчётная схема. В рассматриваемой задаче площадка фактического контакта, определяющая молекулярную составляющую силы трения , формируется за счёт упругопластического внедрения сферического индентора в покрытие. Механическая составляющая силы трения будет состоять из двух компонент — упругой и пластической. При этом упругая компонента механической составляющей силы трения возникает как проекция реакции R, возникающей в результате упругого контакта сферы радиусом r с остаточным пластическим отпечатком радиуса , а пластическая компонента механической составляющей силы трения возникает в результате пропахивания канавки с остаточным радиусом в условиях идеально пластического деформирования покрытия.
Уравнения равновесия сферического индентора, изображённого на Рисунке 97 , в тангенциальном и нормальном направлении можно записать как: (130) где T — сумма проекций тангенциальных сил, действующих на индентор; N — сумма проекций нормальных сил, действующих на индентор; — проекция силы R в тангенциальном направлении; — проекция силы R в нормальном направлении; — проекция молекулярной составляющей силы трения в тангенциальном направлении; — проекция молекулярной составляющей силы трения в нормальном направлении; — проекция пластической компоненты механической составляющей силы трения в тангенциальном направлении; — проекция пластической компоненты механической составляющей силы трения в нормальном направлении.
Учитывая, что коэффициент трение определяется как отношение силы трения, которая для рассматриваемого случая равна сумме проекций тангенциальных сил, к нормальной силе, уравновешивающей проекции нормальных составляющих, на основании (130) можно записать:
В выражении (132) первый член соответствует молекулярной составляющей коэффициента трения, второй член упругой компоненте механической составляющей коэффициента трения, а третий член пластической компоненте механической составляющей коэффициента трения. Проведём оценку пластической компоненты механической составляющей коэффициента трения, которую в дальнейшем будем обозначать как . Будем придерживаться подхода, использованного в [162] для оценки деформационной составляющей коэффициента трения при скольжении сферического индентора по пластически деформируемому полупространству. В этой работе полагается, что проекция нормальных напряжений распределяется по полукругу , а тангенциальных по сегменту , площадь которого равна площади поперечного сечения дорожки трения (Рисунок 98).