Содержание к диссертации
Введение
Состояние проблемы. цель и задачи исследования 19
Динамические характеристики трения. Проблема возникнове ния фрикционных автоколебаний 19
Основной подход при оценке плавности и чувствительности перемещений в металлорежущих станках 28
Основной подход при оценке антискачковых свойств материа лов направляющих станков 31
Задачи совместимости и структурной приспосабливаемости. Общий подход 37
Моделирование кинетики изнашивания при циклических силовых воздействиях 40
Цель и задачи исследования 42
Анализ моделей контактного взаимодействия в процессе трения и износа пар трения сколь жения металлорежущего оборудования 44
Оценка плавности и чувствительности перемещений 44
Определение приведенной жесткости привода 52
Оценка антискачковых свойств триботехнических и смазоч ных материалов направляющих скольжения станков 58
Оценка кинетики изнашивания при циклических силовых воз действиях 62
з Оценка структурной приспосабливаемости и совместимости материалов контактирующих поверхностей 65
Управление процессами, протекающими в трибосопряжениях металлорежущего оборудования, постредством применения активных препаратов фуллероидных наномодификаторов 69
Основные эксплуатационные требования, предъявляемые к смазочным материалам, применяемым в технологическом оборудовании 69
Классификация и основные характеристики активных препа ратов, применяемых к ЖСМ 70
Применение наномодификаторов карбоновой группы (фуллероидных наномодификаторов) для решения триботехниче-
ских задач 84
Общее состояние проблемы получения и использования фуллероидных наномодификаторов 84
Подготовка и способы введения фуллероидных наномодифи каторов в смазочные материалы 89
Механизм работы углеродных фуллероидных наномодифика торов в трибосопряжениях 90
Результаты и выводы по главе 93
Экспериментальные исследования процессов в механических системах с учетом трения скольжения и состояние показателей качества поверхностей 95
Выбор методов и средств триботехнических испытаний и контроля показателей качества поверхностного слоя трибосопряжений 95
Триботехнические стенды 98
Измерительно-вычислительные комплексы контроля параметров качества поверхностного слоя деталей пар трения и свойств ЖСМсАП 101
Стендовые и натурные испытания ЖСМ с АП 106
1. Результаты исследования образцов на стенде модели 77 МТ-1
и стандартной четырехшариковой машине трения ЧШМ 3,2... 107
2. Исследования структурных изменений поверхностных слоев стальных образцов под действием активных препаратов 111
3. Результаты исследования триботехнических характеристик пар трения с использованием в ЖСМ АП ФН на стандартных триботехнических стендах 2070 СМТ-1 и СМЦ-2 115
Оценка реологических характеристик ПСМ содержащих АП... 119
Натурные испытания АП ФН к жидким смазочным материалам на токарно-винторезном станке 123
Результаты и выводы по главе 129
Рациональный выбор состава ап в см системы смазки металлорежущего оборудования 131
Алгоритм автоматизированной системы выбора рационального состава АП в СМ системы смазки 131
Технико-экономическое обоснование эффективности применения в металлорежущем оборудовании индустриального
масла И-20 Н/М, содержащего в своем составе АП ФН. 143
1. Постановка вопроса 143
Методика оценки экономической эффективности применения индустриального масла И-20 Н/М на металлорежущем оборудовании 145
Расчет экономической эффективности применения масла И-20
Н/М на металлорежущем оборудовании 145
Расчет интегрального экономического эффекта и срока окупаемости затрат 147
Результаты и выводы по главе 149
Общие результаты и выводы 150
Литература
- Основной подход при оценке плавности и чувствительности перемещений в металлорежущих станках
- Оценка антискачковых свойств триботехнических и смазоч ных материалов направляющих скольжения станков
- Классификация и основные характеристики активных препа ратов, применяемых к ЖСМ
- Измерительно-вычислительные комплексы контроля параметров качества поверхностного слоя деталей пар трения и свойств ЖСМсАП
Введение к работе
На современном этапе развития производства необходимо обеспечивать рациональное управление процессом механической обработки с целью достижения заданной производительности при получении требуемых параметров точности и качества обработанной поверхности заготовок. Наиболее важным элементом технологической системы является металлорежущее оборудование, при проектировании и эксплуатации которого возникает ряд проблем. Основными из которых, являются проблемы, связанные с процессами трения и износа в сопряжениях. Высокая актуальность связана с невозможностью компенсации последствий проявления трения и износа трибосопряжений известными способами, что приводит к потере работоспособности и снижению эффективности работы станка. Особенно актуально решение данной проблемы для дорогостоящих, сложных станков с ЧПУ и технологических комплексов. Трибосопряжения, образуемые взаимодействующими элементами звеньев механических систем технологических машин, рассматриваются как сложные системы, требующие для исследования и выработки научно обоснованных рекомендаций системного подхода [11, 13, 42, 75, 90].
Металлорежущее оборудование включает, различные механизмы, предназначенные для преобразования движения одного или нескольких тел от источника энергии к исполнительным органам. Входящие в состав механизмов звенья соединяются кинематическими парами, образующие кинематическую цепь. Относительное движение элементов кинематических пар сопровождается процессами трения. Наличие трения в кинематических парах определяет в большинстве случаев эксплуатационные показатели отдельных механизмов и технологического оборудования в целом, в частности: точность и качество механической обработки [67, 109], устойчивость технологической системы [29], производительность механической обработки [16,87], плавность перемещений, энергетические
показатели, показатели долговечности, динамические показатели [17] и пр. Многообразие явлений, сопровождающих процесс трения в различных трибосопряжениях, определяет сложность исследований и разработки на их основе эффективных методов решения инженерных задач, включая задачи нахождения рациональных и оптимальных параметров управления [11, 110].
В настоящее время существует несколько подходов к решению задач, связанных с явлениями при взаимодействии контактирующих тел:
Во-первых, известны методы математического моделирования процессов трения на основе дифференциальных и интегральных уравнений, описывающих контактные деформации и учитывающих процессы на основе механики сплошной среды [39]. Этот подход позволяет качественно оценить процессы, происходящие в зоне трения;
Во вторых, в инженерной практике используются эмпирические методы, которые основаны на условиях регистрации конкретных экспериментальных данных для сопряжений в заданных условиях [9,10, 104]. Подобный подход позволяет количественно оценить процессы, однако в этом случае отсутствует универсальность полученных зависимостей и необходимо отдельно учитывать масштабный фактор;
В третьих для изучения процессов трения и износа, наряду с теоретическими и эмпирическими методами исследования, находит широкое применение теория подобия, соединяющая в себе положительные качества обоих методов исследования - хорошую достоверность результатов экспериментального и большую общность теоретического метода [37]. Результаты экспериментов в теории подобия обрабатываются с помощью безразмерных комплексов (критериев подобия). Критерии подобия включают основные параметры изучаемого процесса. Их находят путем специального анализа общих уравнений теории процесса, записанных в дифференциальной или в конечной формах.
Необходимо также отметить, что процесс трения к настоящему времени является достаточно широко изученным. Разработан ряд моделей
трения в контакте твердых тел и соответствующих подходов в их исследовании. Однако возможность применения этих моделей трения для конкретных инженерных расчетов весьма ограничена, поскольку требует учета специфических условий работы узла. Сложности в разработке адекватных моделей, прежде всего, обусловлены многоплановостью проявления процесса трения и изнашивания, необходимостью учета значительного количества факторов, предъявляемыми требованиями оптимизации процесса трения относительно многих критериев. При оценке качества работы узлов трения чаще всего пользуются характеристиками — критериями, полученными на основе анализа процесса трения на макроскопическом уровне,— в рамках механики сплошных сред [39,]. К таким критериям относятся значение коэффициента трения, уровень интенсивности изнашивания, удельная работа разрушения, критическое давление и температура заедания и т. п. Каждый из указанных критериев может служить лишь необходимым, но не достаточным условием квазиоптимального режима работы трибосопряжения. Кроме того, даже в рамках упомянутого ограничения различные феноменологические критерии обладают неодинаковой степенью универсальности. Наиболее общим среди них обычно признается известное правило знака градиента механических свойств материала контактирующих тел по их глубине [1,2,3,14]. Многочисленные опыты [14] показывают, что при положительном градиенте устойчивый режим работы трибопары, как правило, сопровождается гораздо меньшим износом сопряженных поверхностей, чем при отрицательном знаке градиента. Одним из способов, приводящих к появлению устойчивого положительного градиента механических свойств, является использование в качестве смазочной среды смазочных материалов, содержащих активные препараты (АП), не являющиеся присадками. В этом случае отличная по своим физико-химическим свойствам, чем исходный материала пленка, самовоспроизводящаяся в процессе трения образуется на контактирующих поверхностях трибопары благодаря эффекту адсорбционного
взаимодействия, а также некоторых сопутствующих электрохимических реакций [5, 108, 129].
Для постановки и решения задач достижения заданной работоспособности современного технологического оборудования необходимо разработать комплексный подход, основанный на положениях теории, определяющей ключевые характеристики рассматриваемого процесса трения и изнашивания. Такой подход, используя достижения существующих моделей трения, описывающих отдельные аспекты процесса, позволит с достаточной полнотой отобразить в задачах синтеза разнообразные критерии, применением которых можно определить необходимые технические параметры, гарантирующие работоспособность узлов трения технологического оборудования. Данная работа посвящена разработке эффективных методов повышения работоспособности металлорежущего оборудования на основе применения АП - фуллероидных наномодификаторов (ФН) к жидким смазочным материалам (ЖСМ) системы смазки станка.
Объект исследования. Объектом исследования в диссертации являются трибосопряжения узлов металлорежущего оборудования, работающие в условиях граничного трения и при ограниченном доступе смазочного материала в зону трения, работа которых соответствует параметрам работоспособности в течение регламентированного срока службы станка.
Для достижения требуемой работоспособности необходимо использование многоуровневых моделей, которые с достаточной полнотой позволят отразить особенности работы трибосопряжения металлорежущего оборудования, а также, в случае необходимости, внести в процессе эксплуатации необходимые изменения условий трибоконтакта за счет введения смазочных материалов содержащих активные препараты -фуллероидные наномодификаторы.
Таким образом, исследуются важнейшие аспекты проблемы управления процессом контактного взаимодействия пар сухого и граничного трения, решение которой позволит улучшить работоспособность и обеспечить надежность работы трибосопряжений технологического оборудования.
Целью диссертационной работы. Основной целью исследований, выполненных в работе, является повышение работоспособности узлов металлорежущего оборудования, включающих силовые фрикционные пары за счет применения активных препаратов - фуллероидных наномодификаторов к смазочным материалам системы смазки.
Методы исследований. В работе использованы эмпирические и теоретические методы исследования, включая методы теории подобия. Решения задач базируются на полученных в диссертации экспериментальных данных и известных теоретических положениях теории трения и изнашивания, принципах прикладной механики, технологии машиностроения, теории сопротивления материалов и математической статистики.
Научная новизна результатов исследований.
Предложена научно обоснованная модель процесса трения скольжения при наличии АП ФН в ЖСМ в качестве основы для выполнения комплекса исследований по достижению заданных параметров работоспособности трибосопряжений металлорежущего оборудования.
На основе экспериментальных данных предложена модель влияния АП ФН в ЖСМ на параметры процесса трения и формирование параметров качества при эксплуатации трибосопряжения.
На основе предложенной модели разработан алгоритм системы адаптации АП в ЖСМ к параметрам процесса трения и параметрам качества контактирующих поверхностей. Разработанный алгоритм адаптации позволяет на этапе триботехнических и натурных испытаний учесть влияние основных физико-химических характеристик АП, в зависимости от их
11 концентрации и введения в ЖСМ, на работоспособность пар трения скольжения металлорежущего оборудования.
Разработаны методы комплексной оценки показателей качества поверхностного слоя пар трения, основанные на использовании триботехнических стендов, специальных аппаратных средств и новых измерительно-вычислительных комплексов (ИВК).
Предложен применительно к трибосопряжениям метод модификации АП ФН смазочных материалов, используемых в металлорежущем оборудовании.
Практическая ценность работы заключается в следующем:
Разработанная система адаптации АП в ЖСМ, применяемых в металлорежущем оборудовании, позволяет обеспечить высокую работоспособность пар трения скольжения при жестких ограничениях на эксплуатационные параметры, параметры процесса трения, качества и точности контактирующих поверхностей.
Система, работая совместно с ИВК «Профиль», позволяет осуществлять оценку микрогеометрии поверхности; работая совместно с ИВК «Latimet Automatic», позволяет проводить визуальный мониторинг поверхностей трения и оценку микротвердости; с ИВК «Износ» -осуществлять оценку триботехнических характеристик ЖСМ и пар трения; с ИВК «ПИРСП» - осуществлять оценку реологических свойств ЖСМ и пластичных смазочных материалов (ПСМ). При работе с информатизационной системой «Thixomet Standard» производится металлографическая оценка поверхностей трения.
Достоверность и обоснованность результатов исследования обусловлены использованием фундаментальных положений физики твердого тела, положений динамики механических систем, корректных математических моделей процессов трения, применением эффективных вычислительных методов и средств программного обеспечения для ПЭВМ. Научные положения и выводы, полученные аналитически, подтверждены
экспериментально и положительными результатами применения в
производственных условиях. Достоверность результатов исследования
контактных взаимодействий трибосопряжений подтверждена
удовлетворительным соответствием результатов с основополагающими решениями, полученными в работах по процессам трения в трибосопряжениях технологических систем механической лезвийной обработки, а также результатами исследований других авторов. Новизна выполненных технических решений подтверждается соответствующими техническими актами, приложенными в работе. На защиту выносятся;
Результаты теоретических и экспериментальных исследований параметров пар трения скольжения и эксплуатационных характеристик качества работы трибосопряжений металлорежущего оборудования.
Принцип действия и конструкции триботехнического стенда «Износ», а также приспособления для накатывания износостойких покрытий, выполненного на базе токарного станка, методики измерения с применением ИВК для оценки параметров качества поверхностного слоя деталей пар трения «Профиль», «Latimet Automatic».
Предложенная модель процесса трения и изнашивания, учитывающая с необходимой полнотой влияние АП в ЖСМ на параметры трения и износа трибосопряжений.
Система комплексного мониторинга параметров качества и диагностики состояния поверхностного слоя пар трения для обеспечения управления процессом трения и износа деталей трибосопряжений металлорежущего оборудования.
Выдвинутая, экспериментально обоснованная и инструментально подтвержденная модель действия АП ФНшЖСМк поверхности трения.
Созданная и апробированная на практике эффективная система адаптации АП в ЖСМ на основе дифференцированного учета физико-химических свойств АП ФН.
Личный вклад автора. В диссертации изложены результаты исследований, полученные автором самостоятельно, а также совместно с сотрудниками ГОУ ВПО ПИМаш - В.М. Петровым, В.А. Никитиным, Д.В. Васильковым; ГОУ ВПО СПбГПУ - С.Г. Чулкиным, При этом лично автору принадлежат:
обоснование направления исследований, постановка задач и разработка методологии исследований;
планирование и проведение экспериментальных исследований, связанных с триботехническими испытаниями на триботехнических стендах, металлорежущем оборудовании и комплексной оценкой параметров качества на приборах и ИВК;
разработка модели для оценки комплексного влияния ATI ФН на проектируемые антифрикционные материалы, смазочные материалы и покрытия;
обобщение экспериментальных исследований, построение на их основе моделей и установление основных закономерностей исследуемых процессов;
разработка и внедрение ресурсосберегающих технологий в промышленности на основе АП ФН.
Реализация результатов работы. Предложенные методы комплексной оценки основных эксплуатационных параметров качества трибосопряжений и методы проектирования конструкционных смазочных материалов, покрытий триботехнического назначения и смазочно-охлаждающих технологических средств (СОТС) нашли применение:
в станкостроении и в энергетическом машиностроении при проектировании индивидуальных ответственных пар трения «металл -металл», «металл - композиционный материал» (ОАО «Санкт Петербургский Завод прецизионного станкостроения», ОАО Концерн «Силовые машины» ЛМЗ);
в машиностроении на операциях механической лезвийной обработки, при разработке новых масляных СОТС и СОТС на водной основе, содержащих наномодификаторы карбоновой группы фуллероидные материалы (ОАО Концерн «Силовые машины» ЛМЗ, ЗАО Завод «Композит»).
Кроме того, учитывая общность рассматриваемых проблем в транспортном машиностроении, реализация результатов исследований осуществлена:
при отработке технологий применения антифрикционных препаратов к жидким смазочным материалам двигателей внутреннего сгорания на этапах триботехнических и стендовых испытаний (ГОУ ВПО СПбГПУ, кафедра ДВС, ФГУП ВНИИЖТ г. Москва, ФГУП ВНИКТИ г. Коломна);
на железнодорожном и автомобильном транспорте при разработке новых жидких и пластичных смазочных материалов (ФГУП Русэкотранс).
Материалы диссертации внедрены в учебный процесс и использованы при подготовке профилирующих дисциплин на технологическом факультете ГОУ ВПО ПИМАШ, таких, как:
«Триботехника» - по разделу «Применение модификаторов и антифрикционных препаратов для создания триботехнических материалов с особыми свойствами».
«Взаимозаменяемость и стандартизация» и «Метрология» - по разделу «Методы и средства контроля параметров точности и качества».
«Основы технологии машиностроения» - по разделу «Влияние параметров точности и качества на основные эксплуатационные характеристики пар трения ».
Апробация работы. Результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались в период с 2000 г. по 2005 г. на ряде научно -технических конференций, симпозиумов, совещаний и семинарах: Международной научно - практической конференции "Качество
поверхностного слоя деталей машин" (г. С.-Петербург, 2003); «Fullerenes and
Atomic Clasters», 4th Biennial International Workshop in Russia; IWFAC*99
(1999, St.Petersburg, Russia); Международной научно-практической
конференции "Автоматизация технологических процессов в
машиностроении. Режущий инструмент и оснастка" (г. С.-Петербург, 2003); Международной научно- практической конференции "Технологии третьего тысячелетия" (г. С.-Петербург, 2003); Международной научно-практической конференции, посвященной 300 - летию Санкт-Петербурга: «Безопасность водного транспорта» (г. С.-Петербург, 2003); Международном симпозиуме по транспортной триботехнике «Триботехника на транспорте»; «Транстрибо-2001, 2002, 2005» (г. С.-Петербург, СПбГТУ, 2001, 2002, 2005); 6-ой Международной практической конференции - выставке «Технологии ремонта, восстановления, упрочнения и обновления машин, механизмов, оборудования и металлоконструкций»; ФГУП «Рособоронэкспорт» ДГУП «Гранитный» (г. Североморск, 2002); на V съезде Российского Автотранспортного Союза и Расширенного заседания Совета Службы автомобильного и городского транспорта и транспортной инспекции Министерства Транспорта России (г. Москва, 2003); ФГУП ПКБ ЦТ МПС (г. Москва, 2003); ГУП Московский метрополитен (г. Москва, 2004); ФГУП ВНИКТИ (г. Коломна, 2004), ФГУП ВНИИЖТ (г. Москва, 2004).
Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 11 печатных работы.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы из 136 наименований и содержит 179 страниц текста, включая 9 таблиц, 51 рисунок и три приложения, которые подтверждают работоспособность разработанных алгоритмов и внедрение результатов диссертационной работы на отраслевом и региональном уровнях.
В первой главе дается анализ проблемы, связанной с обеспечением требуемой работоспособности технологического оборудования. Анализ
16 результатов исследований позволил установить существенное влияние процессов трения на динамику технологической системы. Поэтому процессы резания и трения в технологических системах, имея много общего, начиная от основополагающих работ В.А. Кудинова, рассматриваются в общей постановке.
Влияние динамических процессов на характеристики трения и формирование характеристик трения в процессе воздействия подсистем технологической системы может рассматриваться как дальнейшее развитие исследований. При этом в качестве исходных положений принимаются:
немгновенность распространения воздействий в фрикционных сопряжениях при изменениях режимов движения (что в простейшем случае отражается постоянными времени, входящими в уравнения процессов);
формирование характеристик трения в фрикционных соединениях с учетом реологических процессов, протекающих в тонком поверхностном слое с учетом влияния промежуточного (третьего) тела;
формирование условий управления процессами контактного взаимодействия с целью достижения оптимальных (квазиоптимальных) динамических характеристик системы.
Кроме вышеизложенного в главе представлены основные моменты, связанные с процессами износа и его оценкой, роблеммами структурной приспосабливаемости и совместимости триботехнических и смазочных материалов, а также оценкой влияния пленочного голодания (ПГ) на процессы трения и износа.
В соответствии с этим сформулированы цель и поставлены задачи исследований.
Во второй главе представлены результаты анализа контактных взаимодействий в процессе трения и износа при наличии смазочного материала, содержащего АП и разработаны алгоритмы для решения комплекса задач применительно к различным технологическим системам, учитывающие структурные и конструктивные особенности
соответствующего оборудования. Анализ контактного взаимодействия, выполненный на основе обобщенной модели, предусматривает следующую последовательность действий: оценка плавности и чувствительности перемещений, определение приведенной жесткости привода, оценка антискачковых свойств триботехнических материалов и смазочных материалов, оценка кинетики изнашивания при циклических силовых воздействиях и оценка структурной приспосабливаемости и совместимости контактирующих поверхностей. Изложенная последовательность действий при оценке характеристик контактного взаимодействия элементов позволяет составить достаточно полную картину и составляет основу для принятия решения о рациональном выборе смазки и соответствующего АП.
В третьей главе проведен анализ существующих АП, применяемых к ЖСМ, и их разделение по структуре входящих в состав активных составляющих, характеру действия и основным активным компонентам, оказывающим воздействие на поверхности трения. На основании анализа предложена классификация АП, обозначены характеристики основных представителей АП, применяемых к смазочным материалам. Представлены структуры фуллероидных наномодификаторов. Обосновано применение фуллероидных наномодификаторов карбоновой группы для решения триботехнических задач. Представлены модели влияния ФН на зону трибоконтакта, триботехнические и смазочные материалы. Предложен алгоритм подготовки и введения фуллероидных наномодификаторов в ЖСМ.
В четвертой главе представлены результаты анализа процессов в механических системах оборудования с учетом влияния трения. В главе приведены данные основных спроектированных стендов, приспособлений и ИВК, а также результаты экспериментальных исследований влияния АП ФН в ЖСМ на работоспособность пар трения выполненных из материалов триботехнического назначения применяемого в современном станкостроении. Для оценки достоверности теоретических разработок и
результатов имитационного моделирования выполнен комплекс
экспериментальных исследований динамических характеристик
трибосопряжений и показателей качества поверхностного слоя поверхностей
трения с использованием перечисленных ИВК и методов физических
исследований (рентгеноструктурного анализа, электронной микроскопии,
металлографии), а также натурных испытаний технологического
оборудования. При исследовании состояния поверхностного слоя образцов и
деталей пар трения были получены скоррелированные с динамическими
характеристиками параметры и функции, которые показали высокий уровень
значимости динамических характеристик трибосопряжений
металлорежущего оборудования при наличии АП ФН в ЖСМ.
В пятой главе рассмотрены вопросы адаптации АП ФН к ЖСМ, применяемым в системе смазки металлорежущего оборудования. Установлено, что задача адаптации должна решаться комплексно, начиная с проектирования станка и учитывая особенности эксплуатации оборудования. Для решения задачи улучшения работоспособности металлорежущих станков разработана система адаптации АП ФН к ЖСМ, позволяющая совместно с моделями, корректно выбранными триботехническими испытаниями, инструментальными методами оценки параметров качества и точности на ИВК, металлографическими исследованиями и натурными испытаниями технологического оборудования добиться заданной экономически эффективной производительности и требуемого качества и точности обработанных заготовок. В главе также проведена оценка экономической эффективности применения АП ФН в ЖСМ на примере обработки заготовок на токарном станке. Сформулированы основные результаты и выводы по работе.
В работе приняты следующие обозначения: АП - активные препараты изменяющие условия трения; ФН - фуллероидные наномодификаторы; СМ-смазочный материл; ЖСМ- жидкий смазочный материл; ПСМ- пластичный смазочный материл ИВК- измерительно-вычислительный комплекс; СОТС-смазочно-охлаждающее технологическое средство; СП - структурная приспосабливаемость; ТП - трибопара; ТОН - технологические остаточные напряжения; ПГ- пленочное голодание МС - металлорежущий станок.
Основной подход при оценке плавности и чувствительности перемещений в металлорежущих станках
Реальный привод, осуществляющий перемещение узла по направляющим скольжения, является упругой системой. Для каждой такой системы в зависимости от ее жесткости, характеристик контактирующих поверхностей, их смазки и других факторов, существует, так называемая, критическая скорость относительного скольжения. Если скорость перемещения узла, превышает критическую, то после трогания с места при значительном демпфировании в приводе возникают затухающие колебания, не сопровождающиеся остановками. Через некоторое время движение становится равномерным.
При скоростях скольжения, меньших критической скорости, возникает неравномерное скачкообразное движение, снижающее точность перестановки узла. Такие скорости определяются как малые, а перемещения с этими скоростями называются медленными [22, 23].
Механизм возникновения скачкообразного скольжения можно представить следующим образом: при постепенном нарастании сдвигающей силы сначала наблюдается так называемое предварительное смещение перемещаемого узла в направлении этой силы, скорость которого значительно ниже средней скорости подачи. При этом в деталях привода накапливается упругая энергия деформации. Когда сдвигающее усилие достигает величины трения покоя, начинается движение перемещенного узла. Так как кинетический коэффициент трения ниже коэффициента трения покоя, то в момент начала движения оказывается, что сдвигающее усилие значительно превосходит силу трения скольжения. В результате перемещаемый узел получает значительное ускорение и происходит скачок, как это показано на рис. 1.2 [22, 30, 31]. Величина силы трения определяется из выражения SF Fv-Fo, (1.13) где Foo - сила трения при весьма продолжительном неподвижном контакте; F0 - сила трения движения.
Средняя скорость перемещения узла за время скачка может значительно превосходить среднюю скорость подачи. Указанное приводит к быстрому уменьшению сдвигающего усилия, действующего на перемещаемый узел. Когда сила трения превзойдет сдвигающее усилие, начинается замедленное движение перемещаемого узла, оканчивающееся полной его остановкой, Затем процесс повторяется. Естественно, что чем больше жесткость привода, тем меньше будут скачки перемещаемого узла, так как при этом требуется меньшее перемещение в процессе скачка для достижения равновесия силы трения и сдвигающего усилия.
Установлено, что величина первого скачка несколько больше последующих [24, 130] при этом чувствительность механизма оценивается минимальным расстоянием, на которое можно переместить узел.
К основным средствам борьбы со скачкообразным движением в направляющих скольжения относятся [30, 50, 69, 82, 83, 84]: - увеличение жесткости привода; - применение специальных смазок с активными препаратами; - принудительное высокочастотное осциллирование; - применение специальных разгружающих устройств с элементами качения; - уменьшение перемещаемых масс.
Вопросам, связанным с плавностью перемещения приводов и задачам динамического трения посвящено достаточно большое количество работ, среди которых необходимо выделить работы Н.Л. Кайдановского, С.Э. Хайкина А.Ю. Ишлинского, И.В. Крагельского, Ю.И. Костерина, Б.В. Дерягина, В.Э. Пуша, Д.М. Толстого, А.В. Кудинова, Ле Суан Аня, М.Е.Эльясберга, В.Л. Вейца и В.В. Максарова и др. [22, 30, 45, 62, 63, 64, 77].
Анализ результатов исследований позволил установить существенное влияние процессов трения на динамику технологической системы. Поэтому процессы резания и трения в технологических системах, имея много общего, начиная от основополагающих работ В.А. Кудинова, рассматриваются в общей постановке.
Влияние динамических процессов на характеристики трения и формирование характеристик трения в процессе воздействия подсистем технологической системы может рассматриваться как дальнейшее развитие исследований. При этом в качестве исходных положений принимаются:
немгновенность распространения воздействий в фрикционных сопряжениях при изменениях режимов движения (что в простейшем случае отражается постоянными времени, входящими в уравнения процессов);
формирование характеристик трения в фрикционных соединениях с учетом реологических процессов, протекающих в тонком поверхностном слое с учетом влияния промежуточного (третьего) тела;
формирование условий управления процессами контактного взаимодействия с целью достижения оптимальных (квазиоптимальных) динамических характеристик системы.
Оценка антискачковых свойств триботехнических и смазоч ных материалов направляющих скольжения станков
Оценка антискачковых свойств триботехнических материалов и смазочных материалов направляющих скольжения станков проводится на основе моделей, предложенных В.А. Кудиновым, И.В. Крагельским и Н. В. Гитисом [36, 74, 76, 77]. Модель представлена в виде алгоритма 2.3. # Алгоритм 2.3. Для реализации алгоритма необходимо выполнить следующие действия:
1. Проанализировать начальное состояние системы (вид пары трения, характеристика пленки смазочного материала на поверхности, вид и форма пятна контакта, его протяженность, скорость перемещений).
2. Определить параметры пленочного голодания при разных скоростях скольжения (время существования элементарного участка фактического касания (//и), время полного износа пленки (М/), время полного восстановления пленки (s/v)).
3. Экспериментально определить параметры модели пленочного голодания на ползунковом стенде 77МТ-1 и в последующем оценить параметры микрогеометрии поверхности на ЯЛА" «Профиль» [53].
4. Построить зависимости для коэффициента трения/в режиме пленочного голодания: /= F(l) и/= F(s), где / и s - средние значения протяженности участков фактического касания и расстояние между ними в направлении скольжения, а также квазистатическую характеристику трения /= F(t„),f = F(v) - зависимости / от скорости скольжения V, и продолжительности неподвижного контакта tn [36].
5. Оценить комплексный параметр фрикционных автоколебаний (количество ft — ft испытаний без автоколебаний, выраженное в %) а = -100%. п
6. Построить зависимости показателей пленочного голодания от параметров трения, a=F(l); cc=F(Af); oc=F(k); cc=F(fcp) с определением характеристик антискачковых свойств, где Af - разность между коэффициентом трения /пг при пленочном голодании и/ц в режиме нормальной смазки Af=fnr -fu, fcp, А: - параметры антискачковых свойств, гдр/ср=- (fd+f0+fc); k=fo/fd, где fd - динамический коэффициент трения при минимальной скорости скольжения, /0 - коэффициент трения после остановки /с - статический коэффициент трения при времени остановки более 60с. На основании этого сформировать базу данных и архив.
Разработанный алгоритм 2.3 «Оценки антискачковых свойств триботехнических и смазочных материалов направляющих скольжения станков», представленный на рис. 2.7. Формирование начальных данных: пара трения, характеристики пленки, пятна контакта, протяженность скорости перемещений
Определение параметров ПГ при разных скоростях скольжения: - времени существования элементарного участка (1/и) - времени полного износа пленки (h/u) - Времени ПОЛНОГО ВОССТаНОВЛеНИЯ пленки /и) Экспериментальное определение модели ПГ на ползунковом стенде 77МТ-1 оснащенного датчиками -пьезоакселерометрами Построение зависимостей ПГ (коэффициента трения и параметров ФА) от / и S;f=F(l);f=F(S) "Определение статодинамической характеристики трения f=F(v,tmP) а = 100% НЬ п-пь ценка комплексного параметра ФА - а, Оценка приближенной характеристики антискачковых свойств: отличные а 95%, хорошие 75% а 95% удовлетворительные 25% а 75% неудовлетворительные 10% а 25% свойства отсутствуют а 10% Построение зависимостей показателей ПГ от параметров трения: A=F(l); a=F(Af); a=F(k); a=F(fcmp) "Определение характеристики антискачковых свойств Af,fcp, к Af=fm-fm fcmp= - fd+fo+ fcl k=fjfd Анализ антискачковых свойств: - высокие при:/ф 0,12; к 1,004/ 0,008 - отсутствуют:/ср 0,28; к 1,014 4А0,022 Оценка площади контакта поверхности образцов трения с помощью ИВК «Профиль» Формирование базы данных и архива согласно триботехническим испытаниям и расчетам
Классификация и основные характеристики активных препа ратов, применяемых к ЖСМ
Металлосодержащие АП. «Реметаллизанты» - составы, в которых в нейтральном носителе, полностью растворимом в СМ, содержатся чистые или сплавы мягких металлов (медь, бронза, кадмий, олово и др.) так и твердых (никеля, хрома) [38, 127]. Эти АП при попадании в зону трения заполняют пространство между микронеровностями, благодаря чему создается так называемый «плакирующий» слой, восстанавливающий поверхность [6, 38, 127]. Применение металлосодержащих АП в зонах трения широко изучено применительно к меди и медьсодержащим порошкам металлов. Имеется научное открытие, сделанное под руководством Д.Н.Гаркунова, эффект безызносности [34, 35], основанный на образовании сервовитной пленки при трении стали по определенным медным сплавам (например, по некоторым бронзам и латуням) в ряде сред (прежде всего в глицерине, спиртоглицериновых средах и т.д.). Сервовитная пленка толщиной 1...2 мкм, имеет низкую прочность на сдвиг и не наклёпывается при трении. Поверхностная твердость и износостойкость слоя существенно ниже соответствующих параметров основы - стали или чугуна, из которых изготовлены детали трибосопряжения, поэтому для его существования необходимо постоянное присутствие «реметаллизанта» в СМ. Замена СМ в данном случае быстро исключает эффект от начальной обработки. Более того, даже кратковременное отсутствие препарата в СМ системе механизма приводит к «удалению» защитного слоя, например, с поверхности, особенно на пусковых режимах. Поэтому периодически наблюдаются случаи заклинивания механизмов после обработки этими препаратами [38, 127]. Реметаллизанты для механизма характеризуются своего рода «привыканием»: любая попытка отказа от использования этих препаратов негативно влияет на узел трения - вплоть до необходимости выполнения капитального ремонта, связанного с заменой деталей пары трения. В то же время, обработка механизма «реметаллизантами» способна дать быстрый и достаточно заметный эффект в восстановлении, например, для двигателя -«компрессии», снижении расхода топлива и масла, поскольку формирование защитного слоя на поверхности не требует длительного времени работы узлов трения в присутствии АП, а степень воздействия легко регулируется изменением концентрации препарата. Однако, срок действия этого эффекта обычно мал. Необходимо развить технологию плакирования поверхностей трения мягкими металлами путем дополнительной защиты сформированного слоя. Отметим, что в настоящее время подобных разработок пока не существует. Вторая проблема, связанная с использованием «реметаллизантов», это их осаждение не только на поверхностях трения, но и закрытых полостях системы смазывания механизма, и удалить их оттуда практически невозможно. Подобное явление происходит из-за достаточно больших размеров частиц до десятков мкм и способности их образовывать коагуляты. Присутствие «реметализантов», например ультрадисперсного порошка меди, приводит к интенсификации процессов электрохимической коррозии из-за разности потенциалов в смазочной среде.
Препараты группы «реметаллизантов» достаточно дешевы, что определяет их широкое распространение на рынке России. Однако и нестабильность результатов при обработке механизмов внутри одной группы, определяемая отсутствием четко обозначенной технологии использования препаратов в разных СМ, а также отмеченными выше особенностями их физико-химических свойств, создает негативную репутацию всей группе АП.
Политетрафторэтилен (ПТФЭ) содержащие АП. Аналогичным образом дело обстоит и с ПТЭФ - содержащими препаратами [38, 99, 127]. Данные препараты являются достаточно дорогими. Этот обстоятельство является одним из определяющих, поскольку требуется обязательное использование АП при каждой замене СМ. Основой данных АП является политетрафторэтилен (ПТФЭ) - тефлон, разработанный фирмой «Дюпон» в тридцатых годах прошлого столетия. Это хороший антифрикционный материал, который начинает эффективно работать практически сразу после попадания в зону трения. Механизм сцепления тефлонового антифрикционного слоя с микрорельефом поверхности детали носит механический характер, что в совокупности с низкой адгезией к поверхности трения определяет нестойкость тефлоновых покрытий. Тефлон с поверхности трения удаляется путем механического соскабливания, в частности, с направляющих. Кроме того, тефлон активно разлагается под воздействием повышенных температур (до 400С). Для эффективной работы данного типа АП также необходимо его постоянное присутствие в СМ. Помимо изложенного выше, тефлон являясь диэлектриком, ведет себя в зоне трения как теплоизолятор. Из-за диэлектрических свойств при трении происходит накопление статического электричества и, как следствие, перенос металла пары трения на контактирующие поверхности. Режим трения пары металл-фторопласт заменяется парой металл-металл и сопровождается микроразрушением контактирующих поверхностей [99].
В целом, использование препаратов тефлоновой группы могло бы быть эффективным при создании совместной технологии, включающей плакирование поверхности трения мягкими металлами с последующей защитой слоя тефлоном (например, отдельных типов направляющих, редукторов и пр., т.е. его применение оправдано в машинах, где отсутствует воздействие повышенных температур).
Измерительно-вычислительные комплексы контроля параметров качества поверхностного слоя деталей пар трения и свойств ЖСМсАП
Проведение натурных испытаний на реальных объектах новых разработанных фрикционных и антифрикционных материалов или смазочных композиций является обычно трудоемкими и дорогостоящими. Поэтому для определения рационального состава АП в ЖСМ или параметров качества поверхностного слоя антифрикционного материала на практике широко используются различные стенды, машины трения, а также специальные приспособления и оснастка, устанавливаемая на технологическом оборудовании для проведения экспресс-триботехнических испытаний.
Условно все триботехнические испытания можно разделить на две группы: испытания, проводимые на машинах трения, и натурные испытания на реальных объектах в целом [112, 113].
Схемы испытания, машины трения и характеристики износа различаются по кинематическому признаку. При этом целесообразно использовать классификацию, предложенную И.В. Крагельским [74]. В соответствии с данной классификацией (см. рис. 4.1) машины трения делятся на машины возвратно - поступательного и поступательного движения. Кроме того, внутри каждого класса имеется две группы: машины торцевого трения и трения по образующей. На стендовых испытаниях необходимо обеспечить одинаковые условия образования пленок на поверхности и тепловой режим образцов. В связи с этим для унификации результатов лабораторных испытаний на машинах трения применяют устройства, обеспечивающие испытания образцов с коэффициентом взаимного перекрытия Квз [74], стремящимся к единице или нулю (см. рис. 4.2). В реальных трибосопряжениях пары трения значения Квз располагаются между этими двумя пределами. Под коэффициентом взаимного перекрытия (Квз) понимается отношение контурных площадей трения контактирующих элементов пары трения к квадрату условной контурной площади трения, получаемой перемещением этих элементов вокруг центра вращения.
Восемь типов машин [74] (или схем), трения позволяют производить испытания с сохранением различных видов разрушения поверхностей трения, так как характеры разрушения и степень износа при поступательном и возвратно-поступательном движении и различных коэффициентах перекрытия существенно отличаются. Перед началом испытаний необходимо классифицировать исследуемую пару трения по параметру коэффициента перекрытия и схеме движения. Установки 2 4 ТорцеЬого В качестве характеристик износа, в зависимости от схемы могут быть приняты: 1) абсолютный износ за определенное время или путь трения; 2) удельный относительный износ, 3) смятие - изменение диаметра кольца; 4) диагональ отпечатка алмазной пирамидки; 5) относительный размерный износ; 6) размерный износ.
На этапе разработки новых фрикционных и антифрикционных материалов и смазочных композиций разработчиками используются, в основном, триботехнические испытания, выполняемые на машинах и стендах трения (группа один) [112]. Ниже приведено описание триботехнических приспособлений, устанавливаемых на технологическом оборудовании, методик обработки данных на ИВК, которые позволяют провести комплексные испытания ЖСМ с АП и результаты испытаний АП ФН в ЖСМ на стандартных машинах трения и натурные испытании на токарно-винторезном станке.
Оценка основных динамических и триботехнических характеристик, а также параметров качества и реологических свойств смазочных композиций осуществлялась с помощью программно-аппаратных комплексов в составе ИВК «Профиль», «Latimet Automatic», «ПИРСП», информатизационной системой «Thixomet Standard» для металлографической оценки поверхностей трения. Исследования микроструктуры ФН и поверхностей трения проводились на электронном микроскопе модели «JEM - 100С» и растровом электронном микроскопе «JSM-35CF» [7, 133, 134].
