Системный анализ и синтез процессов, происходящих в металлополимерных узлах трения фрикционного и антифрикционного назначения Колесников Игорь Владимирович

Содержание к диссертации

Введение

Глава 1. Анализ современных представлений о природе трения и механизме изнашивания металлополимерных трибосистем фрикционного и антифрикционного назначения 17

1.1 Основные закономерности и синергетические аспекты фрикционного взаимодействия металлополимерных трибосистем 19

1.2 Влияние температуры на фрикционные характеристики металлополимерных трибосистем 25

1.3 Электрические явления на трибоконтакте и их роль в механизме износа металлополимерного сопряжения 29

1.4 Диффузионные и сегрегационные явления в металлополимерных трибосистемах 36

1.4.1 Роль диффузионных процессов в механизме трения и износа металлополимерного сопряжения 37

1.4.2 Сегрегационные явления при трении 42

1.5 Фрикционный перенос и явления самоорганизации при трении 45

1.6 Явления и процессы, протекающие при трении покоя 54

1.7 Выводы. Концепция диссертационной работы. Задачи исследований 57

ГЛАВА 2. Исследование влияния температурного поля на физико-механические, теплофизические и трибологические характеристики металлополимерных сопряжений фрикционного и антифрикционного назначения 63

2.1 Исследование влияния температуры на физико-механические свойства полимеров 65

2.2 Исследование зависимости теплофизических характеристик полимеров от температуры 71

2.3 Влияние температурных и эксплуатационных факторов на трение и износ полимеров 79

2.4 Моделирование процессов теплообмена в дисковых тормозных системах подвижного состава 93

2.5 Моделирование контактного взаимодействия в колодочных тормозных системах подвижного состава 107

2.6 Выводы 110

ГЛАВА 3. Исследование трибоэлектрических явлений на фрикционном металлополимерном контакте 112

3.1 Разработка методики измерения контактной разности потенциалов в металлополимерных сопряжениях 112

3.2 Исследование влияния величины и направления электрического поля в зоне трения на износостойкость металлополимерного сопряжения 123

3.3 Физические аспекты трибоэлектризации металлополимерных трибосистем 128

3.4 Исследование процесса трибоэлектризации металлополимерного сопряжения методом неравновесной термодинамики 132

3.5 Выводы 137

ГЛАВА 4. Исследование сегрегационных и диффузионных процессов в металлополимерных трибосистемах 139

4.1 Исследование влияния температурного и электрического полей на диффузионные процессы в металлополимерных трибосистемах 140

4.2 Строение межзёренных границ и формирование зернограничных сегрегаций (ЗГС) 149

4.3 Исследование влияния ЗГС на износостойкость металлополимерных сопряжений 160

4.3.1 Разработка методики исследования ЗГС 161

4.3.2 Влияние ЗГС на износостойкость поликристаллических материалов 163

4.3.3 Выбор кластерной модели 164

4.3.4 Методика расчёта энергии связи кластеров, включающих сегрегированные и адсорбированные атомы 168

4.3.5 Модель двупериодической пластины 174

4.4 Выводы 181

ГЛАВА 5. Фрикционный перенос и его связь с температурой и трибо ЭДС 184

5.1 Методы, приборы, модифицированные материалы для исследования фрикционного взаимодействия в металлополимерном трибоконтакте 185

5.2 Механизм и кинетика образования слоёв фрикционного переноса 190

5.3 Разработка гибридных наполнителей для композиционных полимерных материалов с применением квантохимических расчётов 207

5.4 Выводы 212

ГЛАВА 6. Исследование контактного взаимодействия металлополимерного трибосопряжения при трении покоя и фреттинг-коррозии 213

6.1 Особенности формирования контакта и влияние времени неподвижного контакта и температуры на коэффициент трения покоя металлополимерных пар 213

6.2 Физико-математическое моделирование неразъёмных соединений 217

6.2.1 Динамическое подобие механических и фрикционных подсистем 219

6.2.2 Физическое подобие фрикционного контакта неразъёмных резьбовых соединений. Определение критерия подобия 224

6.2.3 Исследование влияния нагрузки, амплитуды и частоты колебаний на величину коэффициента трения покоя неразъёмных резьбовых соединений 236

6.2.4 Динамический мониторинг неразъёмных резьбовых соединений тормозных магистралей подвижного состава 250

6.3 Выводы 260

ГЛАВА 7. Разработка практических рекомендаций по повышению износостойкости металлополимерных сопряжений и управлению их фрикционными свойствами 262

7.1 Разработка и исследование износостойких композиций антифрикционного назначения для подшипников скольжения 262

7.2 Повышение износостойкости тяжелонагруженных узлов трения 264

7.3 Повышение надёжности и долговечности шарниров тормозной рычажной передачи (ТРП) путём нанесения многослойного антифрикционного покрытия 269

7.4 Разработка мероприятий по снижению вибраций и шума высокоскоростного железнодорожного транспорта путём применения композиционных полимерных материалов

7.5 Выводы 282

Заключение.

Общие выводы

• Роль диффузионных процессов в механизме трения и износа металлополимерного сопряжения
• Моделирование процессов теплообмена в дисковых тормозных системах подвижного состава
• Исследование влияния величины и направления электрического поля в зоне трения на износостойкость металлополимерного сопряжения
• Строение межзёренных границ и формирование зернограничных сегрегаций (ЗГС)

Введение к работе

Актуальность темы исследований. Промышленность XXI века характеризуется стремительным развитием нового класса машин, работающих при высоких скоростях и нагрузках, и соответствующим повышением их тепловой напряжённости. При этом наблюдается широкое внедрение новых полимерных материалов, в том числе фрикционного и антифрикционного назначения. Однако диапазон их использования не отвечает растущим требованиям производства. Причин здесь несколько. Одна из них в отсутствии исследований металлополи-мерных трибосистем фрикционного и антифрикционного назначения как единой трибодинамической системы, состоящей из функционально связанных подсистем, раскрывающих процессы динамики механического взаимодействия, электризации, диффузии, образования плёнок переноса и сегрегаций, а также тепловой напряжённости в металлополимерных сопряжениях. Именно раскрытие функциональных связей между подсистемами характеризует одно из направлений, позволяющих обеспечить их взаимосогласованные эволюционные преобразования, а также повысить надёжность узлов трения и получить принципиально новые материалы. Системный анализ функционально связанных подсистем требует использования современных представлений об электронном строении материи, квантово-химических связях, а также экспериментальных методов и, в первую очередь, рентгенофотоэлектронной и оже-электронной спектроскопии. Кроме того, наука о трении и износе полимеров, обладающих способностями генерировать химически активные продукты деструкции и накапливать трибоэлек-трические заряды, ставит перед исследователями задачу: как использовать эти свойства полимеров для создания условий реализации перехода от разрушительного процесса к созидательному при сухом трении металлополимерных пар.

На основании вышеизложенного можно утверждать, что разработка методов анализа и синтеза металлополимерных трибосистем фрикционного и антифрикционного назначения как единой системы, включающей процессы диффузии, трибоэлектризации, сегрегации, образования плёнок переноса, во взаимосвязи с механической системой, как первичным источником всех преобразований, является актуальной проблемой. Она определяет не только естественное развитие знаний о функционировании узлов трения, но и открывает перспективные возможности для разработки методов управления фрикционными свойствами металлополимерных узлов трения.

Исследования в этой области были поддержаны Российским научным фондом (грант РНФ №14-29-00116), а также грантами Российского фонда фундаментальных исследований (проект 11-08-12087, проект 12-08-00972, 13-08-00672, проект 13-08-00732, проект 13-08-13147 – офим РЖД).

Степень разработанности проблемы. В настоящее время в трибологии, зародившейся как наука по изучению процессов в макроскопических объектах, интенсивно ведутся исследования на микроуровне в странах: Финляндии под руководством профессора Юркки Вуоринен, Японии под руководством Кейджи Накаямы, Франции – Жана Мишеля Мартина. В области технологий наноком-позитов трибологического назначения успешно работают школы академиков РАН РФ: В.Е. Панина; И.Г. Горячевой; В.И. Колесникова; Е.Н. Каблова; профессоров: Ю.К. Машкова, Ю.А. Петрова, В.И. Бутенко, И.А. Буяновского, Е.А.

Памфилова и др., а также академиков БАН республики Беларусь – Н.К. Мыш-кина и А.И. Свириденка. Однако, несмотря на достигнутые успехи, как подчёркивается в рекомендациях многих конференций и симпозиумов, проблема взаимодействия поверхностей трения на микроуровне металлополимерных трибо-систем в функциональной связанности отдельных подсистем остаётся острой и требует своего решения. Сказанное определяет перспективу исследований по определению особенностей межатомных взаимодействий на зернограничных поверхностях и по оценке совместимости различных элементов с железом.

Роль температуры как определяющего фактора в механизме трения и износа металлополимерных сопряжений весьма существенна. В основе тепловых расчётов базисными являются работы И.В. Крагельского, А.В. Чичинадзе, В.С. Щедрова, Ю.А. Евдокимова, Ю.К. Машкова. Однако существующие методы теплового расчёта в металлополимерных трибосистемах не учитывают температурные изменения физико-механических, трибологических и теплофизиче-ских свойств полимерных материалов и их функциональную взаимосвязь с механической подсистемой, являющейся источником производства тепла.

Из работ Ш.М. Билика, В.П. Цуркана, Ф.П. Боудена, С.Б. Боева по исследованию трибоэлектризации металлополимерных сопряжений следует, что нет единой методики измерения трибоЭДС и нет единого представления о механизме трибоэлектризации и его влиянии на процессы трения и изнашивания, в частности на диффузию и образование плёнки фрикционного переноса.

Некоторым вопросам самоорганизации при трении посвящены работы Н.А. Буше, Л.И. Бершадского, Б.И. Костецкого, С.М. Захарова, И.С. Гершмана, Д.Н. Гаркунова, А.С. Кужарова, В.И. Бутенко, А.А. Рыжкина, В.Л. Заковорот-ного, Л.Ш. Шустера. Однако в них отсутствуют исследования узлов трения, как единых функционально связанных подсистем, включающих подсистемы механики, термодинамики, адсорбции, хемосорбции, диффузии, трибоЭДС, и не раскрыта их функциональная взаимосвязь с выходными характеристиками узла трения.

Именно раскрытие функциональной связанности механо-физико-химических процессов в металлополимерных трибосопряжениях открывает направление конструирования нового класса узлов трения с заданными трибологиче-скими характеристиками, что является главным предметом изучения в настоящей диссертации.

Объект исследования: решение обозначенных фундаментальных проблем в трибологии иллюстрируется на примере тормозной системы грузового подвижного состава, включающей в себя фрикционный узел «колесо – тормозная колодка»; антифрикционные узлы – шарнирные сочленения тормозной рычажной передачи и резьбовые соединения трубопроводов тормозной магистрали, работающие в режиме предварительного смещения.

Предметом исследований является изучение возможностей управления трибохимическими, диффузионно-сегрегационными, трибомеханическими и трибоэлектрическими процессами при трении, обеспечивающими повышение износостойкости металлополимерных трибосистем фрикционного, антифрикционного назначения, и узлов трения, работающих в режиме предварительного смещения, как единой взаимосвязанной динамической системы.

Цель работы: установление теоретических и экспериментальных закономерностей на микро-, мезо- и макроуровнях влияния функционально связанных теплофизических, трибоэлектрических, диффузионно-сегрегационных, ме-хано-химических и трибодинамических явлений, протекающих во фрикционном металлополимерном контакте, на процессы трения и изнашивания; разработка на этой основе нового класса композиционных полимерных материалов и методов управления фрикционными свойствами металлополимерных трибоси-стем фрикционного, антифрикционного назначения и сопряжений, работающих в режиме предварительного смещения.

Задачи исследований:

1. Определить структуру и свойства металлополимерной трибосистемы как сложной функционально связанной системы, включающей теплофизиче-скую, трибоэлектрическую, диффузионную, механо-химическую и трибодина-мическую подсистемы.

2. Разработать методику решения нестационарной задачи термоупругости металлополимерного сопряжения с учётом зависимости физико-механических, теплофизических и трибологических характеристик контактирующих тел от температуры. Выполнить изучение нестационарных температурных полей, в том числе их градиентов в пограничной области фрикционного металлополимерного контакта.

3. Разработать методику и аппаратуру для измерения трибоэлектрических потенциалов в металлополимерных системах и на этой основе установить закономерности влияния температуры, времени контактирования, скорости, природы полимера на величину и знак трибоЭДС, а также исследовать влияние направления и величины электрического поля на процессы изнашивания металлополимерного сопряжения.

4. На основе квантово-химического подхода разработать методику исследования сегрегационных процессов в зоне металлополимерного контакта и выполнить расчёты межатомных взаимодействий на границах зёрен и по значению энергии связи между зёрнами железа, разделённых атомами других элементов, провести оценку совместимости различных элементов с железом.

5. Изучить влияние температуры, температурного градиента и электрического поля на образование плёнки фрикционного переноса и диффузионные процессы, происходящие в зоне металлополимерного трибоконтакта. На этой основе предложить методы управления износостойкостью.

6. Разработать физико-математическую нелинейную модель трения неразъёмных резьбовых трибосистем при наличии герметика и на основе комплексного исследования и научного обобщения результатов физического эксперимента:

получить критерий подобия фреттинг-образования и определить закономерности изменения необратимых преобразований в контактной области, их зависимости от упруго-диссипативных свойств взаимодействующих тел;

развить теорию динамического мониторинга для диагностики эволюции процессов трения покоя, возможных явлений фреттинг-коррозии и предотвращения разгерметизации соединений.

7 На основе результатов теоретических и экспериментальных исследований сформулировать научные критерии повышения износостойкости металло-полимерных трибосистем и разработать методы управления их фрикционными свойствами, а также создать и внедрить новые высокоэффективные композиционные материалы для узлов фрикционного, антифрикционного назначения и трения покоя.

Методы исследования. Для решения поставленных задач использовались квантово-химические методы; базовые положения неравновесной термодинамики, метод конечных элементов для расчёта нестационарной связанной термоупругой задачи; методы физико-математического моделирования и планирования эксперимента. В качестве инструментальных средств использовались приборы: рентгеноэлектронной и оже-электронной спектроскопии – система анализа поверхности «Specs» (Германия); инфракрасный Фурье-спектрометр «Nicolet Series 380» (США); синхронный термический анализатор «STA449F3 Jupiter» (Германия) для исследования теплофизических характеристик; прибор «New View 600 SWL1» (США) для определения морфологии, микрорельефа и анализа поверхности трения; установка для исследования механических свойств твёрдых тел «NANOTEST 600» (Великобритания); микро-твёрдомер «DM8B» (Италия, Германия); бисерная мельница «Mikro Cer» фирмы «NeTZSCH» (Германия) для тонкого (50–500 нм) измельчения твёрдых частиц; система центрифугирования «Avanti J-301» (США); система измерения размеров частиц «CPS24000» (США); машина трения ИИ5018; тензометриче-ская станция и программное обеспечение ООО «Электронные технологии и метрологические системы».

Научная новизна заключается в разработке научного направления в области системного анализа и синтеза функционально связанных теплофизических, трибоэлектрических, диффузионно-сегрегационных, механо-химических и трибо-динамических процессов в металлополимерных трибосопряжениях на микро-, ме-зо- и макроуровнях с целью разработки критериев создания инновационного класса металлополимерных узлов трения и управления их фрикционными свойствами. К наиболее значимым научным результатам относятся следующие положения.

1. Раскрыта структура, содержание и свойства функционально связанной динамической системы трения на примере металлополимерных узлов, первичным источником всех эволюционных изменений в которых являются мощности необратимых преобразований энергии механической подсистемы.

2. Усовершенствована методика определения температуры, её градиентов и эффективных напряжений в дисковом тормозе подвижного состава в нестационарном режиме с учётом функциональной взаимосвязи физико-механических, теплофизических и трибологических характеристик сопряжений от температуры.

3. Разработана методика бесщёточного измерения трибоЭДС, дана оценка величины трибоЭДС и выявлены закономерности по влиянию величины и направления электрического поля на триботехнические характеристики металло-полимерного сопряжения. Установлено, что при подаче разности потенциалов на пару трения со знаком «+» на полимере износ металлического контртела в два раза выше, чем при подаче отрицательного.

4. На основе квантово-химических расчётов разработана методика исследования сегрегационных явлений в зоне металлополимерного контакта; выполнена оценка значений энергий межатомных взаимодействий на границах зёрен металла. Для элементов пяти первых периодов системы Д.И. Менделеева установлено, что величина энергии химической связи легирующих и примесных элементов с железом является величиной, существенно определяющей упрочняющие и разупрочняющие свойства этих элементов.

5. Установлены закономерности влияния теплового и электрического полей на диффузионные процессы и образование плёнки фрикционного переноса (ПФП) и предложен механизм и кинетика её образования. Показано, что кинетика процесса образования ПФП определяется величиной адгезии компонентов композита и направлением электрического поля на контакте и может быть удовлетворительно объяснена на основе её двухслойной модели.

6. Разработан критерий подобия коэффициента трения покоя в неразъёмных резьбовых соединениях тормозной магистрали натурного подвижного состава и их моделей. Это позволило методом математического планирования эксперимента создать математическое описание процессов трения покоя, определить рациональные соотношения физических величин, влияющих на герметичность тормозной магистрали, сформулировать принципы исследования процессов в контактной области методами трибоспектральной идентификации процессов трения и динамического мониторинга.

7. На основе результатов теоретических и экспериментальных исследований разработаны критерии создания новых композиционных материалов фрикционного и антифрикционного назначения, защищённых патентами РФ.

Теоретическая значимость работы. На основе квантово-химических расчётов разработана методика исследования сегрегационных процессов в зоне металлополимерного трибоконтакта, которая позволяет провести оценку влияния энергии межатомного взаимодействия различных элементов с железом на прочностные характеристики рабочих поверхностей трибосопряжения.

Предложенная методика расчёта нестационарной связанной термоупругой задачи металлополимерного трибосопряжения с учётом функциональной зависимости физико-механических и теплофизических характеристик контактирующих материалов от температуры позволяет установить закономерности влияния температуры и температурного градиента на: а) диффузионные и три-боэлектрические процессы в зоне фрикционного контакта; б) физико-механические и трибологические характеристики контактирующих сопряжений; в) механизм и кинетику образования плёнки фрикционного переноса.

Разработанный критерий подобия коэффициента трения покоя даёт возможность исследовать процессы трения покоя в неразъёмных резьбовых соединениях трубопроводов тормозной магистрали подвижного состава на модели с учётом многообразия динамических и физических процессов на контакте.

Практическая ценность исследования:

1. Выполненные теоретические и экспериментальные исследования позволили сформулировать рекомендации по выбору наполнителей, армирующих и легирующих элементов как для фрикционных, так и антифрикционных узлов трения.

2. Разработаны критерии для оценки износостойкости металлополимер-ных трибосистем, учитывающие способность полимеров образовать плёнку фрикционного переноса и накапливать электрические заряды.

3. На основе методов рентгеноэлектронной и оже-электронной спектроскопии и квантовой химии разработан способ аттестации элементов трибоси-стемы по их совместимости как на поверхностях контактирующих сопряжений, так и внутри каждого из них.

4. Разработан способ подавления процесса наводороживания металла в металлополимерных трибосистемах, основанный на влиянии направления и величины электрического и теплового полей на процесс изнашивания.

5. Разработанная система динамического мониторинга неразъёмных резьбовых соединений позволяет диагностировать возможное появление утечек сжатого воздуха из тормозных магистралей подвижного состава и тем самым повысить надёжность и безопасность эксплуатации подвижного состава.

6. Исследования завершены созданием износостойких композиционных материалов с новыми триботехническими характеристиками и осуществлено широкое их внедрение в узлы трения подвижного состава, подъёмно-транспортных и строительных машин. На основе разработанной технической и нормативной документации при ОАО «РЖД» организован участок для промышленного восстановления изношенных деталей, применяемых в узлах трения подвижного состава.

7. Инновационные разработки по исследованию теплофизических процессов на трибоконтакте, методов акустической эмиссии и амплитудно-фазочастотного анализа фрикционных систем вошли в состав учебных пособий и учебников.

Достоверность и обоснованность научных результатов. Теоретические исследования и выводы по работе основаны на использовании теории квантово-химических расчётов, методов конечных элементов, теории физического и математического моделирования, математической статистики и результатов многофакторного планирования эксперимента. Достоверность полученных результатов подтверждается сходимостью результатов теоретических исследований с экспериментальными и эксплуатационными данными.

Апробация работы. Основные результаты исследований доложены и обсуждены на международных конференциях по трению, износу и смазочным материалам: «Состояние и перспективы развития дорожного комплекса» – Брянск, 2001; «Повышение износостойкости и долговечности машин и механизмов на транспорте» – СПб.: «ТРАНСТРИБО-2005»; «Математическое моделирование и краевые задачи»: Седьмая Всерос. науч. конф. с междунар. участием, 3–6 июня 2010 г. / СамГТУ – Самара, 2010; «Механика и трибология транспортных систем»: Междунар. науч. конф. «МехТрибоТранс-2011», 9–11 ноября 2011 г. / РГУПС. – Ростов н/Д, 2011; «Современные проблемы механики сплошной среды», XV Междунар. конф., 4–7 декабря / ЮНЦ РАН. – Ростов н/Д, 2011; «Трибология – машиностроению», X юбил. Всерос. науч.-техн. конф. с участием иностранных специалистов, 19–21 ноября / РАН. – М., 2014; «Транспорт-2014»: Междунар. науч.-практ. конф. / РГУПС. – Ростов н/Д, 2014; «Плёнки и покрытия-2015»: 12-я Междунар. конф., 19–22 мая – СПб.: Политехн. ун-т, 2015;

«Интегрированные, виброволновые технологии в машиностроении, металлообработке и других отраслях», Ростов н/Д: ДГТУ, 2015; семинарах кафедр «Теоретическая механика», «Транспортные машины и триботехника» РГУПС в 2008–2015 г. (Ростов-на-Дону); на научно-практическом семинаре кафедры «Технология машиностроения» ДГТУ, 2016 (Ростов-на-Дону).

Публикации. Основные результаты диссертационной работы опубликованы в 129 печатных работах, из них: 49 – рекомендованных ВАК Минобрнау-ки РФ и входящих в международные реферативные базы данных и системы цитирования – Scopus, Web of Science, Springer, Chemical Abstracts; в 6 монографиях, 36 патентах РФ, 1 патенте республики Беларусь.

Структура диссертации. Работа изложена на 394 страницах и включает введение, 7 глав, заключение, список литературы из 355 наименований, технические акты внедрения, 4 приложения. Основное содержание общим объёмом 288 страниц включает 99 рисунков и 50 таблиц.

Роль диффузионных процессов в механизме трения и износа металлополимерного сопряжения

Особенностью силы внешнего трения является также то, что при безграничном уменьшении скорости скольжения, т. е. при стремлении скорости скольжения к нулю, сила внешнего трения не уменьшается до нуля, а стремится к некоторому конечному значению. В настоящее время принято различать силу трения скольжения, силу трения покоя и неполную силу трения покоя. Под неполной силой трения покоя следует понимать силу сопротивления движению, направленную против относительного перемещения в режиме предварительного смещения. Сила трения покоя – максимальное значение неполной силы трения, соответствующей моменту перехода предварительного смещения в скольжение. Данной силе соответствует максимальное значение предварительного смещения. Сила трения скольжения равна по величине силе, необходимой для осуществления больших необратимых относительных перемещений. В нашей работе мы рассмотрим общие закономерности, присущие трению скольжения, трению покоя и предварительному смещению, а затем исследуем особенности каждого в отдельности.

Под влиянием нормальной нагрузки, сжимающей трущиеся тела, происходит взаимодействие микронеровностей. Образующаяся при этом суммарная площадь фактического касания равна сумме отдельных пятен касания, где реализуется нормальная нагрузка и возникает сила трения, которую называют деформационной, или механической, составляющей. Часть силы трения, обусловленную молекулярным и атомным взаимодействием, называют молекулярной (адгезионной) составляющей силы трения [78, 202, 228].

В настоящее время общепризнанным считается, что при трении металлопо-лимерных сопряжений присутствуют как деформирование поверхностных слоёв неровностями контртела, так и наличие адгезионных взаимодействий трущихся сопряжений [19, 35, 159–161, 346–348]. Считается благоприятным условием внешнего трения наличие в контакте сформулированного И.В. Крагельским правила положительного градиента механических свойств, в соответствии с которым, по мере удаления от поверхности контакта прочность нижележащих слоёв увеличивается [159–161, 271].

Механическая теория объясняет сопротивление металлополимерного сопряжения появлением одностороннего или взаимного заклинивания материала, внедряющегося в поверхности взаимодействующих тел.

Исторический анализ проведённых исследований трибосопряжений показывает, что механические модели постоянно развивались, усложнялись с учётом зависимости физико-механических и упругопластических свойств трущихся тел от температуры, основных параметров микрогеометрии контакта, и сейчас для этих моделей актуальными являются задачи, связанные с механической анизотропией, нестационарной термоупругостью на контакте, нелинейными законами деформирования фрикционного контакта, структурной неоднородностью материала [118, 189, 204, 309, 329, 331, 335].

Что касается адгезионной теории, то Б.В. Дерягин и другие исследователи считают, что силы молекулярного притяжения между разнородными молекулами сопрягаемых тел могут в некоторых случаях быть даже больше сил сцепления между однородными молекулами контактирующих тел, что позволяет объяснить явления образования «мостиков сварки» и глубинного износа материалов [84, 85, 165, 351].

В настоящее время, несмотря на продолжающиеся дискуссии о природе молекулярных сил, ответственных за адгезию на трибоконтакте, считается общепризнанным разделять силы адгезии на три класса:

1. Силы химической адгезии – близкодействующие, появляющиеся на расстоянии 1–2 при непосредственном контакте атомов трущихся тел. Именно наличием химических связей можно объяснить высокое значение адгезии полимеров, соизмеримое с их когезионной прочностью. Это подтверждается явлением переноса пластмасс на металлы при трении [166]. Среди расчётных методов оценки адгезионного взаимодействия весьма перспективным оказался метод, основанный на молекулярно-кинетической теории трения. Следует отметить, что химические реакции характерны не только для сухого трения, но и при наличии смазки. Механохимические процессы приводят к образованию высокоактивных свободных радикалов, которые, очевидно, могут вступать в реакции синтеза с мономерами, существующими как в полимере, так и в смазочном материале.

В результате реакций синтеза происходит восстановление полимерной цепи, наращивание цепи, образование сшивок между цепями, что приводит, как показывают исследования, к увеличению износостойкости и контактной прочности. Следует отметить, что в теоретических исследованиях химической адгезии следует использовать методы квантовой химии, а в экспериментальных исследованиях – применять спектральные методы: оже-спектроскопию, фотоэлектронную спектроскопию и др. [113, 212].

2. Силы физической адгезии – дальнодействующие, возникающие в результате взаимодействия флуктуационных электромагнитных полей. Эти силы действуют на расстояниях, значительно превышающих межатомные, и они достаточно малы в макромасштабе. Разработана методика расчёта ван-дер-ваальсовой силы по спектральным характеристикам металлополимерного трибоконтакта – показателей преломления «n» и поглощения «».

3. Электрическая теория описывает адгезионное взаимодействие, исходя из явления контактной электризации и электростатического притяжения зарядов двойного электрического слоя, возникающего на границе двух фаз. Двойной электрический слой образуется при соответствующих условиях путём перехода электронов или ионов с одной поверхности на другую. При этом полимер в зависимости от природы контртела может принимать или отдавать электроны. В контакте с металлом, например, донором электронов в ряде случаев является металл, и при разрушении трибоконтакта поверхность полимера заряжается отрицательно. Кроме того, двойной электрический слой может образовываться вследствие ориентации адсорбированных на поверхности полярных функциональных групп [6].

Моделирование процессов теплообмена в дисковых тормозных системах подвижного состава

Методы исследования механо-химических и физико-механических характеристик материалов посредством локального нагружения принято разделять на макро-, микро- и наноиндентирование. Основными критериями такого разделения являются характерный размер области испытания и размер исследуемого образца. Очевидно, физико-механические свойства наноструктур могут существенно отличаться от макроскопических. Из этого следует, что механические характеристики твёрдых тел на микроуровне не могут быть получены путём экстраполирования данных, полученных на макроуровне.

Для современных технологий характерно усложнение конструкций и повышение их качества, что в свою очередь привело к увеличению требований к механическим характеристикам материалов, из которых они изготавливаются. Появилась необходимость создавать новые материалы сложной неоднородной структуры с использованием высоких технологий. К таковым относятся материалы со слоистой структурой, композиционные материалы, материалы с различными включениями и добавками, в том числе наноразмерными, а также материалы, покрытые тонкими и сверхтонкими плёнками. Рабочий слой деталей, изготовленных из таких материалов, может достигать микро-, а иногда и наноразмеров. В этом случае наиболее точной характеристикой оценки физико-механических свойств является нанотвёрдость, которая может быть измерена только методом наноин-дентирования.

Особенностью приборов для измерения твёрдости в микро- и наношкале является то, что прикладываемое усилие и глубина внедрения индентора измеряются непрерывно. Данные, полученные таким способом, содержат дополнительную информацию о приповерхностных свойствах структур материалов, покрытий и тонких плёнок в микро- и нанодиапазонах.

В этой связи для измерения величины твёрдости полимерных композиционных материалов и покрытий мы использовали метод микро- и наноиндентирова-ния, а для однородных материалов твёрдость определяли на обычном твёрдомере.

Для исследования были выбраны широко используемые и наиболее изученные, различные по физико-механическим и теплофизическим свойствам, а также по химическому составу и строению материалы: 1) антифрикционные полимеры: полиэтилен, поликапромид (ПКА), поликарбонат, фенилон (ФС–2), фторполимер (Ф4МБ); 2) полимеры фрикционного назначения – материалы тормозных колодок подвижного состава: ТИИР-300, Becorit-918.

Определение твёрдости полимерных композиционных материалов и покрытий проводилось на специальной установке Nano Test 600 путём вдавливания в материал алмазных инденторов. Рабочим органом комплекса NanoTest 600 является маятник, который может свободно вращаться на шарнире. Стержень маятника выполнен из керамики, имеет цилиндрическую форму, на конце маятника установлена индукционная катушка. Под действием электрического тока катушка движется по направлению к магниту, задавая закон движения алмазного индентора к образцу. Перемещение индентора измеряется ёмкостным датчиком. Для измерения микротвёрдости, модуля упругости и упругого восстановления в системе NanoTest 600 используются микро- и наноинденторы в виде трёхгранной пирамидки Берковича. Образец закрепляется на специальном предметном столике, который может перемещаться вместе с микрометрической платформой для позиционирования в трёх координатных плоскостях под действием прецизионных электродвигателей с мик-66 рометрическими датчиками перемещения. Наноиндентирование представляет собой процесс многократного погружения алмазного индентора от модифицированной поверхности вглубь образца. Полученные данные автоматически обрабатываются, и строится зависимость глубины проникновения от нагрузки в десяти точках для каждого образца. По полученным экспериментальным данным компьютерная система прибора NanoTest 600 вычисляет ряд параметров: максимальную глубину проникновения, пластическую деформацию, твёрдость, приведённый модуль, упругое восстановление, податливость, пластическую работу и другие. Пирамидальный анализ этих кривых с помощью программного обеспечения комплекса NanoTest 600 позволяет вычислить значения микротвёрдости, модуля упругости, упругого восстановления. Одной из основных характеристик материала при инден-тировании является отношение его твёрдости НВ к модулю упругости (модулю Юнга) Е, часто называемое индексом пластичности материала. Эта величина характеризует способность материала к изменению его размеров и формы в процессе деформации и может служить качественной сравнительной характеристикой сопротивления материалов деформированию при механическом нагружении, т.е. отражает его структурное состояние. Кроме того, для нахождения зависимости твёрдости НВ от температуры была разработана конструкция термокриокамеры к твёр-домеру БТШПСП У42. Она представляет собой шкаф с двойными стенками, между которыми помещён теплоизолятор и смотровым окном для наблюдения за образцом в процессе испытания. Температурный режим в термокамере обеспечивался автоматическим регулированием нагревательного элемента. Охлаждение камеры осуществляется углекислым газом с помощью редуктора и трубчатого охладителя [93, 130].

Анализ результатов, представленных в табл. 2.1, показывает, что твёрдость исследуемых полимерных материалов с повышением температуры снижается. Однако характер их уменьшения не одинаков: если для большинства термопластичных материалов в исследуемом температурном интервале показания твёрдости монотонно снижаются, то для фенилона в широком температурном интервале твёрдость вначале уменьшается незначительно и только при достижении температуры Т = 520 К начинает интенсивно снижаться. Это снижение объясняется ослаблением межмолекулярных связей.

Исследование влияния величины и направления электрического поля в зоне трения на износостойкость металлополимерного сопряжения

Машина трения закрывается металлической сеткой для защиты от внешних помех электрических полей, а испытываемый узел трения снабжён термокриока-мерой, работающей в интервале температур от 223 до 493 К.

Согласно результатам проведённых исследований, коэффициент трения для термопластичных полимеров по стали с увеличением нагрузки при неизменных скорости и температуре сначала уменьшается, проходит через минимум и затем увеличивается. Так, с увеличением удельной нагрузки от 0,2 до 0,5 МПа при скорости V = 0,3 м/с и температуре Т = 313 К коэффициент трения для капрона уменьшается от 0,36 до 0,28. Такое уменьшение объясняется тем, что с ростом нагрузки увеличивается число контактирующих пятен и площадь единичного контакта, и в результате увеличивается площадь фактического контакта, что приводит к уменьшению удельной нагрузки. Такое снижение удельного давления происходит до тех пор, пока не произойдёт насыщение площади касания. При дальнейшем увеличении нагрузки коэффициент трения увеличивается. Следует также отметить, что с увеличением скорости максимум на кривых зависимости от нагрузки смещается в сторону меньших нагрузок. Если же поддерживать температуру на поверхности и в объёме постоянными, то при повышении скорости максимум коэффициента трения практически не изменяется с увеличением нагрузки, а интенсивность изнашивания увеличивается.

При исследовании влияния скорости скольжения на фрикционные характеристики материалов на основе полимеров основная трудность заключается в необходимости дифференцировать влияния скорости и температуры трения. В результате установлено, что влияние скорости скольжения на коэффициент трения и износ весьма незначительно до тех пор, пока не произойдёт существенного изменения температуры в зоне трения на скользящих контактах. Так, для капрона, полиэтилена в диапазоне скоростей 0,1–0,9 м/с по схеме «вал – частичный подшипник» не было отклонений коэффициента трения от средней величины более чем на 4 % (для капрона тр = 0,35, для полиэтилена тр = 0,18). Однако при увеличении скорости скольжения более 1 м/с наблюдается увеличение коэффициента трения. В случае поддержания искусственным путём неизменной температуры на скользящем контакте вначале наблюдается увеличение коэффициента трения, а затем стабилизация.

Для исследования совместного влияния нагрузи Р, скорости V, коэффициента взаимного перекрытия К, температуры на поверхности Т1 и температуры в объёме полимерного подшипника (на расстоянии 5 мм от поверхности) Т2 на коэффициент трения тр и интенсивность изнашивания J использован статистический метод планирования многофакторного эксперимента. С этой целью реализован план Хартли на гиперкубе, обладающий статистическими характеристиками, близкими к D-оптимальному плану [207]. Положительным свойством принятого плана является то, что ядро плана (полуреплика полного факторного эксперимента 25–1) образовано на основе генерирующего соотношения X5 = X1X2X3X4, позволяющего оценить линейные коэффициенты и коэффициенты парных взаимодействий независимо друг от друга. В связи с этим необходимым условием выбора варьируемых факторов должна быть их независимость друг от друга. В реальных условиях температура и температурный градиент зависят от режима работы трибосопряжения. Конструкция машины трения, описанной выше, позволяет изменять температурное поле в трущихся парах независимо от режимов работы и формы образцов. Опытный металлический образец изготавливался из стали 45, а в качестве полимерного материала был взят поликапро-амид. Выбор указанных материалов был обусловлен наибольшей изученностью их физико-механических свойств и широким применением в узлах трения. Условия эксперимента приведены в табл. 2.4.

Факторы Уровни варьирования Интервал варьирования Наименование Размерность Обозначение Кодовые Натуральное Кодовое -1510,20 0 +172,0 0,60 1 2 3 4 6 8 Удельное давление Па Р Х1 1,5 0,5 Скорость скольжения м/с V Х2 0,40 0,20 Окончание табл. 2. 1 2 3 4 5 0,50293 3 6 7 1,00333 9 8 Коэффициент перекрытия к Х3 0,75 0,25 Температура К т Х4 313 20 Температурный градиент 104 К/м grad T Х5 6 3 Согласно плану эксперимента были проведены 27 опытов. Каждый опыт

осуществляли трижды, для уменьшения систематических ошибок опыты проводили в случайном порядке.

Гипотеза об однородности дисперсий параллельных опытов оценивалась критерием Кохрена при уровне значимости = 0,05, что позволило выполнить статистическую оценку результатов эксперимента [97, 207].

Коэффициенты уравнений регрессии рассчитывали по формулам для планов второго порядка. Результаты расчётов показали, что не все коэффициенты уравнения являются статистически значимыми. Проверку гипотезы о значимости коэффициентов уравнения регрессии проводили с помощью ґ-критерия. Так как D-план имеет блочно-диагональную матрицу [97], то исключение незначимых коэффициентов Ьг и by не изменило значений оставшихся коэффициентов при линейных членах и парных взаимодействий. После исключения статистически незначимых коэффициентов Ъг и пересчёта коэффициентов Ь0 и btj получены следующие уравнения регрессии:

Строение межзёренных границ и формирование зернограничных сегрегаций (ЗГС)

Процесс измерения осуществлялся следующим образом. В течение промежутка времени, равного периода управляющего напряжения, задаваемого ГТИ, контакты реле К1.1 находятся в левом положении, представленном на схеме, в результате чего происходит заряд конденсатора С от источника трибоЭДС. В течение следующего периода конденсатор разряжается на активное сопротивление R, причём уравнение, описывающее процесс разряда, имеет вид: і E(t) = Ете . Таким образом, в момент времени t = 0 (начало разряда конденсатора) напряжение на активном сопротивлении будет равно максимальному напряжению, до которого зарядился конденсатор. Учитывая, что ёмкость конденсатора известна, можем определить заряд: q = CU. Величина генерируемого заряда за интервал времени t определяется как интегральная функция за этот период.

Особенностью данного метода является то, что при измерении величины заряда, создаваемого в зоне «металл - полимер», отсутствуют участки, на которых происходят потери активной энергии, а следовательно и заряда. Сопротивление переходного контакта реле при заряде конденсатора ничтожно мало по сравнению с внутренним сопротивлением источника трибоЭДС, вследствие чего им можно пренебречь. Основным недостатком рассматриваемого метода является то, что непрерывный аналоговый сигнал, каким является напряжение источника трибоЭДС, заменяется дискретным сигналом, дискретизированным по времени и усреднённым в пределах интервала измерения. В момент, когда происходит заряд конденсатора, мгновенные максимумы и минимумы напряжения источника трибоЭДС сглаживаются, тем самым искажая результат измерения. Кроме этого, измерение переменной составляющей трибоЭДС с использованием такого метода невозможно, т.к. происходит прерывание цепи в каждом полупериоде. Оптимальным решением задачи измерения трибоЭДС является использование высокочувствительного вольтметра, входные цепи которого собраны в виде резистивного моста.

В качестве измерительного прибора предлагается использовать вольтметр, собранный на полевом транзисторе с изолированным затвором, например типа КП305Е, который включён в одно из плеч измерительного резистивного моста Уитстона. Входное сопротивление такого вольтметра определяется током утечки «затвор – подложка» и составляет порядка 1014 Ом, что соизмеримо с внутренним сопротивлением электростатического вольтметра. Большое сопротивление полевого транзистора позволяет зафиксировать на нем реальную разность потенциалов трибоЭДС.

Рассмотрим принцип работы устройства. В основе конструкции прибора лежит одинарный мост Уитстона. Такие мосты носят название одинарных мостов постоянного тока, и они предназначены для измерения сопротивлений величиной от 10 Ом и более. Схема одинарного моста приведена на рис. 3.6.

Равновесием моста называется такой режим его работы, когда разность потенциалов между точками b и d будет равна нулю и, как следствие, ток в измерительной диагонали будет отсутствовать. Такого эффекта можно достичь при условии R1R3 = R2R4, называемом условием равновесия моста.

Для использования одинарного моста в качестве высокочувствительного вольтметра необходимо в одно из его плеч включить нелинейный элемент, величина электрического сопротивления которого будет функцией напряжения, изме-121 ряемого вольтметром. В качестве такого элемента предлагается использовать полевой транзистор МДП-типа с изолированным затвором и встроенным каналом.

Заменим резистор R4 в схеме одинарного моста, приведённой на рис. 3.6, полевым МДП-транзистором с изолированным затвором, типа КП305Е. Сопротивление R2 и R3 заменим переменным реостатом R23, подключив измерительный вывод к его реохорду. Схема полученного устройства приведена на рис. 3.7.

При отсутствии входного напряжения потенциометр Ri подстраивают так, чтобы прибор показывал нулевое значение. Параметры схемы: сопротивление R\ имеет номинал 2 кОм, R2 выбирается в диапазоне от 4,7 до 100 кОм. Условие равновесия рассматриваемого моста имеет вид: RX=K4, где R2 - часть реостата R2, выполняющая функцию сопротивления; і?з - сопротивление исходного моста; Rт - сопротивление канала полевого транзистора; R2 - часть реостата Ri, выполняющая функцию сопротивления Ri исходного моста.

Когда мост уравновешен, левая и правая части равны, однако при изменении величины Rт отклонение будет тем больше, чем больше величина Rl2. Следовательно, чем сопротивление Ri больше, тем выше чувствительность моста.

Сопротивление входа Rвх имеет номинал 1 МОм и служит для защиты входной цепи вольтметра. Для снижения влияния внешних электромагнитных полей подключение измерительной цепи осуществляется при помощи экранированной витой пары. Само устройство измерения для исключения влияния внешних электромагнитных полей размещается внутри экранирующего корпуса, выполненного из ферромагнитного материала. Экранирование измерительного модуля является обязательным требованием, так как внешние электромагнитные поля и помехи могут оказывать воздействие на полевой транзистор, тем самым внося искажения в результат измерения. Для исключения влияния токов утечки измерительный модуль вместе с регистрирующим прибором размещается на изоляторе, питание устройства необходимо осуществлять только от автономного источника – батарей. Использование сетевых блоков питания исключено, так как при их использовании становится невозможным изоляция измерительного узла.