Введение к работе
Актуальность темы. Повышение качества машин, приборов, технологического оборудования различного назначения является важнейшей задачей современного машиностроения. Надежная и долговечная работа с высоким КПД трибосопряжений, подшипниковых узлов, передач является одним из основных слагаемых качества промышленного оборудования. Среди исследований в области трения, изнашивания, смазки, как в нашей стране, так и за рубежем, наряду с разработкой новых конструкций трибосопряжений, работами по созданию новых высокоэффективных конструкционных материалов, особое место занимают исследования в направлении поиска совершенных смазочных композиций и нетрадиционных методов смазывания.
Задачи обеспечения долговечности смазываемых узлов трения зачастую более рационально решать путем применения масел и смазок с высокой смазочной способностью. В ряде устройств прецезионной механики именно узлы трения в большей мере определяют показатели качества, а используемые для них, как режим смазывания, так и вид смазочного материала, являются решающими в определении этих показателей. Постоянно растущие требования к качеству изделий машиностроения и специальной техники, работающей в экстремальных условиях, ставят перед исследователями задачи по изучению поведения новых видов смазочных композиций и обеспечиваемых ими триботехнических свойств сопряжений с неотъемлемой практической целью оптимального промышленного использования таких материалов.
В практике применения жидких смазочных материалов встречаются, в основном, два разнородных типа микрогетерогенных смазочных композиций, имеющих в своем составе частицы твердых материалов. Это - магнитные жидкости, смазочные свойства которых и поведение остаются недостаточно изученными, что ограничивает области их использования. И типовые смазочные масла и технологические жидкости, в которых, в процессе работы образуется взвесь мелких продуктов износа зернистостью 3-40 нм, не отделяемых механическим фильтром, или присутствующих некоторое время в зоне трения. Второй тип микрогетерогенной композиции является неизбежным состоянием изменения качества масла, приводящим к его срабатыванию, и вопросы снижения ресурса деталей узлов трения под влиянием такой композиции требуют уточнения. Исследования особенностей поведения таких композиций на фрикционном контакте помогут как точней прогнозировать показатели качества типовых пар трения, так и разрабатывать мероприятия по повышению износостойкости, контактной выносливости, задиростоикости, а также КПД механизмов.
Цель работы. Разработка научных основ повышения работоспособности, а также долговечности пар трения и сопряжений для условий применения микрогетерогенных смазочных композиций (нанодисперсные магнитные жидкости, масла и технологические жидкости с частицами износа).
Задачи исследования :
-провести исследования влияния состава микрогетерогенных смазочных композиций на трибологические свойства,
-исследовать адгезионную составляющую трения в условиях использования микрогетерогенных композиций,
-выявить механизм действия поверхностно-активных присадок для условий использования микрогетерогенных смазочных композиций,
-исследовать процесс развития усталостного разрушения поверхности деталей пар трения под влиянием частиц микрогетерогенной среды и поверхностно-активных веществ (ПАВ),
-исследовать трибологические явления при смазывании композициями с нанодисперсными частицами и провести выбор присадок из новых синтезированных соединений для повышения смазочной способности композиций и расширения их функциональных возможностей,
-определить возможности повышения показателей качества трибосопряжений для различных условий эксплуатации путем модификации смазочной композиции, выбора конструкционных материалов и термообработки,
-создать расчетные методики оценки триботехнических параметров пар трения, учитывающие влияние микрогетерогенной среды,
-исследовать процесс контактных взаимодействий при формировании микрогетерогенной среды под действием ультразвуковых колебаний, распространяющихся в одной из деталей пары трения
-создать научно обоснованные методики экспериментального исследования триботехнических параметров сопряжений для условий воздействия микрогетерогенной смазочной среды,
-создать трибометры, позволяющие комплексно оценить параметры трения пар и качество смазочной среды.
Научные положения, разработанные лично соискателем :
-закономерности изменения смазочных свойств микрогетерогенных магнитных композиций при работе узлов трения,
-модель контактных взаимодействий шероховатых тел и расчетные зависимости на ее основе, позволяющие оценить триботехнические характеристики с учетом свойств микрогетерогенной смазочной среды,
-закономерности изменения проводимости фрикционного контакта в парах трения, позволяющие объяснить механизм смазочного действия фторорганических присадок в условиях полужидкостной смазки и выявить наиболее эффективные смазочные композиции,
-закономерности развития микротрещин на поверхности деталей пар качения в условиях воздействия наноразмерных частиц и поверхностно-активных веществ в смазочной среде, а также методика контроля питтингостойкости на основе этих закономерностей,
-впервые обнаруженный эффект нарушения закона Кулона для условий воздействия ультразвука на пару трения и влияние ультразвуковых колебаний на действие фторорганических присадок в формирующейся в таких условиях микрогетерогенной среде, имеющие большое практическое значение.
Обоснованность и достоверность результатов исследований.
Достоверность и обоснованность полученных результатов базируется на последовательном анализе данных лабораторных модельных опытов и подтверждении их данными стендовых испытаний для условий работы реальных пар трения и сопряжений. При проведении исследований использовались стандартизованные, а также, принятые в научной практике, методы статистической обработки экспериментальных данных и планирования опытов, а также методика расчета интенсивности изнашивания поверхности деталей. Проводилась проверка расчетов трибологических характеристик по предложенным моделям и формулам, которая обнаружила расхождение расчетных и экспериментальных данных не более 11% с доверительной вероятностью 0,9. Результаты экспериментальных исследований контактной выносливости материалов деталей опытных пар качения были подтверждены данными стендовых испытаний зубчатых колес, стендовыми испытаниями газотурбинных двигателей (ГТД) с такими механизмами и 6-летней практикой использования полученных результатов в авиационных ГТД. Основные выводы работы, подтвержденные результатами испытаний, опубликованы в отечественных и зарубежных изданиях, представлены на международных конференциях.
Научная новизна. Раскрыт механизм воздействия частиц магнетита в микрогетерогенных магнитных смазочных композициях на увеличение трения и износа деталей. Выявлены закономерности совместного влияния концентрации ферромагнитных частиц, магнитного поля, уровня контактных давлений на триботехнические характеристики пар, смазываемых нанодисперсными магнитными жидкостями. Разработана модель контактных взаимодействий шероховатых тел, с использованием которой возможно оценить параметры трения с учетом свойств микрогетерогенных смазочных композиций.
Впервые обнаружено увеличение толщины смазочной пленки при введении в смазочное масло фторалифатических соединений в малой концентрации в условиях полу жидкостной смазки, чем объясняется их высокое противоизносное действие. Показано, что такие присадки
эффективны для пар скольжения при смазывании микрогетерогенной средой.
Раскрыт механизм трения и решена проблема повышения износостойкости и долговечности подвижных сопряжений ( зубчатых передач, роликовых механизмов, опор скольжения, подпятников) для условий использования микрогетерогенных смазочных композиций. Созданы эффективные смазочные присадки, являющиеся новыми веществами, обеспечивающими противоизносные свойства таких смазочных композиций в 2-3 раза выше чем присадки-аналоги.
Раскрыт механизм и выявлены закономерности развития питтинга в парах качения при наличии микрогетерогенной смазочной среды и поверхностно-активных компонентов. С учетом оценки уровня фактических напряжений в поверхностных слоях деталей качения разработан метод, позволяющий анализировать контактную выносливость деталей с различной микрогеометрией, учитывать эффективность приработки при формировании дисперсной фазы частиц износа в смазочном масле, эффект сглаживания микровыступов.
На основании результатов изучения контактных взаимодействий в парах трения, при воздействии ультразвука и его влиянии на ускорение формирования микрогетерогенной среды в технологических жидкостях, раскрыт механизм снижения трения под действием высокочастотных колебаний и предложены технические решения по применению ультразвуковых систем многократного снижения трения на основе использования адгезионных характеристик в качестве критерия оптимизации параметров колебаний.
Практическая значимость. По результатам исследований свойств микрогетерогенных магнитных смазочных композиций получены расчетные зависимости интенсивности изнашивания деталей пар трения с учетом величины магнитной индукции в зоне трения, концентрации частиц, а также контактного давления, пригодные для инженерной практики.
Получены значения адгезионных коэффициентов при наличии жидкой микрогетерогенной пленки в контакте деталей пар трения, необходимые для расчета триботехнических характеристик.
Разработана методика оценки эффективности микрогетерогенных композиций, применяемых в качестве смазочных материалов, в условиях граничной и полужидкостной смазки. С использованием такой методики и целенаправленного синтеза новых веществ созданы многофункциональные присадки ЭО-1, М-121, М-122, в 2 - 3 раза снижающие износ, в сравнении с использованием типовой промышленной присадки-аналога ДФ-11, стабилизирующие уровень трения, снижающие вибрации, обладающие антикоррозионным эффектом и противозадирными свойствами.
Показана эффективность дозированного смазывания микрогетерогенными магнитными смазочными композициями пар трения
типа подпятников, а также зубчатых передач, в том числе с использованием композиций, легированных указанными присадками.
С использованием метода оценки уровня фактических напряжений в парах качения выявлена возможность осуществлять выбор оптимальных параметров механической обработки деталей пар качения, обеспечивающей требуемую микрогеометрию деталей и повышенную контактную выносливость. Разработаны две методики испытаний на контактную выносливость материалов зубчатых колес, обладающие повышенной точностью, информативностью, а также менее затратные, в сравнении с традиционными видами испытаний.
Показана эффективность использования ультразвуковых колебаний для снижения сил трения и предотвращения задиров при лезвийной обработке труднообрабатываемых сплавов. Получены данные по уровню снижения адгезионной составляющей трения, играющей основную роль в развитии задира, в зависимости от параметров колебаний, позволяющие оптимизировать технологические процессы механообработки. Показаны возможности использования ультразвуковых колебаний и микрогетерогенных смазочных композиций для создания приводных систем повышенной точности.
Разработаны средства триботехнических испытаний, обеспечивающие повышенную информативность результатов опытов.
Апробация работы. Основные положения работы докладывались на конференциях: «Триботехника - машиностроению», - Москва: 1987,1989, 1991, 2006, 2008 гг.; на Всесоюзных и международных конференциях по магнитным жидкостям,- Плес: 1988, 1991, 1995, 2000 гг.; на конференции «Гидроупругость и долговечность конструкций энергетического оборудования», -Каунас 1990 г.; на II международном симпозиуме по трибофатике , Москва 1994 г.; на международной научно-технической конференции «Актуальные проблемы трибологии»,- Самара 2007 г.; на международном авиационно-космическом салоне МАКС 2007 в рамках научно-практической конференции «Вузовская наука: Проблемы и перспективы», г. Жуковский.- 2007 г. Диссертационная работа полностью докладывалась на научных семинарах в ИМАШ РАН, ГНЦ ЦИАМ, на межвузовском научном семинаре в ТГТУ под руководством Заслуженного деятеля науки и техники РФ, д.т.н., проф. Зубчанинова В.Г.
Реализация результатов работы. Методика исследования смазочной
способности магнитных жидкостей, данные по эффективности их
применения и модификации новыми присадками переданы в СКТБ
«Полюс» г. Иваново и в НПО им. Лавочкина г. Химки для внедрения в
узлы космической техники в рамках работ по программе №26-87 и
постановлению ГКНТ №458. Рекомендации по применению
ультразвуковой лезвийной обработки переданы в НИИД для использования в авиамоторостроении. Средства испытаний: Авт. Свид.
№1829609; Авт. Свид. №1332192; прибор ГП-2 используются в Институте машиноведения РАН для научных и прикладных исследований. Методика испытаний материалов деталей трансмиссий и методика испытаний зубчатых колес №05.94.035, №05.94.036 внедрены на ФГУП ММПП «Салют», обеспечивая экономический эффект 1,4 миллиона рублей в год. На ММПП «Салют» внедрены также модернизированные, с учетом выводов настоящей работы, испытательные стенды Ш15, Ш17, Ш17А, ЛШЗО, а также средство испытаний: Пат. №83845 РФ. Реализация подтверждается актом и справками о внедрении.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 46 печатных
работ, из них 18 в изданиях, рекомендованных ВАК. 6 изобретений защищены авторскими свидетельствами и патентами. Список основных публикаций приведен в конце автореферата.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, шести глав, выводов, списка литературы, приложения и оглавления.
Во введении указаны основные цели и новизна результатов, дана общая характеристика работы.
В приложении представлены данные по промышленному использованию результатов работы.
Основной текст диссертации изложен на 252 страницах. В работу включены 75 иллюстрации, 22 таблицы и список литературы из 190 наименований.
