Содержание к диссертации
ВВЕДЕНИЕ 11
1. КОНСТРУКТОРСКО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ ПО
ВЫШЕНИЯ ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ ХАРАКТЕРИСТИК
ОПОР КАЧЕНИЯ И СКОЛЬЖНИЯ 22
1.1. СОСТОЯНИЕ ПРОБЛЕМЫ ПОВЫШЕНИЯ ЭФФЕКТИВНОСТИ И КАЧЕ
СТВА ФИНИШНОЙ ОБРАБОТКИ РАБОЧИХ ПОВЕРХНОСТЕЙ ПОД
ШИПНИКОВ КАЧЕНИЯ 24
Технологическая и эксплуатационная шероховатость рабочих поверхностей подшипников 25
Структура и свойства поверхностного слоя 27
Показатели качества поверхностного слоя 29
Особенности технологического процесса изготовления шаров.... 33
1.2. СОСТОЯНИЕ ПРОБЛЕМЫ ПОВЫШЕНИЯ НАДЕЖНОСТИ И ДОЛГО
ВЕЧНОСТИ ПОДШИПНИКОВ СКОЛЬЖЕНИЯ 38
1.2.1. Обоснование возможности разработки подшипников скольжения
на основе новых принципов и эффектов 38
1.2.2. Анализ конструкторских решений, снижающих трение в опорах
и их реализация в современных механизмах 38
1.2.3. Анализ конструкторских решений, позволяющих повысить эф
фективность эксплуатации подшипниковых и других узлов авто
мобильных двигателей 43
1.3. ВЛИЯНИЕ ТРИБОЛОГИЧЕСКИХ ФАКТОРОВ НА ЭКСПЛУАТАЦИОН
НЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ОПОР КАЧЕНИЯ И СКОЛЬЖЕНИЯ 49
Критический анализ моделей трибологических систем 54
Анализ физических явлений при скольжении и качении 66
Влияние трения покоя и движения на работоспособность опор качения и скольжения 68
1.3.4. Единство и противоположность нормального окислительного
трения и избирательного переноса в опорах качения и скольже
ния 70
5. Влияние присадок к маслам на работоспособность опор качения
и скольжения 77
ПОСТАНОВКА ОСНОВНЫХ ЗАДАЧ И СТРУКТУРА ИССЛЕДОВАНИЯ.. 87
ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ СОСТАВЛЯЮЩИЕ И КОМПЛЕКСНЫЕ
МОДЕЛИ ПРОЦЕССОВ НА РАБОЧИХ ПОВЕРХНОСТЯХ В
ОПОРАХ КАЧЕНИЯ И СКОЛЬЖЕНИЯ ПРИ ФИНИШНОЙ ОБ
РАБОТКЕ И ЭКСПЛУАТАЦИИ 91
УРАВНЕНИЕ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОГО БАЛАНСА ПРИ РАБОТЕ
ТРИБОСОПРЯЖЕНИЙ 91
Аадг - адгезионная составляющая 92
Апл - пластическая составляющая 93
Ау - упругая составляющая 1 95
СИСТЕМНЫЙ ПОДХОД К ПРОЦЕССАМ НА РАБОЧИХ ПОВЕРХНОСТЯХ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ПРИНЦИПОВ И ПОЛОЖЕНИЙ
ТАУ ; : - 95
ВАРИАНТЫ УНИВЕРСАЛЬНОГО ЯВЛЕНИЯ СТРУКТУРНОЙ ПРИСПО
СОБЛЯЕМОСТИ юз
КОНЦЕПТУАЛЬНАЯ МОДЕЛЬ ТЕРМОДИФФУЗИОННОГО ПЕРЕНОСА
ВЕЩЕСТВА И
КОМПЛЕКСНЫЕ МОДЕЛИ ТЕРМОДЕФОРМАЦИОННОГО ПЕРЕНОСА
УГЛЕРОДА В ПРОЦЕССЕ ФИНИШНОЙ ОБРАБОТКИ ШАРОВ НА ША-
РОДОВОДОЧНОМ ОБОРУДОВАНИИ 115
Влияние концентрации вещества на диффузионный поток 116
Распределение тепловых потоков и полей в процессе финишной обработки шаров доводочными дисками 121
Влияние пластической деформации в процессе финишной обработки на диффузионный поток вещества 138
Модель диффузионного потока углерода в поверхностный слой
шара в процессе окончательной доводки чугунными дисками 142
2.6. ВЫВОДЫ 149
3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЦЕССОВ НА
РАБОЧИХ ПОВЕРХНОСТЯХ ОПОР КАЧЕНИЯ И СКОЛЬЖЕ
НИЯ 152
ОБЩАЯ СТРУКТУРА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ 152
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ВЗАИМОВЛИЯНИЯ МАК-РО И МИКРОГЕОМЕТРИИ И СТРУКТУРЫ РАБОЧИХ ПОВЕРХНОСТЕЙ ДЕТАЛЕЙ ПОДШИПНИКОВ 154
Исследование микро и макрогеометрии шаров и колец подшипников 154
О противоречиях между максимальной гладкостью и структурными свойствами рабочих поверхностей деталей подшипников... 156
Экспериментальные исследования механизма формирования свойств и структуры рабочего слоя шаров подшипников 158
3.3. МЕТОДЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ СОСТОЯНИЯ
ПОДШИПНИКОВЫХ УЗЛОВ 163
Модель контактирования для оценки состояния рабочих поверхностей подшипниковых узлов в динамике 163
Модель деформирования шаром дорожки качения и аппаратура
для исследований поверхностного слоя 164
Исследование устойчивости фрикционных покрытий на рабочих поверхностях шариковых подшипников 168
Исследование влияния направления тепловых потоков на устойчивость медьсодержащих покрытий 170
3.4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ СОСТОЯНИЯ РАБОЧИХ
ПОВЕРХНОСТЕЙ ПОДШИПНИКА В ЭКСПЛУАТАЦИИ ПРИ
ЭНЕРГЕТИЧЕСКОМ, ХИМИЧЕСКОМ И КОМБИНИРОВАННОМ
ВОЗДЕЙСТВИИ НА СМАЗКУ 173
3.4.1. Методика экспериментальных исследований 173
5 3.4.2. Обработка результатов исследований состояния рабочих поверхностей подшипника в эксплуатации при энергетическом,
химическом и комбинированном воздействии на смазку 176
3.5. МЕТОДЫ КОНТРОЛЯ ВИБРОПАРАМЕТРОВ ПОДШИПНИКОВ С ША
РАМИ, ИЗГОТОВЛЕННЫМИ ПО НОВОЙ ТЕХНОЛОГИИ 182
Оценка общего уровня вибрации подшипников 182
Оценка спектров вибрации подшипника 184
3.6. ВЫВОДЫ 188
4. ИССЛЕДОВАНИЯ ИЗМЕНЕНИЯ ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИХ
СВОЙСТВ ПОВЕРХНОСТНОГО СЛОЯ ШАРОВ В ПРОЦЕССЕ
ИХ ОКОНЧАТЕЛЬНОЙ ДОВОДКИ 190
4.1. МЕТОДЫ МЕТАЛЛОГРАФИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЙ 190
Исследования микроструктуры поверхностного слоя шаров 191
Исследование микротвердости шаров 196
Исследование микротвердости рабочих поверхностей колец подшипников 199
4.2. ВИХРЕТОКОВЫЙ МЕТОД КОНТРОЛЯ ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИХ
СВОЙСТВ ПОВЕРХНОСТНОГО СЛОЯ ДЕТАЛЕЙ ПОДШИПНИКОВ 200
Сущность вихретокового метода и используемая аппаратура 200
Исследования изменения физических свойств поверхностного
слоя шаров методом вихретокового сканирования 202
ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ИЗНОСА ИНСТРУМЕНТА НА КАЧЕСТВО ФИНИШНОЙ ОБРАБОТКИ ШАРОВ ПОДШИПНИКОВ 203
ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ МАТЕРИАЛА ИНСТРУМЕНТА НА КАЧЕСТВО ФИНИШНОЙ ОБРАБОТКИ ШАРОВ ПОДШИПНИКОВ 206
ИССЛЕДОВАНИЯ СТРУКТУРНЫХ ИЗМЕНЕНИЙ В ПОВЕРХНОСТНОМ СЛОЕ ШАРОВ ПОДШИПНИКОВ МЕТОДОМ ВТОРИЧНОЙ ИОННО-ИОННОЙ ЭМИССИИ 211
4.5.1. Методика исследования химического состава поверхностного
слоя рабочих поверхностей в технологическом сопряжении 211
4.5.2. Результаты экспериментальных исследований структурных из-
менении в поверхностных слоях шаров подшипников и дово
дочного инструмента методом вторичной ионно-ионной эмис
сии 219
ВЫВОДЫ 224
КОНСТРУКТИВНЫЕ И ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ ПОДШИПНИКОВ СКОЛЬЖЕНИЯ НА ОСНОВЕ НОВЫХ
ПРИНЦИПОВ И ЭФФЕКТОВ 227
НАУЧНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ, ИСПОЛЬЗОВАННЫЕ ПРИ РАЗРАБОТКЕ
НОВОЙ КОНСТРУКЦИИ ПОДШИПНИКА СКОЛЬЖЕНИЯ 227
РАСЧЕТ ПОСАДОК РАБОЧИХ ПОВЕРХНОСТЕЙ ШАРНИРНИРНОГО ПОДШИПНИКА СКОЛЬЖЕНИЯ ДЛЯ ВОЗВРАТНО-ВРАЩАТЕЛЬНОГО
ДВИЖЕНИЯ 230
ОЦЕНКА ФАКТОРОВ, ВЛИЯЮЩИХ НА РАБОТОСПОСОБНОСТЬ ПОД
ШИПНИКА С ПРУЖИННЫМ ВКЛАДЫШЕМ 235
Геометрические параметры пружинного вкладыша 235
Внутренние силовые факторы в поперечном сечении витка пружины 237
Упругие деформации и перемещения винтовых цилиндрических
пружин 241
ПРАКТИЧЕСКАЯ РЕАЛИЗАЦИЯ КОНСТРУКЦИИ ПОДШИПНИКА
СКОЛЬЖЕНИЯ С ПРУЖИННЫМ ВКЛАДЫШЕМ 247
Анализ узлов и агрегатов, где может быть применен новый тип подшипника 247
Конструктивные особенности новых подшипников скольжения
на базе игольчатых подшипников 943/20 252
Особенности технологического процесса изготовления нового подшипника 253
Использование шарнирных подшипников новой конструкции в других узлах транспортной техники 255
Расчет экономического эффекта от внедрения крестовин с под-
шипниками для возвратно-вращательного движения 260
5. ВЫВОДЫ 262
МЕТОДЫ ВОЗДЕЙСТВИЯ НА ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ЖИД
КОСТИ И ПРИМЕНЕНИЕ ПРИСАДОК С ЦЕЛЬЮ ИЗМЕНЕ
НИЯ ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ОПОР КА
ЧЕНИЯ И СКОЛЬЖЕНИЯ 264
МЕТОДИКА ПЛАНИРОВАНИЯ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОГО ИССЛЕДОВАНИЯ ТРАНСМИССИОННОЙ СМАЗКИ ТАД-17 ПОСЛЕ ВОЗДЕЙСТВИЯ НА НЕЕ НИЗКОЭНЕРГЕТИЧЕСКОГО ЛАЗЕРНОГО И СВЧ ИЗЛУЧЕНИЙ 264
ОБРАБОТКА И АНАЛИЗ РЕЗУЛЬТАТОВ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ ТРАНСМИССИОННОЙ СМАЗКИ ТАД-17 ПОСЛЕ ВОЗДЕЙСТВИЯ НА НЕЕ НИЗКОЭНЕРГЕТИЧЕСКОГО ЛАЗЕРНОГО И СВЧ ИЗЛУЧЕНИЙ 271
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ФОРМИРОВАНИЯ ФРИКЦИОННЫХ ПОКРЫТИЙ ПРИ ИСПОЛЬЗОВАНИИ РАЗЛИЧНЫХ СМАЗОК С ПРИСАДКАМИ В ОПОРАХ КАЧЕНИЯ И СКОЛЬЖЕНИЯ 276
Исследование влияния присадок «ХАДО» и «Реагент-2000» на момент трения и нагрузочную способность смазки в опоре качения 278
Исследование влияния присадки «ХАДО» на изменение динамического контактного сопротивления Rm в подшипниках качения. 281
Исследования изменения общего уровня вибрации подшипников качения под воздействием различных присадок в смазке 283
Исследования шарнирных подшипников скольжения типов Ш20 - Ш60 с различными присадками к смазке и испытания в эксплуатационном режиме '.... 285
4. ВЫВОДЫ 289
ПРАКТИЧЕСКАЯ РЕАЛИЗАЦИЯ МЕТОДОВ ПОВЫШЕНИЯ КАЧЕСТВА И ДОЛГОВЕЧНОСТИ ОПОР КАЧЕНИЯ И СКОЛЬ-
8
ЖЕНИЯ 292
РЕСУРСНЫЕ ИСПЫТАНИЯ ПОДШИПНИКОВ С ШАРАМИ, ИЗГОТОВЛЕННЫМИ ПО НОВОЙ ТЕХНОЛОГИИ 292
СРАВНИТЕЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ АВТОМОБИЛЬНЫХ ГЕНЕРАТОРНЫХ ПОДШИПНИКОВ 180302 ПРОИЗВОДСТВА САРАТОВСКОГО
И ВОЛОГОДСКОГО ПОДШИПНИКОВЫХ ЗАВОДОВ 297
ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКИЙ ЭФФЕКТ ОТ ВНЕДРЕНИЯ РЕЗУЛЬТАТОВ ИССЛЕДОВАНИЙ И КОРРЕКТИРОВКИ РЕЖИМОВ ФИНИШНОЙ ОБРАБОТКИ ШАРОВ ПОДШИПНИКОВ 307
ПОВЫШЕНИЕ НАДЕЖНОСТИ И ДОЛГОВЕЧНОСТИ ОПОР БУРОВЫХ ШАРОШЕЧНЫХ ДОЛОТ 311
Общие сведения о буровых шарошечных долотах 311
Конструкция буровых шарошечных долот 314
Основные схемы опор буровых шарошечных долот 315
Износ опор долот 320
Повышение эксплуатационных характеристик опор буровых шарошечных долот 322
7.5. ВЫВОДЫ 339
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 341
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 344
ПРИЛОЖЕНИЯ 371
Приложение 2.1. Расчет температурных полей, возникающих в поверхностных слоях шара и доводочных дисков в процессе ша-
родоводки 372
Приложение 2.2. Расчет формы диффузионного потока углерода
в поверхностный слой шара в процессе шародоводки 380
Приложение 3.1. Протокол измерений параметров качества дета
лей подшипников серии 180302 381
Приложение 3.2 Протокол измерения параметров макро- и мик
рогеометрии шаров и колец подшипников серии В 6-5 03 05А2 382
9
Приложение 3.3 Анализ временных рядов при энергетическом,
химическом и комбинированном воздействии на смазку в под
шипнике 385
Приложение 3.4. Спектрограммы вибрации подшипников 396
Приложение 4.1. Протокол измерений микротвердости поверх
ностного слоя шаров 401
Приложение 4.2. Патент на изобретение №2242352 «Способ
окончательной доводки шаров подшипников» 404
Приложение 4.3. Результаты исследований окончательной до- 405 водки шаров п/ш 180302 с применением нового инструмента в
комплексном технологическом процессе
Приложение 4.4.Таблица стабильных изотопов химических эле
ментов 409
Приложение 5.1. Патент на изобретение №2162552 «Подшипник
скольжения для возвратно-вращательного движения» 411
Приложение 5.2. Диплом IV Московского международного сало
на инноваций и инвестиций 412
Приложение 5.3. Значения В и С для расчета пружинного вкла
дыша 413
Приложение 5.4. Расчет характеристики пружинного вкладыша в
подшипнике для возвратно-вращательного движения 414
Приложение 5.5. Акт внедрения на предприятиях «Управления
автомобильного транспорта Саратовской области» 416
Приложение 5.6. Акт внедрения в «Ассоциации грузоперевозчи-
ков и экспедиторов Саратовской области» 418
Приложение 5.7. Акт внедрения в ОАО «Автоколонна 1181» 420
Приложение 6.1. Результаты обработки экспериментальных дан
ных облучения низкоэнергетическим лазерным и СВЧ-полем
трансмиссионной смазки ТАД-17 422
10
Приложение 6.2. Акт ресурсных испытаний шарнирных под
шипников Ш-20 424
Приложение 7.1. Акт ускоренных ресурсных испытания под
шипников В6-50305А2ЕШ1 429
Приложение 7.2. Акт внедрения на ОАО «СПЗ» от 12.09.2002г... 430
Приложение 7.3. Протокол № 37 от 17.10.2002 совещания техни
ческого совета главных специалистов ОАО «СПЗ» 431
Приложение 7.4. Акт внедрения на ОАО «СПЗ» от 10.07.2006г.... 432
Приложение 7.5. Патент на изобретение № 2214497 «Опора
скольжения шарошечного долота» 435
Введение к работе
Проблема обеспечения надежности и долговечности машин, приборов, транспортных средств, автоматического оборудования и военной техники является одной из важнейших в современных условиях, без решения которой не могут быть достигнуты технический прогресс и экономическое процветание общества. Это не только экономия средств, дефицитных материалов, топлива и энергии, но и экологическая чистота, техническая безопасность и материальное благополучие общества, использующего разного рода технические средства. Развитие современной техники характеризуется повышенными требованиями к качеству и надежности машин, неразрывно связанному с их эксплуатационными характеристиками.
Практика эксплуатации изделий различного назначения и исследования причин их отказов показали, что большинство отказов возникают не от того, что отдельные детали оказываются недостаточно прочными и ломаются, а от износа, старения и сопровождающих их эффектов: активации фрикционной коррозии, схватывания, задира и заклинивания, усталостного разрушения и ох-рупчивания рабочих поверхностей, водородного эффекта и др. В результате этих процессов происходит деградация свойств рабочих поверхностей деталей и возникают отказы различных узлов машин. Во многих случаях отсутствует прямая связь между объемной и поверхностной прочностью, которая может быть и обратной (мягкий подшипник-вкладыш изнашивается меньше, чем закаленная шейка вала).
К сожалению, прогнозирование видов изнашивания различных узлов машин является в настоящее время сложной задачей и не учитывается при разработке новых материалов, технологий, конструкций различных узлов, которые создавались на основе объемной теории прочности. Недооценка этого является также одной из причин того, что наши машины по ряду показателей уступают лучшим зарубежным образцам. Так, исследования явления фрикционной непроводимости (ФН) [1] показали, что большинство отказов транспортной и
12 другой техники, причины которых считались неизвестными, также связаны с малоизученными эффектами, которые не устраняются традиционными мерами. В одном из изделий, которое исследовалось, систематические отказы, вызванные эффектом активации фрикционной коррозии (АФК) не устранялись даже при наличии 100-кратного резервирования контактирующих элементов. В специальной литературе нет конкретных и достаточно обоснованных рекомендаций по устранению отказов такого рода, а имеющиеся рекомендации построены либо на не подтвержденных экспериментами представлениях о процессах в поверхностном слое, либо на моделях, не отражающих истинные процессы, где совпадение с результатами экспериментов достигается за счет эмпирических коэффициентов, вклад которых в результат расчета оказывается выше, чем собственно закона. Управлять износостойкостью с помощью такой модели представляется абсурдным. Не случайно, автор работы [2] подчеркивал, что результат зависит от степени соответствия выбранного математического аппарата физическим представлениям.
Поэтому основной задачей является получение информации о наиболее вероятных механизмах физических процессов, возникающих при контактном взаимодействии рабочих поверхностей узлов различных машин и механизмов транспортной и другой техники. Владея такой информацией, зная, что же на самом деле происходит между контактирующими поверхностями, можно найти наиболее рациональный способ устранения отказов (совершенствованием материалов контактных элементов, их технологии, конструкции, режима работы, смазки или их комбинации). Специфика работы узлов машин и механизмов, а также механизмы изнашивания рабочих поверхностей, таковы, что они существенно преображают свойства контактирующих материалов, где, наряду с разрушительными, возникают созидательные процессы, отражающие способность конструкционных материалов к самоорганизации (адаптации). Наша задача в этом случае состоит в том, чтобы выявить и обеспечить условия эксплуатации узлов и механизмов, при которых адаптация служебных свойств проявляется
13 наиболее интенсивно, превратить процессы в них из разрушительных в созидательные. Важная роль в решении такой задачи принадлежит технологии финишной обработки и продолжению созидательного процесса улучшения свойств поверхностного слоя в эксплуатации путем назначения для этого соответствующих материалов, способов смазки, режимов и условий эксплуатации.
Во многих известных нам работах отсутствует органическая связь между процессами при финишной обработке и в эксплуатации, которые рассматриваются раздельно. В настоящей работе предлагается связать два эти направления на основе энергетических представлений о процессах диссипации энергии и построения гипотез и моделей о превращении отдельных частей этой энергии в чистые потери, продукты износа и, в том числе, в положительные формы активации, участвующие в совершенствовании (самоорганизации) служебных свойств поверхностного слоя контактирующих материалов. При этом предлагается системный подход, при котором представляется система, в которой входной величиной является работа, а выходной - тепло и поверхностная энергия продуктов износа.
Применяемые в настоящее время методы исследования структур и свойств поверхностного слоя, в том числе и с использованием для этого современной микроаналитической аппаратуры, все же в основном остаются статическими и позволяют оценить, что было до, или стало после испытаний, но не во время работы узла, когда резко изменяются свойства твердого тела. Речь должна идти о динамических свойствах контактирующих материалов, которые резко отличаются от статических и пока не представлены в справочной литературе. Для этого предложена специальная методика и аппаратура, позволяющая наблюдать за поведением контактирующих материалов в динамике и количественно оценить, с помощью статистических критериев, насколько один материал, способ обработки и т.д. лучше или хуже другого. Проведенные исследования финишной операции - окончательной элеваторной доводки шаров подшипников дали более глубокое представление о процессах и механизмах и о
14 сущности явлений, сопровождающих такие виды обработки, а также позволили управлять основными характеристиками качества поверхностного слоя рабочих поверхностей. В настоящей работе исследуется возможность повышения устойчивости защитных вторичных структур с использованием для этого различных способов управления устойчивостью фрикционных покрытий. В том числе, путем выбора рациональных режимов финишной обработки на базе комплексного исследования физических процессов, оказывающих влияние на формирование свойств рабочих поверхностей, а также совершенствованием их конструкции. Кроме того, исследуется возможность применения различных энергетических воздействий, которые запускают в эксплуатацию созидательные процессы формирования свойств поверхности, повышающие эксплуатационные характеристики готовых изделий.
Основные положения теоретических и экспериментальных исследований легли в основу для разработки рациональных режимов финишной обработки шаров подшипников, обеспечивающих достижение эксплуатационных характеристик подшипников на уровне лучших мировых образцов, а также в основу конструкции безызносного подшипника скольжения для возвратно-вращательного движения, который может быть широко использован в транспортной и другой технике.
Выполненные в настоящей работе исследования показали принципиальную возможность снижения затрат на производство с одновременным повышением качества готовых подшипников и использованием новейших трибологи-ческих принципов и эффектов в технологии финишной обработки их рабочих поверхностей, а также возможность создания таких конструкций подшипников, в которых минимизированы процессы изнашивания.
Цель работы - Повышение качества и эксплуатационных характеристик подшипников за счет совершенствования технологии финишной обработки их рабочих поверхностей с использованием новых триботехнических методов, формирования рациональных физико-механических свойств поверхностного
15 слоя деталей, совершенствования конструкции подшипников, а также оборудования и инструмента комплексными конструкторско-технологическими методами.
Работа выполнена в Саратовском государственном техническом университете в период 1996...2008гг. Решение отдельных частных задач по теме диссертации и внедрение результатов в производство выполнено автором совместно с аспирантами Бузовым А.В., Каракозовой В.А. и Решетниковым А.Г. В рамках выполненных исследований под научной консультаций автора работы защищена одна кандидатская диссертация.
Актуальность темы подтверждается тем, что проблема повышения качества, эксплуатационных характеристик и конкурентоспособности подшипников различных технологических и транспортных машин, приборов, автоматического оборудования и т.п. является одной из важнейших в современных условиях, без решения которой не может быть достигнут технический прогресс. Главной тенденцией при производстве и эксплуатации машин является повышение качества контактирующих поверхностей деталей, влияющее, прежде всего, на их долговечность и определяемое геометрическими параметрами (размерной точностью, отклонением от круглости, волнистостью, шероховатостью), структурой и физико-механическими свойствами поверхностных слоев,. В этой связи одной из наиболее важных и актуальных проблем технологии машиностроения является создание и совершенствование научно обоснованных и экономически целесообразных технологических процессов финишной обработки рабочих поверхностей деталей, позволяющих получать заданные свойства поверхностного слоя рабочих поверхностей и сохранять их в эксплуатации путем назначения для этого соответствующих видов обработки, режимов, материалов, способов смазки и условий эксплуатации. Диссертация выполнена в соответствии с планом Саратовской области по подпрограмме развития промышленности Саратовской области на 2001-2005 годы.
Научные положения и результаты работы, выносимые на защиту:
1. Технологии финишной обработки шаров, в основе которых:
введение оперативного контроля структурных изменений методом вихре-токового сканирования с целью выявления и окончания стадии доводки, в которой заданные геометрические параметры и размерная точность коррелируют с отсутствием псевдоструктуры поверхностного слоя;
устранение трибоцементации путем применения комплексной технологии доводки с применением нового инструмента - стальных и силумино-вых дисков.
Комплексные модели переноса активированных компонентов за счет термодеформационной активации поверхности при финишной обработке шаров и эксплуатации подшипников, направленные на выявление механизмов формирования структуры поверхностного слоя.
Явление, названное «трибоцементацией», возникающее при финишной обработке шаров подшипников в результате активации их поверхности микропластической деформацией и диффузии углерода в поверхностный слой шаров, и закономерности его сопровождающие.
Характер структурных изменений на рабочих поверхностях шаров при финишной обработке и в эксплуатации, где периодически возникают и разрушаются аналогичные псевдоструктуры, снижающие качество и надежность подшипников.
Конструкции и технологии высоконадежных шарнирных подшипников с упругим подвижным вкладышем, с использованием новых принципов и эффектов (упругий натяг вместо зазора, идеи проф. Жуковского и др.) и методика расчета.
Методы активации внешним энергетическим воздействием (лазер, СВЧ, ультразвук) технологических жидкостей, смазок и присадок к ним, применяемых в опорах качения и скольжения для повышения их эксплуатационных характеристик.
17 7. Результаты экспериментальных исследований, производственных испытаний и внедрения подшипников, изготовленных по новым технологиям.
Научная новизна. На основании комплексных теоретических и экспериментальных исследований, а таюке внедрения результатов в производство решена актуальная проблема, связанная с повышением качества, эксплуатационных характеристик подшипников качения и скольжения и их конкурентоспособности, при этом научная новизна заключается в следующем:
Решена проблема повышения качества и эксплуатационных характеристик подшипников качения за счет совершенствования технологии финишной обработки с формированием заданных физико-механических свойств их рабочих поверхностей применением триботехнологий, а таюке за счет конструктивно-технологических особенностей подшипников скольжения с реализацией установленных трибологических механизмов и закономерностей в эксплуатации.
Разработан комплекс взаимосвязных моделей, направленных на выявление механизма формирования структуры поверхностного слоя за счет термодеформационных процессов, сопровождающихся переносом активных компонентов вещества при финишной обработке шаров и эксплуатации подшипников, состоящий из:
концептуальной модели термодиффузионного переноса вещества в металле;
модели распределения тепловых потоков и полей в процессе финишной обработки шаров доводочными дисками;
модели диффузионного потока углерода в поверхностный слой шара в процессе окончательной доводки чугунными дисками под действием градиентов концентрации, температуры и пластической деформации;
экспериментально-аналитическая модель переупрочнения поверхностного слоя шаров на операции окончательной доводки за счет диффузии углерода, как из объема материала шара, так и из материала доводочных дисков.
Установлено неизвестное ранее явление, названное «трибоцементацией», возникающее при финишной обработке шаров подшипников за счет диффузии углерода в их поверхностный слой и сопровождающееся возникновением хрупкой переупрочненной псевдоструктуры с повышенной микротвердостью, приводящее к снижению физико-механических свойств поверхностного слоя. Выявлен главный источник трибоцементации - чугунные доводочные диски с большим запасом углерода, на этом основании предложено решение устранения формирования псевдоструктуры заменой материала дисков на мало содержащие и не содержащие углерод. Явление трибоцементации подтверждено методом вторичной ионно-ионной эмиссии, с помощью которого установлен химический состав пседоструктуры поверхностного слоя шаров с количественной оценкой содержания карбидов железа в нем, а также углерода на поверхности желобов доводочных дисков. Механизм этого явления характеризуется выглаживанием поверхности, сопровождающимся пластическим деформированием, а не в шлифовании и резании, а также закономерностями: скачкообразностью и периодичностью образования и разрушения псевдоструктур в поверхностном слое, коррелирующими с изменением макро и микрогеометрии.
Разработана технология шародоводки, позволяющая исключить явление трибоцементации на основе:
технологического процесса финишной обработки (окончательной доводки) шаров, внедренного и защищенного патентом, исключающего образование в поверхностном слое псевдоструктур, на основе выявления в процессе доводки стадии, в которой заданные геометрические параметры и размерная точность коррелируют с отсутствием псевдоструктуры поверхностного слоя,;
исключения источника трибоцементации - применением нового инструмента в комплексном технологическом процессе с использованием стальных и силуминовых доводочных дисков.
Раскрыта идентичность механизмов процессов финишной обработки и эксплуатации опор качения и скольжения, заключающаяся в активации рабочих поверхностей микропластической деформацией и формировании псевдоструктур, на основании которой разработаны методы, позволяющие на стадии финишной обработки обеспечить такой механизм съема металла с рабочих поверхностей, который продолжится в эксплуатации и минимизирует износ и потери энергии. На этой основе, и в комбинации с другими триболо-гиическими эффектами разработан, теоретически обоснован и экспериментально проверен подшипник скольжения повышенной долговечности с подвижным пружинным вкладышем, конструкция которого защищена патентом, а также разработана методика его расчета.
Разработаны методы активации технологических жидкостей, смазок и присадок к ним внешним энергетическим воздействием (лазером, СВЧ, ультразвуком), применяемые в опорах качения и скольжения и повышающие их эксплуатационные характеристики на различные периоды времени в зависимости от вида воздействия.
Практическая ценность работы. Разработан способ окончательной доводки шаров подшипников (патент №2242352), заключающийся в том, что с помощью оперативного контроля процесса доводки выявляют стадию (время окончания доводки) в которой заданная точность сочетается с отсутствием псевдоструктуры. Способ внедрен при производстве шаров подшипников на ОАО «СПЗ». Производительность на операции доводки повысилась в 2...4 раза без дополнительных материальных затрат на модернизацию техпроцесса. Получена значительная экономия электроэнергии, инструмента и материалов. Снижен общий уровень вибрации подшипников с шарами, изготовленными по новой технологии, на 6...8 дБ. Выявлены основные причины повышенного уровня вибрации подшипников ОАО «СПЗ» по сравнению с лучшими отечественными и зарубежными аналогами (хрупкая псевдоструктура на поверхности шаров, а также неравномерность профиля дорожек качения колец) и предло-
20 жены меры по их устранению. Разработана новая конструкция подшипника скольжения для возвратно-вращательного движения с пружинным вкладышем (патент №2162552, золотая медаль IV Московского международного салона инноваций и инвестиций, ВВЦ февраль 2004г.). Долговечность опор скольжения для возвратно вращательного движения повышается в 3...5 раз. При испытаниях шарнирных подшипников скольжения с рекомендованной СГТУ присадкой к смазке получено 20-кратное превышение ресурса. Имеется возможность использования результатов исследований в другой предметной области -оборудовании для добычи нефти, газа и горных пород. В частности, разработана новая конструкция опоры скольжения шарошечного долота (патент № 2214497).
Реализация результатов работы. На основе результатов исследований на предприятиях Саратовской области внедрены: на ОАО «СПЗ» - новый технологический процесс доводки шаров; подшипник скольжения для возвратно вращательного движения на предприятиях Управления автомобильного транспорта Саратовской области, в Ассоциации автомобильных перевозчиков и экспедиторов по Саратовской области, в ОАО «Автоколонна 1181». Достигнуто соглашение с фирмой «ЛУКС» о совместной разработке и внедрении новой конструкции долота. Результаты теоретических и экспериментальных исследований используются в учебном процессе на кафедрах «Автомобили и автомобильное хозяйство» и «Автоматизация и управление технологическими процессами» СГТУ.
Апробация работы. Основные результаты диссертации докладывались на 23 конференциях различного уровня. На международных конференциях и симпозиумах: POLISH ACADEMY OF SCIENCES EXPLOITATION PROBLEMS OF MACHINES, (Варшава 1998г.); МЕТАЛЛДЕФОРМ'99 (Самара 1999г.); на VIIth INTERNATIONAL SYMPOSIUM INTERTRIBO '99 PROCEEDINGS TRIBOLOGICAL PROBLEMS IN EXPOSED FRICTION SYSTEMS, Stara Lesna (Словакия 1999г.); «Надежность и качество в промышленности, энерге-
21 тике и на транспорте» (Самара, 1999г.); «СЛАВЯНТРИБО-5 Наземная и аэрокосмическая трибология - 2000: проблемы и достижения» (Рыбинск, 2000г.); на конференции посвященной памяти генерального конструктора аэрокосмической техники академика Н.Д. Кузнецова (Самара 2001г.); «Совершенствование технологии и организации обеспечения работоспособности машин с использованием восстановительно-упрочняющих процессов» (Саратов 2002г.); «Актуальные проблемы надежности технологических, энергетических и транспортных машин» (Самара 2003г.); «Механика и трибология транспортных систем-2003» (Ростов-на-Дону 2003г.); «Славянтрибо-7а Теоретические и прикладные новшества и инновации обеспечения качества и конкурентоспособности инфраструктуры сквозной логистической поддержки трибообъектов и их производства» (Санкт-Петербург 2006г.). На научно-технических конференциях: «Фундаментальные и прикладные исследования саратовских ученых для процветания России и Саратовской губернии» (Саратов 1999г.); «Актуальные проблемы транспорта Поволжья и пути их решения. 10 лет Академии транспорта России» (Саратов 2001г.); в Саратовском государственном техническом университете на кафедрах «Технология машиностроения», «Конструирование и компьютерное моделирование технологического оборудования в приборо- и машиностроении», «Автоматизация и управление технологическими процессами», «Автомобили и автомобильное хозяйство» с 1997 по 2008гг.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 47 работ (9 в изданиях, рекомендованных ВАК), в том числе 1 монография, 3 патента РФ на изобретение.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения 7 глав и выводов, включает 370 страниц текста, 23 таблицы, 192 рисунка и приложения. Список литературы содержит 242 наименования.
Автор считает своим долгом выразить глубокую признательность и благодарность за советы и помощь при выполнении настоящей работы коллективам кафедр АТП и ААХ СГТУ.
