Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Анализ работы бытовых машин 12
1.1. Особенности эксплуатации узлов трения бытовых машин 12
1.1.1. Причины отказов фрикционных узлов бытовых машин 12
1.1.2. Актуальность применения триботехнических методов повышения долговечности узлов трения бытовых машин 19
1.2. Третьи тела узлов трения бытовых машин 22
1.3. Диффузия в узлах трения 26
1.4. Структурные изменения поверхностных слоев при трении 28
1.5. Трибохимия фрикционного контакта 32
1.6. Управление фрикционными характеристиками трибосопряжений бытовых машин 35
ГЛАВА 2. Экспериментальные методы исследования процессов, протекающих при трении в зоне фрикционного контакта бытовых машин 37
2.1. Экспериментальные методы микроанализа трибопроцессов (достоинства и недостатки) 37
2.1.1. Рентгеноспектральный флуоресцентный анализ 39
2.1.2. Рентгеноспектральный микроанализ 44
2.1.3. Электронная спектроскопия 46
2.1.4. Туннельная микроскопия 48
2.1.5. Электромагнитное санирование поверхности трения 49
2.2. Контроль фрикционных параметров узлов трения бытовых машин 53
2.2.1. Выбор установки и схемы испытаний 53
2.2.2. Технические характеристики трибометрической установки 54
2.2.3. Требования к составным частям установки 55
2.2.4. Устройство установки
2.2.5. Усовершенствование измерительных систем для определения триботехнических характеристик 58
2.2.6. Измеритель момента трения 63
2.2.7. Измерение износа образцов 64
2.2.8. Электропривод с защитой от перегрузки 65
2.2.9. Механизм нагружения образцов 66
2.2.10. Настройка и градуировка измерительных датчиков 67
2.2.10.1. Настройка частоты вращения контртела 67
2.2.10.2. Настройка измерения момента трения 68
2.2.11. Подготовка к работе и порядок работы на трибометрической установке 69
ГЛАВА 3. Трибоплазма 71
3.1. Теоретическое описание трибоплазмы, как состояния вещества в области фрикционного контакта 71
3.2. Постплазменные состояния вещества узла трения. Трибохимические реакции 82
3.3. Влияние электромагнитного воздействия на фрикционный контакт 92
3.4. Интенсификация формирования третьих тел посредством электромагнитного воздействия 103
ГЛАВА 4. Структурные особенности третьего тела в узлах трения бытовых машин 113
4.1. Серфинг - пленки 113
4.1.1. Кинетика возникновения и структура третьего тела, образующегося при трении металлополимерных трибосопряжений в режиме избирательного переноса 122
4.2. Координационные соединения Иітретьи тела 129
4.2.1. Общие поведенческие черты1 существования третьих тел 129
4.2.2. Минеральные модификаторы трения 134
ГЛАВА 5. Практические методы интенсификации процессов смазки трибосопряжений бытовых машин 149
5.1. Влияние электрического поля на фрикционные характеристики трибосопряжений бытовых машин 149
5.1.1. Воздействие электрического плоя на металлополимерные трибосопряжения 152
5.1.2. Применение электрического поля для узлов трения бытовых машин, работающих в условиях граничной смазки 155
5.1.3. Влияние электрического поля на фрикционные характеристики минеральных модификаторов трения 157
5.1.4. Система электронного управления фрикционными параметрами узлов трения 159
5.1.4.1. Техническая реализация управления фрикционными процессами трибосопряжений посредством эффекта поля 161
5.1.4.2. Практическое использование «Системы электронной поляризации горюче-смазочных материалов» в узлах трения бытовых
машин 163
5.2. Поверхностная модификация металлических материалов узлов трения бытовых машин 168
Основные результаты работы и выводы 174
Библиографический список
- Актуальность применения триботехнических методов повышения долговечности узлов трения бытовых машин
- Рентгеноспектральный флуоресцентный анализ
- Постплазменные состояния вещества узла трения. Трибохимические реакции
- Влияние электрического поля на фрикционные характеристики минеральных модификаторов трения
Введение к работе
Актуальность темы. Бытовые машины и приборы являются с учетом широкой номенклатуры выпускаемых изделий и постоянного роста объема их выпуска самым распространенным и в последнее время обязательным атрибутом населения Российской Федерации.
Анализ проблем эксплуатации бытовых машин (Гаркунов Д.Н., Прокопенко А.К., Посеренин СП., Лепаев Д.А. и др.) установил, что причины выхода из строя данных машин в 80% случаев связаны с недостаточной надежностью узлов трения, входящих в их конструкцию. Число обращений в сервисные службы по ремонту и обслуживанию бытовой техники за первый год эксплуатации колеблется по различным ее видам от 4 до 30%. Затраты на ремонт и техническое обслуживание таких машин оказываются соизмеримыми, а иногда и превышающими стоимость последних.
Одним из путей решения проблемы повышения эффективности эксплуатации бытовых машин является создание на трущихся поверхностях их функциональных узлов третьих тел, прочно удерживающихся на них и определяющих оптимальные характеристики фрикционного процесса.
Формированию третьих тел предшествует переход вещества трибосопряжения в особое малоизученное сверхвозбужденное состояние -трибоплазму. Крупнейшие трибології современности Хайнике Г., Эбелинг В., Белый В.А., Гаркунов Д.Н., Костецкий Б.И., указывали на первоочередную необходимость исследования трибохимических процессов с позиций плазмохимических превращений вещества и каталитического влияния на них со стороны физических полей.
В настоящей работе с целью повышения эффективности эксплуатации бытовых машин представляется актуальным разработать комплекс физических способов воздействия на процесс формирования третьих тел на контактирующих поверхностях узлов трения данных машин. Предлагаемый способ основывается на современных представлениях трибохимии
фрикционного контакта, физико-химических аспектах возникновения третьих
тел с позиций перехода вещества . трибосопряжения в особое сверхвозбужденное состояние - трибоплазму и последующих плазмохимических превращений вещества в зоне трения, протекающих при релаксации плазменных процессов, а также влияния физических полей на данные процессы.
Актуальность и перспективность настоящей работы представляется бесспорной как с точки зрения установления и объяснения новых научных фактов, так и решения задач прикладного характера, касающихся повышения эффективности эксплуатации бытовых машин. Последнее, учитывая широкий парк бытовой техники, количество сервисных служб, материально-технические затраты на проведение ремонтных работ и социокультурные аспекты ее (техники) эксплуатации, имеет в масштабах страны огромное социальное и экономическое значение.
Цель и задачи исследований. Целью настоящей работы является разработка универсального способа повышения эффективности эксплуатации бытовых машин посредством управления фрикционными характеристиками их трибосопряжений с использованием электромагнитных полей.
Для достижения поставленной цели были сформулированы и решены следующие задачи:
1, Разработать на основании данных об особенностях процессов
массопереноса и динамики изменения структуры поверхностных слоев
трибосопряжений феноменологическую модель плазменных и постплазменных
состояний вещества.
2. Выбрать комплекс аналитических методов физико-химического
исследования поверхностных слоев узлов трения бытовых машин,
позволяющих достоверно дополнить решение предыдущей задачи.
3. Описать характер воздействия внешних электромагнитных полей на плазменные и постплазменные процессы в области фрикционного контакта машин бытового назначения, а таїоке изучить это влияние на формирование третьих тел.
Исследовать структурные особенности смазочных слоев, возникающих в различных узлах трения бытовых машин, выявить их основные закономерности.
Разработать, на основании полученных результатов, универсальный способ управления фрикционными процессами, протекающими в узлах трения бытовых машин, а также антифрикционные добавки к материалам триботехнического назначения.
Обьеісг и предмет исследования. В настоящей работе объектом исследования являются узлы трения бытовых машин. Предметом исследований является процесс формирования структуры смазочных слоев в подвижных сопряжениях машин бытового назначения под влиянием внешних электромагнитных полей, а также создание на основе исследования данного процесса эффективных смазочных и антифрикционных полимерных материалов.
Методы исследований. Поставленные задачи решались теоретическими и экспериментальными методами.
Теоретическая часть работы основывалась на фундаментальном аппарате квантовой теории твердого тела, физики плазмы, теории массопереноса и аппарата молекулярно-кинетической теории трения. Теоретические исследования проверялись и обосновывались при помощи современных методов физического анализа поверхности твердого тела, включающих в себя: рентгеноспектральний флуоресцентный анализ (РСФА), Оже - электронную спектроскопию (ЭОС), а также комплекс электромагнитного санирования узлов трения.
Фрикционные параметры сопряжений контролировались на специально сконструированной лабораторной установке для испытания малых образцов на кафедре «Машины и аппараты бытового назначения» ГОУ ВПО ЮРГУЭС; четырехшариковой машине трения (ЧШМ) в НИИ «Физической и органической химии» ЮФУ, что обеспечило высокую достоверность полученных результатов.
Производственные испытания выполнены на предприятиях Ростовской области и Краснодарского края. Научная новизна.
- Предложена гипотеза, основанная на предположении о трибоплазме как
квазигазовом образовании, раскрывающая особенности возникновения и
развития трибоплазмы, и получены аналитические выражения, описывающие
кинетику плазменных и постплазменных процессов в области фрикционного
контакта подвижных сопряжений бытовых машин.
Произведена теоретическая оценка трибохимического КПД, до настоящего времени не поддающегося аналитическому описанию, а принимаемого на основании косвенных экспериментальных результатов.
Экспериментальными исследованиями нового типа присадок к смазочным материалам - минеральных модификаторов трения, расширены представления о гетерогенной структуре третьих тел, состоящих из квазикристаллической микроподложки, обеспечивающей совместно с внешними слоями мезогенной природы принцип положительного градиента механических свойств и антифрикционных параметров, соответствующих граничному трению.
Предложен универсальный способ управления фрикционными характеристиками узлов трения бытовых машин различного конструктивно-технологического типа, не требующий их конструктивных изменений, основанный на воздействии на плазменные и постплазменные состояния вещества со стороны внешних электромагнитных полей.
Практическая ценность и реализация результатов исследований.
- Разработан феноменологический подход к описанию трибоплазменных
процессов, позволяющий раскрыть механизм протекания трибохнмических
реакций в начальной стадии трения, обуславливающих формирование на
поверхностях трущихся тел смазочных структур.
- Разработано электронное устройство, позволяющее управлять
фрикционными характеристиками трибосопряжений бытовых машин, а также
других типов машин различного параметрического ряда, в частности
технологического оборудования, с целью повышения его эффективности эксплуатации.
- Разработанные составы новых противоизносных присадок к смазочным
материалам и антифрикционный полимерный материал, показали высокую
эффективность применения в узлах трения бытовых машин, а также машин
другого назначения.
Достоверность результатов, полученных в ходе выполнения работ, подтверждается:
- экспериментальными исследованиями, выполненными на лабораторных
и промышленных стендах с применением современных методов измерения,
анализа н обработки результатов при использовании персональных
компьютеров и пакетов прикладных программ;
- использованием в качестве теоретической базы фундаментальных
исследований, выполненных отечественными и зарубежными авторами по
вопросам износостойкости, физико-химических основ контактного
взаимодействия твердых тел, условий функционирования бытовых машин;
положительными результатами производственных испытаний повышения эксплуатационной эффективности бытовых машин при использовании разработанных в настоящей работе материалов и устройств.
Апробация работы. Результаты диссертационных исследований были представлены на международных выставках г. Москва (ВЦ «Крокус-экспо»: Автоимпорт) в 2007-2008г; региональных выставках в г. Ростов-на-Дону (ВЦ «ВертолЭкспо»: Высокие технологии XXI века) в 2007-2008г. и г. Челябинск в 2008 г.
Итоги работы обсуждены на ежегодных межвузовских научно-технических
конференциях, проводимых в ЮРГУЭС (г. Шахты 2006-2009г) и доложены на
заседаниях кафедры «Машины и аппараты бытового назначения».
Результаты работы, выводы и рекомендации приняты к внедрению
предприятием по ремонту и техническому обслуживанию бытовых машин ОАО
«Иней» г.Сочи, а также компанией - производителем смазочных материалов
ООО «НПО «Супрогек»» г. Шахты.
Работа обсуждена и рекомендована к защите на расширенном заседании кафедры «Машины и аппараты бытового назначения» ГОУ ВПО ЮРГУЭС с приглашением ведущих специалистов кафедр «Прикладная механика и конструирование машин» и «Энергетика и БЖД».
Основное содержание диссертации отражено в 12 публикациях в журналах, сборниках трудов и материалах конференций (в том числе 1 в реферируемом журнале, рекомендованном ВАК), в 1 патенте РФ, 1 положительном решении о выдаче патента РФ.
Личное участие автора в получении результатов. Непосредственно автором выполнено следующее: произведен обзор публикаций и положений, существенных для разработки научной теории по тематике исследований, выбраны экспериментальные и теоретические методы исследований. Реализованы алгоритмы расчета химических констант трибохимических реакций в феноменологической модели трибоплазмы. Получены теоретические выражения, отражающие коллективное взаимодействие собственных и наведенных электромагнитных полей в трибосистеме. Обобщены и проанализированы структурные особенности существования третьих тел на примере общих закономерностей поведения минеральных модификаторов трения. Проанализированы полученные при помощи методов спектроскопии поверхности твердого тела, данные о физико-химических процессах, происходящих во фрикционном контакте, ответственных за формирование третьих тел. Проведены триботехнические испытания модельных образцов материалов, широко используемых в узлах трения бытовых машин, и новых, разработанных в ходе выполнения работы материалов.
Положения и результаты, выносимые на защиту:
Гипотеза квазигазового состояния трибоплазмы, основанная на диффузионно-энергетическом механизме эволюции фрикционных процессов.
Способ расчета основных констант трибохимических реакций, основанный на аналитическом описании постплазменного состояния вещества.
3. Представление смазочных структур как гетерогенного образования,
состоящего из квазикристаллической мономолекулярной подложки, к которой в
частности относятся серфинг-пленки, и наружного слоя (возможно мезогенного типа), толщина которого варьируется в широких пределах.
4. Закономерности фрикционного поведения минеральных
модификаторов трения и их пракгическое использование для повышения
эффективности эксплуатации как машин бытового назначения, так и других
типов машин и механизмов.
5. Универсальный способ управления фрикционными процессами узлов
трения бытовых машин с целью повышения эффективности их эксплуатации и
технические средства для'его реализации.
Объем и структура диссертации. Диссертация содержит 195 страниц, включающих 65 рисунков и 5 таблиц; состоит из введения, пяти глав, списка используемой литературы, содержащего 197 работ отечественных и зарубежных авторов, а также имеет приложение, включающее документы, подтверждающие актуальность работы и достоверность полученных результатов исследований, акты производственных испытаний (2 шт.), акты внедрения в производство (4 шт.), технические условия (1 шт.).
Актуальность применения триботехнических методов повышения долговечности узлов трения бытовых машин
Основными направлениями экономического и социального развития России предусмотрено ускоренное производство бытовой техники, призванной повышать качество жизни населения, а также перейти к изготовлению бытовых холодильников и морозильников, стиральных и швейных машин, других современных электробытовых приборов с улучшенными техническими и эксплуатационными характеристиками, высокой степенью автоматизации и сниженными энергопотреблением и материалоемкостью.
Социально-экономический эффект результата автоматизации трудоемких процессов и снижения затрат времени на ведение домашнего хозяйства подтверждается социологическими обследованиями [1].
Одним из средств роста производительности труда является интенсификация рабочего процесса машины, что приводит к ужесточению условий ее эксплуатации, в частности скоростей и нагрузок, при постоянном стремлении к снижению ее удельной массы. Это в свою очередь усиливает напряженность работы узлов машины и усложняет решение проблемы надежности. С течением времени службы возрастает количество деталей подлежащих, ремонту и замене. Соотношение затрат между процессом восстановления и приобретения новой машины сокращается и ремонт становиться не рентабельным. В связи с чем проблема совершенствования качества выпускаемой продукции и развития отрасли коммунального хазяйства и сферы услуг населения РФ в целом неотделима от решения вопросов снижения трения и износа используемого оборудования.
Подтверждением сказанному служит то, что, например, в РГУТИСе вот уже более 35 лет проводятся работы по разработке методов повышения износостойкости узлов трения оборудования, машин и инструментов, применяемых в отрасли бытового обслуживания [2], призванных обеспечить высокие антифрикционные свойства и уменьшить износ на всех этапах эксплуатации бытовых машин. Бытовые машины работают в условиях интенсивной эксплуатации, вследствие чего многие функциональные узлы часто выходят из строя вследствие быстрого изнашивания. Опыт эксплуатации бытовых машин и приборов, статистический анализ их отказов показывают, что вследствие низкой эффективности смазочных материалов, более 20% рабочего времени машины простаивают из-за выхода из строя подшипниковых узлов, в частности подшипников качения. Число их по отдельным видам оборудования колеблется от нескольких десятков до 3000. Гамма - процентный ресурс некоторых подшипников из-за их плохого смазывания в 5 — 10 раз ниже нормативного ty =0,9 [3].
Одними из основных узлов трения бытовых машин и приборов являются подшипниковые узлы качения и скольжения, основные причины отказов которых, по данным страховой компании ALLIANZ (Германия) приведены в таблице 1.1 [4].
Подшипники скольжения, а также, качения тяжелонагруженных узлов трения бытовой техники работают при высоких значениях давлений, в широком диапазоне скоростей скольжения: нагрузочно-скоросной ([p-v]) м фактор колеблется от 0,1 МПа—, для малонагруженных узлов трения электробритв и миксеров, до 1,5 МПа-—, для узлов стиральных машин; частот колебаний и температур (узлы трения хладонового компрессора бытового холодильного прибора работают в диапазоне температур от -20 до +250С, стиральных машин - до 100С); в условиях реверсивного трения и фреттинг — коррозии, при недостаточной смазке, а также проникновении в зазоры подшипников коррозионноактивной (например, поверхностно-активных веществ, входящих в состав моющих средств) и абразивной (например, пыли для уборочных машин) сред.
Подшипники качения бельеобрабатывающих машин работают в режиме трения при фаничной смазке. При этом рабочие элементы, как и в период приработки, контактируют на площади, составляющей 0,1 - 0,01 номинальной площади контакта сопряженных поверхностей. В результате участки фактического контакта испытывают большие напряжения, что приводит к интенсификации процесса изнашивания: на поверхностях трения появляются хрупкие оксидные пленки, не имеющие способности многократно деформироваться при больших удельных нагрузках, что приводит к их разрушению и выносу из зоны фрикционного взаимодействия.
Подобные условия работы подшипников приводят к интенсивному разрушению их рабочих поверхностей: образованию задиров, схватыванию и, как следствие, увеличению зазоров в подвижных сочленениях. При этом повышается виброаккустическая активность узлов трения, сопровождающаяся увеличением нагрузочной напряженности их работы и высоким уровнем шума. Последнее для некоторых видов бытовых машин и приборов (например, бельеобрабатывающих, посудомоечных, уборочных машин) не допустимо, поскольку является одним из важнейших показателей, определяющих их ценообразование. Очаги схватывания поверхностей трения при взаимном перемещении деталей вызывают дополнительные напряжения и снижают сопротивление усталости [6]. Одновременно износ деталей шарнирно-болтовых соединений с подшипниками скольжения (качения) непосредственно влияет на надежность работы других звеньев кинематической цепи. Кроме того, продукты изнашивания могут засорить или закупорить смазочные каналы, что ускорит процесс разрушения поверхностей трения, а попадание этих продуктов в подшипники шарниров может привести к заклиниванию и проворачиванию шара на оси, схватыванию материалов и повышению температуры узла трения, что целиком подтверждается данными по типу повреждений механических сцеплений (таблица 1.2) [5].
Рентгеноспектральный флуоресцентный анализ
Электропривод содержит двигатель постоянного тока, управляемый электронной схемой. Высокая точность поддержания скорости вращения обеспечивается использованием тиристоров с обратной связью по току. Ток отсечки можно регулировать в широких пределах. Номинальное напряжение электродвигателя, В — 220, изменение скорости вращения при прогреве элементов схемы ±5%. Для защиты макета установки от перегрузки при возрастании величины момента трения в схеме предусмотрена защита с помощью теплового реле.
Управляющий сигнал - постоянное напряжение до 120 В (ЮмА), поэтому для управления приводом от ЭВМ, достаточно доукомплектовать электропривод усилителем постоянного тока сК — 10... 15.
В соответствии с требованиями ТБ при длительной работе машины в автоматическом режиме предусмотрена вторая ступень защиты. С этой целью в схему привода введено пороговое устройство, вход которого подключен к выходу измерителя момента трения, а выход к реле отключения электропривода. При превышении момента трения в 2...3 раза сверх установленного предела, происходит срабатывание реле и отключение электропривода. Функциональная схема электропривода с защитой от перегрузки изображена на рис. 2.12. К — безинерционное звено; У — промежуточный усилитель; ТП — тиристорный преобразователь; М - электродвигатель; ТГ — тахогенератор; ТО — устройство токоограничения; КУ — корректирующее устройство; К1 — реле вторичной защиты.
На валу электродвигателя расположен трехступенчатый ведущий шкив. С помощью клиновых ремней вращение передается ведомому шкиву, который передает вращение датчику момента трения, связанному с контртелом.
Механизм нагружения обеспечивает нагрузку на образцы в диапазоне от 1 до 100 Н. Нагружение осуществляется грузами. Отношение величины грузов и нагрузки на образцы составляет 1 г 1, 2, 3...8.
Другим преимуществом рассматриваемой конструкции является простота процедуры замены и установки образца. Грузы навешиваются на рычаг, связанный с шестерней реечной передачи, по средствам которой создается требуемая нагрузка на образцы. 2.2.10. Настройка и градуировка измерительных датчиков 2.2.10.1. Настройка частоты вращения контртела
Для измерения частоты вращения контртела используется показывающий прибор М265М, расположенный на пульте управления (рис. 2.13). Настройка частоты вращения и градуировка прибора М265М проводится с помощью тахометра типа Т410-Р ГОСТ 21339-75 в следующей последовательности: і - нагружающий рычаг освобождается от груза и откидывается в крайнее f верхнее положение, при этом обойма с контртелами перемещается по направляющим вверх до упора и фиксируется в этом положении с помощью винта, расположенного на боковой поверхности стойки; - тумблер «Прибор» устанавливается в положение «V»; - последовательно включаются переключатели F1 (на станине) и F2 — 1 «сеть» (на пульте управления) в положение «вкл.»; - переключатель «градуировка» устанавливается в положение «исп.»; - переключатель диапазонов «скорость вращения V» устанавливается в положение «0»; - запускается привод вращения двигателя нажатием кнопки «пуск»; - переключатель диапазонов скоростей устанавливается в положение тахометром определяется частота вращения вала; - потенциометром «обратная связь» устанавливается значение частоты вращения, равное 955 об/мин, что соответствует скорости скольжения 2 м/с; - потенциометром Ш стрелка прибора М265М устанавливается на отметку «100»; - переключатель диапазонов скоростей последовательно устанавливается в положения «9», «8» ... «1», в каждом из которых определяется частота вращения вала. Измерения проводятся не менее трех раз на каждом диапазоне. Результаты измерений заносят в таблицу и представляют в виде градуировочного графика, на осях которого откладываются средние арифметические значения частоты вращения вала и соответствующие им показания прибора М265М. 2.2.10.2. Настройка измерения момента трения
Для настройки измерения момента трения используется показывающий прибор М265М. Измерения производят с помощью потенциометра КСП-4. Градуировка установки производится коромыслом и набором грузов в следующей последовательности: - нагружающий рычаг освобождается от груза и откидывается в крайнее верхнее положение, при этом обойма с контртелами перемещается по направляющим вверх до упора и фиксируется в этом положении с помощью винта, расположенного на боковой поверхности стойки;
Постплазменные состояния вещества узла трения. Трибохимические реакции
Соотношение (3.84) указывает на то, что диполь (мультиполь), взаимодействуя с поверхностью твердого тела во внешнем электрическом поле, начинает прецессировать, что может быть объяснено результирующим действием магнитного поля, генерируемого в рассматриваемой среде (п. 3.3).
Наложение внешнего электрического поля приводит к тому, что молекулы мультиполя стремятся занять перпендикулярное положение по отношению к поверхности металла, ориентируясь вдоль силовых линий электрического поля. При этом разность: \-cosna принимает максимальное значение, а, следовательно, сама система стремиться занять положение с максимальной потенциальной энергией, иллюстрацией к чему может служить рис. 3.9.
Как известно из общей физики потенциальная энергия любой системы воплощена в ее внутренних связях. Разнообразие таких связей характеризует сложность организации физической системы. Возрастание потенциальной энергии свидетельствует об усложнении структурной организации, а для рассматриваемого нами случая, обуславливает формирование упорядоченной структуры.
Еще Фивег [169], в ставших уже классическими работах, экспериментально доказал, что обладающие высокой структурной упорядоченностью третьи тела эффективно снижают момент трения. Как сказано в монографии Ахматова «Молекулярная физика граничного трения»: «...интересные результаты при исследовании ориентации были получены Фивегом с сотрудниками. Особое значение занимает разработанный им метод измерения выпрямляющего действия граничных слоев для понимания молекулярного механизма смазки..., ...исследование явления ориентации молекул и параметров трения» [169]. Действительно, перпендикулярная ориентация полярных молекул, согласно закона о том, что величина силы адгезии молекулы к твердому телу примерно пропорциональна ее длине (рис.3.9 изображение «г»), приводит к тому, что ее касание поверхности металла контртела минимизирует адгезионное взаимодействие, оставляя за ней (молекулой) возможность «свободного» скольжения по поверхности трения.
Последнее подтверждает правоту выдвинутых положений о том, что воздействие электрического поля интенсифицирует формирование структуры, которая состоит из хорошо организованных полярных молекул, легирующих тела трения по всей площади номинального контакта, что также является фактором, снижающим трение и износ подвижных сопряжений бытовых машин, а также машин другого назначения.
Диполи располагаются в областях повышенной адгезионной энергии, связанных с выходом на поверхность дислокаций и других дефектов кристаллической структуры. При этом образуемый полярными молекулами слой, повторяет, в некотором роде, кристаллическую структуру поверхности твердого тела [173]. Приняв эти допущения, считаем, что граничные слои вблизи металлической поверхности имеют поликристаллическое строение, определяемое строением металла.
Необходимо отметить еще один интересный экспериментальный факт [173]: неполярное вещество при испытаниях не обнаруживает склонности к растеканию и напротив, молекулы полярных веществ легко распространяются по твердой поверхности. Иллюстрацией чему служит график зависимости косинуса угла смачивания поверхности твердого тела от величины заряда данной поверхности.
Фотографии дорожек трения при потенциалах, подключаемых к контртелу: а) 0В, б) +100В (на металл) для пары «фторопласт-4 — сталь». Как видно в присутствии поля пленочная структура более однородна по толщине, не имеет разрывов, сплошь покрывая, поверхность стали. На нижней фотографии пленка имеет четко выраженные новообразования на поверхности уже имеющегося слоя.
С другой стороны, исходя из электромагнитной природы адгезионных связей, поляризация вещества приводит к увеличению скорости образования последних. Это иллюстрируется зависимостью адгезионной прочности «А» от величины прилагаемого к адгезионному контакту постоянного электрического напряжения А(р (рис. 3.12). Электрическое напряжение в данном примере выступает как фактор, поляризующий и поддерживающий поляризованное состояние веществ адгезионного контакта. Повышение адгезионной прочности свидетельствует об увеличении количества, следовательно, и роста скорости образования адгезионных связей.
Согласно молекулярно - кинетической теории трения [92] элементы которой были использованы при выводе соотношений в разделах 4.2 и 4.3 адгезионная составляющая силы трения связана с динамикой образования на поверхностях фрикционного контакта адгезионных центров соотношением:
Оставшиеся обозначения приводятся в разделах 3.2 и 3.3. Выражение (3.85) получено, исходя из предположений, что работа по определению сил трения расходуется на разрушение адгезионных связей, а энергия, выделяющаяся при их образовании — на нагрев контактирующих тел. При этом внешнее воздействие со стороны электромагнитного поля не только увеличивает Na и За, но по средством интенсификации фрикционного переноса полярных молекул, механизм которого описан в разделе 3.2, происходит интенсивное «закрытие» адгезионных центров, получившее название пассивации поверхности.
Влияние электрического поля на фрикционные характеристики минеральных модификаторов трения
Полученные в предыдущих главах результаты и выводы базируются на фундаментальных представлениях о структурных изменениях, происходящих в материалах поверхностных слоев фрикционного контакта. Теоретические модели имеют минимальное количество допущений и априорных предположений, подтвержденных современными методами физико-химического анализа поверхности твердого тела. Изложенное выше позволяет предположить, что приведенные результаты обладают признаками универсальности и представляют прикладной интерес для конкретных трибосопряжений бытовых машин, а также других типов машин и механизмов.
Напомним, что еще в 80-х годах прошлого столетия благодаря работам Д.Н. Гаркунова и А.К. Прокопенко [36] было обосновано и показано, что 80% всех выходов из строя бытовых машин, так или иначе связано с разрушением или нарушением работы узлов трения, являющихся частью конструкции последних. На основании чего авторы упоминаемых исследований сделали вывод о том, что повышение долговечности, износостойкости узлов трения, существенно улучшит работу машин бытового назначения, в целом. Именно они заложили основу направления- улучшение качества бытовых машин (холодильных, стиральных) путем совершенствования процессов смазки трибосопряжений.
Проводя анализ работы узлов трения БМ, таких как, например: опоры осей активаторов и подшипников качения стиральных машин, компрессоры бытовых холодильных приборов или редукторы миксеров и электробритв с использованием системного подхода [114], нетрудно установить, что они имеют общие конструктивно-структурные элементы, благодаря чему могут быть рассмотрены в виде схожих трибомеханических систем, узлы трения которых могут быть представлены в виде единой структурной модели [114], обуславливающих их сходство с узлами трения других механизмов и машин. Действительно, представив узел трения в виде трибосистемы с развитыми связями между ее элементами, каналами диссипации и аккумулирования энергии, легко увидеть, что структурная организация практически не претерпевает коренных изменений независимо от конструктивных и функциональных особенностей исследуемого механизма. Неизменно в трибосистеме присутствуют четыре или более трибоэлемента [114], осуществляющих энергетический обмен друг с другом и окружающей средой и составляющих своего рода интегрированную подсистему, совокупность которых слагает машину в целом.
Несомненно, каждый из трибоэлементов машины наделен присущими только ему свойствами (объемными или поверхностными), число и характер воздействия которых на фрикционное поведение системы столь велико, что не поддается всестороннему описанию в рамках одной работы [114].
Критерием же сравнительной оценки работы любой трибосистемы могут стать каналы энергетического обмена между ее структурными звеньями (тепло и массообмен), зависящие от условий работы системы и определяющие, по современным представлениям, ее эксплуатационные показатели.
Поэтому с трибологической точки зрения можем сказать, что если трибосопряжение машины бытового назначения воспроизводит высокие эксплуатационные характеристики в данных конкретных условиях работы, то подобные же результаты неизбежно будут получены, в узлах трения,различных машин и механизмов, работающих в аналогичных условиях.
Поэтому методы повышения эксплуатационной эффективности для всех типов машин должны иметь сходный характер. Мероприятия, направленные на повышение износостойкости, улучшение антифрикционных характеристик, а в конечном итоге долговечности и энергетической эффективности самого узла, в частности, и машины в целом, определяется не ее конструктивной принадлежностью, а механическими, физико-химическими свойствами материалов из которых изготавливаются ее рабочие элементы, а также условиями их эксплуатации. К последним относятся: нагрузка, скорость скольжения, температура фрикционного контакта, а также наличие в окружающей среде химических реагентов, оказывающих влияние на физико механические свойства материалов узлов трения. Рассмотренные нами вопросы поверхностного модифицирования материалов трибосопряжения, раскрывающие универсальность механизма антифрикционности, реализуемого в трибосопряжениях БМ различного конструктивно-технологического типа, дают возможность подойти к решению центральной проблемы современной науки о трении — управления фрикционными параметрами трибосистемы.
В настоящей работе наиболее целесообразным представляются следующие пути такого управления: 1) Непосредственное воздействие электромагнитного поля от источника постоянного- тока и модулируемой в узле трения частоты вынужденных электромагнитных колебаний, катализирующих образование третьих тел и определяющее их структурную организацию. 2) Создание на металлических поверхностях смазочных слоев, ингибирующих трение и износ последних до значений, максимально низких для данного типа сопряжения. В данном разделе диссертационной работы нами, проведена серия экспериментов на модельных и натурных образцах материалов, используемых в узлах трения БМ, направленных на установление возможности практического использования способа электрополевого воздействия в:
