Введение к работе
Актуальность работы
Развитие современной техники характеризуется ужесточением условий работы подвижных сопряжений: возрастанием нагрузок, температур, скоростей скольжения, при которых работают узлы трения. При определенных режимах эксплуатации подвижных сопряжений, например, при высоких температурах, практически исключается использование жидких или пластичных смазочных материалов. В этих условиях широко применяют твердые смазочные материалы, обычно наносимые на рабочие поверхности деталей в виде покрытий.
Для нужд быстроразвиваюттгихся отраслей промышленности необходимо создание твердых покрытий (ТП), в том числе твердых смазочных покрытий (ТСП), работоспособных при высоких температурах, вплоть до 1000ФС Работы по созданию таких покрытий и их эффективному применению во многом сдерживаются отсутствием расчетных и .экспериментальных методов обоснованной оценки триботехнических параметров в условиях высоких температур контакта, а также эффективных методик выбора твердых покрытий, в том числе ГСП, и оптимизации режимов их эксплуатации, обеспечивающих наименьшие энергозатраты и наибольшую долговечность.
Несмотря іia многочисленные исследования в области ТСП, в технической литературе практически отсутствуют данные по триботехническим и физико-механическим характеристикам твердых покрытий. Выполнение таких исследований позволит более широко использовать ТСП в различных условиях эксплуатации и областях техники для повышения срока службы машин и оборудования.
Представленная диссертация направлена на восполнение этого пробела, что определяет актуальность темы диссертации и подтверждается тем, что ее базовую основу составляют исследования, выполненные автором в рамках:
- научно-технической программы Министерства науки России «Конверсия и высокие технологии. 1997-20()0гг.»;
- федеральной целевой программы «Государственная поддержка интеграции высшего образования и фундаментальной науки на 1997 - 2001гг.»; - комплексной программы «Авиационная технология».
Цель работы - разработка методологии комплексной оі іенки триботехнических свойств и выбора твердых покрытий для высокотемпературных подвижных сопряжений, позволяющей установить условия их наиболее эффективной работы по энергозатратам и долговечности.
Для достижения этой цели последовательно решались следующие задачи:
1. Изучение закономерностей взаимодействия металлических тел с твердыми покрытиями при трении в условиях повышенных температур и давлений на контакте.
2. Установление функциональных связей триботехнических параметров со структурно-фазовым и химическим составами ТСП (в том числе связки), а также технологическими методами их нанесения.
3. Выявление роли физико-механических свойств подложки в проявлении функционаньных свойств ТСП при повышенных температурах фрикционного контакта.
4. Разработка и создание новых методов испытаний и аппаратуры для триботехнических исследований при повышенных температурах контакта с ТСП с целью ускоренной оценки работоспособности сопряжения «вал-втулка».
5. Оценка влияния температуры и ТСП на напряженное состояние и силы трения в сопряжении «вшт-втулка»., а также на показатели совместимости трущихся поверхностей (с учетом нанесенных па них твердых покрытий).
6. Систематизация, накопление и автоматизация использования (на базе компьютерных технологий) знаний в области высокотемпературной триботехники с использованием твердых покрытий, вытом числе ТСП.
7. Разработка рекомендаций по повышению работоспособности гости и долговечности опор скольжения с ТСП, а также эффективности операций механообработки, выполняемых инструментами с нанесенными на них твердыми покрытиями.
Методы исследования, достоверность и обоснованность результатов В работе использованы теоретические и эмпирические методы исследования. Решения задач базируются на экспериментальных данных и известных теоретических положениях теории трения и износа, технологии машиностроения, теоретической механики, теорий сопротивления материалов, математического моделирования, вероятности и математической статистики и системного проектирования. Обоснованность и достоверность выдвинутых автором положений, выводов и рекомендаций, полученных результатов подтверждается использованием известных положений фундаментальных наук, сходимостью полученных теоретических результатов с данными эксперимента и большим объемом взаимоподтверждающих экспериментальных данных, а также с результатами исследований других авторов. Достоверность новизны технических решений подтверждается авторскими свидетельствами, свидетельствами об официальной регистрации базы данных, программы для ЭВМ и патентом на полезную модель.
На защиту выносятся:
разработанная методология исследования и определения триботехнических параметров, характеризующих фрикционное взаимодействие металлических тел с твердыми покрытиями в условиях высоких температур;
- полученные закономерности влияния химического и структурно-фазового составов ТСП (в том числе связки), технологических методов их нанесения и механических свойств материала подложки на триботехнические характеристики контакта;
установленный факт существования критического диапазона температур, зависящих от термостойкости связки, в котором каждое ТСП обеспечивает минимальные потери на трение и наибольшую долговечность трибосопряжений; - предаоженные показатели совместимости материалов при трении с твердыми покрытиями и методология оптимизации выбора покрытий для тяжелонагруженных трибосопряжений, в том числе - при механообработке;
- метод оценки упругих характеристик ТСП с учетом температуры и давления на фрикционном контакте;
- методика "экспериментальных исследований и принцип действия стенда, позволяющего воспроизвести все основные реальные условия работы опор скольжения, в том числе высокотемпературный режим нагружения;
- информационная база данных по триботехническим параметрам работы высокотемпературных сопряжений с твердыми покрытиями.
Научная новизна
Наиболее важными результатами диссертации, обладающими признаками научной новизны, являются:
1. Методология комплексной оценки триботехиических параметров, разработанная на основе использования физической модели локатьного подвижного контакта поверхностей твердых тел с твердыми покрытиями (с уютом температуры и давления).
2. Показано, что совместное влияние давления, химического и структурно-фазового составов твердого смазочного покрытия, технологических методов их нанесения и механических свойств материала подложки приводит к тому, что с повышением температуры касательные напряжения на фрикционном контакте сначата уменьшаются, затем после некоторой стабилизации начинают возрастать. Диапазон стабилизации назван критическим диапазоном температур, который связан в основном с термостойкостью материата связки.
3. Установлено, что подвижные сопряжения «вал с ГСП-втулка» (подшипники скольжения) обеспечивают наиболее высокую долговечность при работе в критическом диапазоне температур (для ВІІИИІII1-229 5
100-2004; доя ЦБСП-Зс и СТС-4 - 200-400°С). Это позволяет оптимизировать работу высокотемпературных подвижных сопряжений по триботехпическим параметрам с ТСП на стадии их проектирования.
4. Представлено научное обоснование методики определения фактического модуля упругости ТСП, учитывающей температуру и давление на контакте, физико-механические свойства материала подложки, анизотропию покрытий, которые под нагрузкой деформируются, уплотняются и изменяют свои исходные упругие свойства (а.с. 1435997).
5. Что существуют критические значения уи
относительной толщины ТСП, начиная с которых при расчетном определении контактных напряжений необходимо использовать фактические величины модуля упругости ТСП. Показано, что для исследованных ТСП критические значения у примерно одинаковы и равны 8Т0" .
6. Установлены химические составы и агрегатные состояния твердых покрытий, при которых повышается температура порога совместимости и снижается схватывание трущихся поверхностей. К этажу, в частности, приводит присутствие в покрытиях атомов неактивного азота в связанном состоянии, при этом интенсивность изнашивания технологического инструмента наименьшая.
Практическая ценность
Практическую ценность представляют:
1. Разработан і гая методология исследования и определен иятриботехнических параметров, характеризующих фрикционное взаимодействие металлических тел с твердыми покрытиями в условиях высоких температур, которая позволяет оценить и прогнозировать работоспособность таких трибосопряжсиий на стадии проектирования.
2. Разработанная и созданная информационная база данных по триботехническим характеристикам, позволяющая оперативно с помощью компьютерных программ автоматизировать и оптимизировать расчеты при конструировании подвижных тяжелонагруженных высокотемпературных трибосопряжений.
3. Разработанный и апробированный стенд для натурных испытаний, позволяющий исследовать трибологические свойства и работоспособность ТСП в сопряжении «ват-втулка» при температурах в диапазоне 20-80СҐС, нормальных нагрузках 15-3000 II и скоростях скольжения от Г10 3 до 2 м/с.
4. Рекомендации для машиностроительных предприятий по проектированию и эксплуатации сопряжения «вал с ТСП-втулка» в условиях высоких тсмпсраіур. К ним относятся: стандарт предприятия Кумертауского авиационного производственного предприятия «Методика и приборное обеспечение для испытания твердых смазочных покрытий в сопряжении вал втулка при высоких температурах»; конструкторская документация высокотемпературной установки.
Реализация результатов работы
Выполненные разработки внедрены:
- на Кумертауском авиационном производственном предприятии (г.Кумертау), в Центральном институте авиационного моторостроения им. П.И. Баранова (г. Москва), ОАО «Сачаватгидромаш» (г.Салават), во Всероссийском научно-исследовательском институте нефтепереработки (г.Москва);
- в учебный процесс Уфимского государственного авиационного технического университета в виде учебного пособия при подготовке инженеров по специальностям 071800, 072100, 210200 и направлению 551800.
Апробация работы
Основные положения и результаты работы представлены на 26 научно-технических конференциях, в том числе на 9 международных («Трение, износ и смазочные материалы» (1985г.) в г. Ташкенте, «Износостойкость машин» (1994г.) в г. Брянске, «Словянтриб-3» (1995г.) в г. Рыбинске, «FRICTION» (1995г.) в г, Лионе, «Надежность и качество в промышленности, энергетике и па транспорте» (1999г.) в г. Самаре, «Новые технологии управления движением технических объектов» (1999г.) в г. Новочеркасске, «Новые технологии управления движением технических объектов» (2000г.) в г. Новочеркасске, «Современное состояние теории и практики сверхпластичности материалов» (2000г.) в г. Уфе, «Триботех 2003» (2003г.) в г. Москве); 4-х всероссийских и зональных, трех республиканских, вюночая семинары по проблемам трения и смазки в машинах, применения новых материалов, заменителей и систем смазки в уачах трения машин и оборудования, испытания и эксплуатации триботехнических систем, износостойкости машин; на семинаре кафедры износостойкости машин и оборудования и технологии конструкционных материалов РГУ им. И.М. Губкина (2004г.)
Публикации
По теме диссертации опубликовано 47 печатных работ, в том числе 1 монография, 1 учебное пособие, 24 статьи, 2 авторских свидетельства, 3 свидетельства: на полезную модель и официальной регистрации базы данных и программы па ЭВМ.
