Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Твердые покрытия и методы оценки их триботехнических свойств 18
1.1 Классификация твердых покрытий 18
1.2 Основные факторы, определяющие триботсхническпе свойства ТП 28
1.3 Методы определения триботехнических свойств ТП 41
1.4 Выводы 45
ГЛАВА 2. Теоретическая и экспериментальная базы исследования 47
2.1. Контактные параметры сопряжения вал с твердым смазочным покрытием - втулка в условиях высоких температур 47
2.2. Определение модуля сдвига ТСП 51
2.3. Расчет контактных параметров сопряжения вал - втулка 56
2.4. Оценка влияния ТСП на контактные параметры сопряжения вал-втулка 58
2.5. Влияние температуры на контактные параметры сопряжения вал-втулка 60
2.6. Методика расчета нагрузки и угла охвата сопряжения вал - втулка 63
2.7. Коэффициент трения в подшипниках скольжения при высоких температурах 66
2.8. Единичная фрикционная связь 70
2.9. Экспериментальные исследования внешнего тренияТСП — твердое тело при высоких температурах 75
2.10. Оборудование для экхп ери ментальных исследований подшипников скольжения с ТСП при повышенных температурах 95
2.11. Исследуемые материалы 116
2.12. Выводы 118
ГЛАВА 3. Контактное взаимодействие твердых тел при наличии тсп с учетом температуры и давления 120
3.1. Исследование влияния различных факторов на средние касательные напряжения 120
3.2. Температурные зависимости триботехнических характеристик ТСП 126
3.3. Исследование морфологии поверхностей трения 138
3.4. Влияние материала контртела (индентора) на средние касательные напряжения 143
3.5. Экспериментальные зависимости триботехнических констант от вида ТСП и температуры 146
3.6. Зависимость модуля сдвига ТСП от температуры 154
3.7. Выводы 155
ГЛАВА 4. Триботехнические свойства ТСП в подвижных сопряжениях в условиях высоких температур 157
4.1. Температурная зависимость коэффициента трения
для пары единичный индентор - твердое тело с ТСП 157
4.2. Триботехническис свойства ТСП в подшипниках скольжения в условиях высоких температур 160
4.3. Оценка долговечности сопряжения вал с ТСП - втулка с учетом температуры 175
4.4. Номограмма для определения фрикционных характеристик опор скольжения типа вал с ТСП - втулка 179
4.5. Выводы 181
ГЛАВА 5. Влияние твердых покрытий на совместимость трущихся поверхностей при повышенных температурах контакта 183
5.1, Критерии и методика оценки совместимости 183
5.2. Влияние температуры и контактирующих материалов на фрикционные характеристики и совместимость трущихся поверхностей 189
5.3. Влияние износостойких и твсрдосмазочных покрытий на фрикционные характеристики и совместимость трущихся поверхностей 193
5.4. Исследование изнашивания инструментальных материалов 195
5.5. Выводы 197
ГЛАВА 6. Информационная база данных по триботехническим характеристикам ТСП 199
6.1. Формирование информационной базы данных по триботехническим характеристикам . 199
6.2. Описание логической структуры базы данных 200
6.3. Требования, предъявляемые к аппаратным и программным средствам функционирования ИБДТХ 216
6.4. Использование ИБД ТХ для прогнозирования работоспособности подвижных сопряжений с ТСП и создания сопряжении с заранее заданными триботехническими свойствами 217
6.5. Выводы 222
Заключение по работе 224
Список литературы 228
Приложения 251
- Основные факторы, определяющие триботсхническпе свойства ТП
- Коэффициент трения в подшипниках скольжения при высоких температурах
- Экспериментальные зависимости триботехнических констант от вида ТСП и температуры
- Триботехническис свойства ТСП в подшипниках скольжения в условиях высоких температур
Введение к работе
^ Поверхности твердых тел обычно покрыты пленками, состав и
свойства которых существенно зависят от окружающей среды. Это, например, пленки оксидов, пленки адсорбированных из окружающей среды веществ, различного рода «загрязнения» и естественные граничные пленки.
Такие пленки оказывают существенное влияние на взаимодействие
контактирующих твердых тел. На свойства адсорбционных и
хемосорбционных пленок, возникающих на поверхностях твердых тел,
оказывают влияние многие, зачастую трудно учитываемые факторы. Однако
в некоторых случаях, учитывая условия и режимы эксплуатации сопряжении
и сведя к минимуму вероятность появления различных возмущающих
факторов, можно осуществить направленное модифицирование поверхности
за счет проведения определенных конструктивно-технологических
мероприятий. К их числу относится нанесение на поверхности трения
различных твердых пленок (ТП), в том числе твердых смазочных покрытий
Ш (ТСП). Целью нанесения твердых пленок является придание
контактирующим поверхностям деталей машин требуемых
эксплуатационных свойств, таких как: нормальная и тангенциальная жесткости, износостойкость, антифрикцнонность, коррозионная стойкость, электро-и теплопроводность контакта и т.п.
Большинство твердых пленок, нанесенных на поверхности тел, при соответствующих условиях контактирования проявляют определенное смазывающее действие, т.е. обеспечивают положительный градиент механических свойств по глубине тел.
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 пли пластичных смазочных материалов. В этих условиях широко применяют твердые смазочные материалы, обычно наносимые на рабочие поверхности деталей в виде покрытии.
Для нужд быстроразвивающихся отраслей промышленности
необходимо создание твердых покрытий, в том числе твердых смазочных
покрытий, работоспособных при высоких температурах, вплоть до 1000С.
Работы по созданию таких покрытий и их эффективному применению во
многом сдерживаются отсутствием расчетных и экспериментальных методов
^ обоснованной оценки триботсхнических параметров в условиях высоких
температур контакта, а также эффективных методик выбора твердых покрытий, в том числе ТСП, и оптимизации режимов их эксплуатации, обеспечивающих наименьшие энергозатраты и наибольшую долговечность.
Несмотря на многочисленные исследования в области ТСП, в
технической литературе практически отсутствуют данные по
Щ триботехническнм 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. 1997-2000гг.»;
- федеральной целевой программы «Государственная поддержка
интеграции высшего образования н фундаментальной науки на 1997 -
2001гг.»;
- комплексной программы «Авиационная технология».
Цель работы - разработка методологии комплексной оценки 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 функциональных свойств ТСП при повышенных температурах
фрикционного контакта.
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».
Оценка влияния температуры и ТСП на напряженное состояние и силы трения в сопряжении «вал-втулка», а также на показатели
совместимости трущихся поверхностей (с учетом нанесенных на них твердых покрытий.
6. Систематизация, накопление и автоматизация использования (на базе
компьютерных технологий) знаний в области высокотемпературной
триботехники с использованием твердых покрытий, в том числе ТСП.
7. Разработка рекомендаций по повышению работоспособности и
долговечности опор скольжения с ТСП, а также эффективности операций
механообработки, выполняемых инструментами с нанесенными на них
твердыми покрытиями.
Методы исследовании, достоверность н 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 положении, 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.
13 На защиту выносится:
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;'
предложенные 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, втом числе высокотемпературный режим нагружения;
- информационная база данных по триботехничеекпм параметрам
работы высокотемпературных сопряжений с твердыми покрытиями.
Научна» поппзна. Наиболее важными результатами диссертации, обладающими признаками научной новизны, являются:
1. Методология комплексной оценки триботехнических параметров,
разработанная па основе использования физической модели локального
подвижного контакта поверхностей твердых тел с твердыми покрытиями (с
учетом температуры и давления)
Показано, что совместное влияние давления, химического и структури о-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 сначала уменьшаются, затем после некоторой стабилизации начинают возрастать. Диапазон стабилизации назван критическим диапазоном температур, который связан в основном с термостойкостью материала связки.
Установлено, что подвижные сопряжения «вал с ТСП-втулка» (подшипники скольжения) обеспечивают наиболее высокую долговечность при работе в критическом диапазоне температур (для ВНИИНП-229 — 100-200С, для ЦВСП-Зс и СТС-4 - 200-400С). Это позволяет оптимизировать работу высокотемпературных подвижных сопряжений по трнботсхническнм 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 покрытии, которые под нагрузкой деформируются,
уплотняются и изменяют свои исходные упругие свойства (а.с. 1435997).
5. Установлено, что существуют критические значения %
относительной толщины ТСП, начиная с которых при расчетном определении контактных напряжений необходимо использовать фактические
15 величины модуля упругости ТСП. Показано, что для исследованных ТСП критические значения <>/» примерно одинаковы и равны 8'10"3.
6. Установлены химические составы и агрегатные состояния твердых покрытий, при которых повышается температура порога совместимости и снижается схватывание трущихся поверхностей. К этому, 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. Разработанная методология исследования и определения
триботехнических параметров, характеризующих фрикционное
взаимодействие металлических тел с твердыми покрытиями в условиях
высоких температур, которая позволяет оценить и прогнозировать
работоспособность таких трибосопряжении на стадии проектирования.
2. Разработанная и созданная информационная база данных по
триботсхническпм характеристикам, позволяющая оперативно с помощью
компьютерных программ автоматизировать и оптимизировать расчеты при
конструировании подвижных тяжслонагруженных высокотемпературных
трибосопряжении.
3. Разработанный и апробированный стенд для натурных испытании,
позволяющий исследовать трибологические свойства и работоспособность
ТСП в сопряжении <(вал-втулка» при температурах в диапазоне 20-800С,
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 температур, К ним относятся: стандарт предприятия Кумертауского
авиационного производственного предприятия «Методика и приборное обеспечение для испытания твердых смазочных покрытии в сопряжении вал-втулка при высоких температурах»; конструкторская документация высокотемпературной установки.
Диссертация состоит из следующих шести глав:
в первой главе - рассмотрены основные типы твердых покрытий, их характеристики, приведена классификация смазочных пленок по способу достижения положительного градиента механических свойств по глубине; выполнен обзор исследований российских и зарубежных ученых по механизму взаимодействия в паре «ТП-твердое тело» и рассмотрены существующие методы оценки триботехническпх свойств ТП, в том числе ТСП;
во второй главе - излагаются теоретическая и экспериментальная базы исследования;
в третьей главе - приведены результаты контактного взаимодействия твердых тел при наличии ТСП с учетом температуры и давления;
в четвертой главе - приведены результаты исследовании зависимости коэффициента трения в сопряжении «вал с ТСП-втулка» и долговечности такого сопряжения от температуры;
в пятой главе - представлены результаты исследования влияния твердых покрытий на совместимость трущихся поверхностей в условиях повышенных температур контакта;
в шестой главе - представлено описание информационной базы данных по триботсхническим характеристикам (ИБД ТХ) подвижных сопряжений, в том числе с ТП;
в заключении — приведены основные выводы по результатам исследований, сведения об апробации, о полноте опубликования в научной печати основного содержания диссертации, ее результатов, выводов. Указаны предприятия, где внедрены результаты диссертационной работы.
Основные факторы, определяющие триботсхническпе свойства ТП
На защиту выносится: 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; - предложенные 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, втом числе высокотемпературный режим нагружения; - информационная база данных по триботехничеекпм параметрам работы высокотемпературных сопряжений с твердыми покрытиями. Научна» поппзна. Наиболее важными результатами диссертации, обладающими признаками научной новизны, являются: 1. Методология комплексной оценки триботехнических параметров, разработанная па основе использования физической модели локального подвижного контакта поверхностей твердых тел с твердыми покрытиями (с учетом температуры и давления) 2. Показано, что совместное влияние давления, химического и структури о-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 сначала уменьшаются, затем после некоторой стабилизации начинают возрастать. Диапазон стабилизации назван критическим диапазоном температур, который связан в основном с термостойкостью материала связки. 3. Установлено, что подвижные сопряжения «вал с ТСП-втулка» (подшипники скольжения) обеспечивают наиболее высокую долговечность при работе в критическом диапазоне температур (для ВНИИНП-229 — 100-200С, для ЦВСП-Зс и СТС-4 - 200-400С). Это позволяет оптимизировать работу высокотемпературных подвижных сопряжений по трнботсхническнм 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 покрытии, которые под нагрузкой деформируются, уплотняются и изменяют свои исходные упругие свойства (а.с. 1435997). 5. Установлено, что существуют критические значения % 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 /» примерно одинаковы и равны 8 10"3. 6. Установлены химические составы и агрегатные состояния твердых покрытий, при которых повышается температура порога совместимости и снижается схватывание трущихся поверхностей. К этому, 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. Разработанная методология исследования и определения триботехнических параметров, характеризующих фрикционное взаимодействие металлических тел с твердыми покрытиями в условиях высоких температур, которая позволяет оценить и прогнозировать работоспособность таких трибосопряжении на стадии проектирования. 2. Разработанная и созданная информационная база данных по триботсхническпм характеристикам, позволяющая оперативно с помощью компьютерных программ автоматизировать и оптимизировать расчеты при конструировании подвижных тяжслонагруженных высокотемпературных трибосопряжении. 3. Разработанный и апробированный стенд для натурных испытании, позволяющий исследовать трибологические свойства и работоспособность ТСП в сопряжении (вал-втулка» при температурах в диапазоне 20-800С, 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 температур, К ним относятся: стандарт предприятия Кумертауского авиационного производственного предприятия «Методика и приборное обеспечение для испытания твердых смазочных покрытии в сопряжении вал-втулка при высоких температурах»; конструкторская документация высокотемпературной установки.
Коэффициент трения в подшипниках скольжения при высоких температурах
Анализ пластического течения, возникающего в материале покрытия при трении с твердым шероховатым коїггртелом, приведенный в [45], показал, что величина критической толщины покрытия зависит от механических свойств материала покрытия, нагрузки, микро геометри и жесткого коїггртела, адгезионного взаимодействия материалов покрытия и контртела, формы и размеров сопрягаемых тел. Поэтому трудно оценить самостоятельное влияние толщин ТСП на фрикционные свойства и работоспособность.
В работе [147] показано влияние толщины покрытия ВНИИНП-212, нанесенного на медные образцы, на предельную нагрузку (т.е. нагрузку, приводящую к выдавливанию ТП из-под контакта). Для радиуса индентора 2,37 мм при толщине покрытия S, равной 30 мкм, предельная нагрузка Р -700 1-І, а при 5 = 100 мкм - V = 1150 Н. Авторы также отмечают, что предельная нагрузка существенно зависит от твердости материала, на который нанесено покрытие, температуры и диаметра индентора.
К числу важных вопросов, возникающих при разработке новых ТП, работающих в экстремальных условиях, относится выбор надежных и воспроизводимых методов определения триботехнических свойств ТП. Конечно, наиболее надежный метод испытания —это опробование их в реальных условиях эксплуатации. Однако в большинстве случаев это слишком трудоемко и дорого. Поэтому было разработано много лабораторных методов испытания, имитирующих отдельные стороны эксплуатационных условий.
Наибольшее распространение получила четырехшариковая машина трения [2; 21; 117]. Она проста по конструкции и позволяет проводить испытания при больших значениях контактных напряжений. Узел трения машины состоит из трех неподвижных шариков, закрепленных в обойме, и одного вращающегося шарика. К недостаткам машины можно отнести: ограниченность испытаний материалов подложки (так как используются шарики стандартных шарикоподшипников), наличие вспомогательной опоры качения, которая вносит погрешность при измерении момента трения.
Весьма распространены машины трения: типа "Тимкен" [21; 117; 205] , узел трения которых состоит из стального кольца, прижатого к пластине;«Фалекс» [206], испытуемый узел трения - вал, охваченный двумя «V»-образными блоками; «Хоман» [206], испытуемый вал которого сжат между двумя прямоугольными блоками. Исследуемые узлы трения в приведенных типах машин имеют линейный контакт, и применяются они в основном для оценки противоизносных и противозадирных свойств ТП. Машины трения с контактом по площади применяются для испытаний при небольших контактных напряжениях. Это - машины типа ползун-плоскость [200], ползун-плита [203].
Машины трения со схемой исследуемого подвижного сопряжения вал -втулка позволяют проводить испытания в условиях, которые наиболее приближены к реальным и поэтому представляют наибольший интерес. Конструкции и технические характеристики таких установок со схемой исследуемого сопряжения вал-втулка, работающих при высоких температурах, приведены в работах [43; 48; 210; 132]. Анализ установок показал, что они имеют существенные ограничения: по предельным нагрузкам и температурам. Установка ВВТ-1 [43] позволяет проводить испытания при температурах до 1000С в вакууме, однако нормальная нагрузка на испытуемый узел трения не превышает 500 Ы. Несколько выше нормальная нагрузка (до 2000 Н при максимальной температуре испытания 500С) на установке [48]. Однако в этой установке есть существенный недостаток: образец-вал / имеет консольное крепление (рис. 1.2) и при испытаниях в условиях повышенных температур, даже при небольших нагрузках, возможен прогиб образца-вала, что, естественно, приведет к искажению результатов испытании. Эти установки имеют еще ряд недостатков. Так, на установке ВВТ-1 (рис. 1.3) момент сопротивления вращению вала воспринимается упругой балкой I от электродвигателя 2, расположенного на опорах качения 3 и установленного на подвижной платформе 4, что приведет к увеличению погрешности определения момента трения. Недостатком установки [48] является сложность конфигурации формы испытуемого образца-вала, вызванная сложной системой охлаждения. Универсалытя установка ТВТ-400 [132] позволяет проводить исследования триботехннческих свойств материалов сопряжений различных конструктивных исполнений, в том числе и вала-втулки. Недостатком установки является то, что максимальная температура испытаний составляет 400С. Этого по современным требованиям явно недостаточно.
Таким образом, из обзора исследований по изучению ТП установлено, что на триботехнические свойства ТП оказывает влияние большое количество факторов, которые необходимо учитывать при разработке новых ТП, в том числе ТСП, и при создании оптимальных подвижных сопряжений с ТП, а также при разработке инженерных методов расчета сил трения и нзноса. Однако механизм внешнего трения ТП - твердое тело изучен еще недостаточно, особенно в условиях высоких температур.
Сделан ряд попыток в установлении характера зависимости коэффициента трения от нагрузки и температуры. В большинстве рассмотренных работ условия лабораторных экспериментальных исследований триботехннческих свойств ТП, в том числе и высокотемпературных, весьма разнообразны и практически не дают возможности провести сравнительный анализ полученных результатов. Данные же по триботехническим свойствам ТП, полученные на лабораторных установках, трудно использовать для прогнозирования триботехннческих свойств высокотемпературных ТП в реальных условиях.
Экспериментальные зависимости триботехнических констант от вида ТСП и температуры
Выше расположена панель управления Р, на которой находятся: два задатчика скорости 10 и 18 электропривода 2, индивидуальные тумблеры 11 включения электронагревателей и тумблеры 12 включения механизма плавного нагруженпя. На верхней испытательной панели установки расположены (рис. 2.18) шесть трибоизмерительных модулей 15, два червячных редуктора 3 типа РЧУ-63 с двумя выходными валами и шесть датчиков чисел оборотов 17. Трпбоизмерителыные модули соединены с червячным редуктором муфтами типа втулочно-пальцевой, и имеется возможность отключения от редуктора в случае необходимости, а датчики 17 соединены с модулями 15 пассиками. Внутри корпуса 1 предусмотрена мера по экранированию сигнальных слаботочных электрических цепей от силовых.
Термический трибоизмерптельный модуль (рис. 2.20; 2.21 и 2.22) представляет собой автономный узел, в котором конструктивно объединены образцедержатель с узлом трения, электронагревательный блок, устройство нагружения и измерения момента сил трения. Испытуемый образец - втулка 13 расположен и зафиксирован от проворота в корпусе нагревателя 10, Образец-вал 14 расположен в двух держателях, выполненных в виде дисков 17 и /5, которые установлены и закреплены во внутреЕшей полости водоохлаждаемых стаканов 15 и 16. Полости стаканов заполнены теплоизоляционным материалом 19. Стаканы 15 и 16 насажены на валы 20 и 21 вспомогательных опор качения, для предотвращения нагрева которых при испытаниях в условиях высоких температур предусмотрено водяное охлаждение. Охлаждается наружная поверхность стаканов 15 и 18 проточной водой, поступающей в полость, ограниченную манжетами 23 стаканов 4 и б, через штуцера 24 и систему гибких трубопроводов. Подшипниковые узлы установлены в стойках 25 и 26, которые, в свою очередь, установлены на направляющей 16 (рис. 2.19) и имеют возможность осевого перемещения относительно корпуса 7 электронагревательного блока.
Рассмотрим основные элементы установки и трпбоизмерителыюго модуля. Принципиальная схема представлена на рис. 2.19. а) Система вращения образца-вала состоит из электромеханического привода / с бесступенчатым регулированием частоты вращения, о состав которого входит блок регулирования 2, дроссель 3 и два задатчика скорости 4 и 5, служащие для ручного управления частотой вращения двигателя. Причем задатчик скорости 4 служит для установки частоты вращения в диапазоне от »мм до 0,05 «ио„ (п - число оборотов двигателя), а задатчик скорости 5 - в диапазоне от 0,05 пнвм до 0,01 пяяц. Также в состав системы вращения входит червячный редуктор 6, связанный с двигателем клин орем еішоії передачей 7. Скорость вращения регулируется с точностью + 5%. б) Система нагрева включает в себя трансформатор 8, ток от которого с помощью переключателя 9 подводится в мощному малогабаритному электронагревательному блоку, изготовленному из керамики, жаропрочных сплавов и предназначен для нагрева лишь основной зоны испытуемой пары трения, при этом образцедержатели вала остаются в области более низких температур.
Электронагревательный блок (рис. 2.20 и 2.22) выполнен в виде цилиндрического корпуса 7, внутри которого между двумя дисками 8 и 9 находится корпус нагревателя 10 с навитой вольфрамовой проволокой //, На детали электронагревательного блока для уменьшения потерь тепла от нагревателя напилены плазменным методом теплоэлектроизоляционные покрытия. Кольцевая полость между дисками 2 и 3 заполнена теплоизоляционным материалом 12. Подвод тока к вольфрамовой проволоке 11 производится с помощью гибких проводов, обеспечивающих свободное проворачивание электронагревательного блока с образцом-втулкой 13 относительно образца-вала 14. Контроль и регулирование, температуры с точностью ±15С осуществляется автоматически с помощью электронного потенциометра 4 (рис. 2.17) и хромсль-алгомелевой термопары.
Термопара 39 расположена внутри образца-вала 14 (рис. 2.20), горячий спаи которой касается поверхности образца. Автоматическое регулирование температуры обеспечивается следующим образом. При достижении в зоне испытания требуемой (заданной) величины температуры прерыватель потенциометра 10, электрически соединенный с пускателем 11, посредством последнего обесточивает трансформатор 8. При уменьшении температуры происходит обратное: пускатель подключает питание к трансформатору. Величина тока контролируется амперметром 12. Скорость нагрева испытуемой пары определяется мощностью нагревателя и составляет 25С в мин. в) Система нагружения узла трения включает в себя набор грузов 28 (рис. 2.21), установленных на штоке 29 и подвешенных через серьгу 30 на рычаг 31. Передаточное отношение рычага 1:25, что позволяет с помощью навешивания небольших грузов 28 получать значительные усилия, действующие на испытываемую пару трения. Для уравновешивания рычага 31 предусмотрен противовес 32. Нагрузка через рычаг 31, призму 33, планку 34 призмы 35, корпус 7 с дисками 8 и 9 передается на корпус 10 нагревателя, а от него на испытуемую пару трения вал - втулка. Предусмотрена возможность создания плавного нагружения с помощью редукционного электродвигателя типа PD-09, расположенного на боковой полке установки.
Триботехническис свойства ТСП в подшипниках скольжения в условиях высоких температур
Обработка опорной кривой по методу наименьших квадратов позволяет определить параметры кривой опорной поверхности h и v. Режимы обработки рабочих поверхностен втулок были подобраны таким образом, чтобы характеристики Ь и v воспроизводились достаточно стабильно, с рассеиванием порядка ±(8-10)%, от партии к партии. Параметры кривой опорной поверхности имели следующие значения: 6=1,52 и » =1,4.
По профилограмме определялись характеристики микрогеометрии: максимальная высота микронеровностей Я. =3,6 мкм, средний радиус закругления микроиеровиостей R =35 мкм. Рассчитывался комплексный параметр шероховатости поверхности по формуле [36; 59] Действительные размеры (внутренний диаметр втулки и наружный диаметр вала с ТСП) определяются на универсальном измерительном микроскопе УИМ-23 проекционным методом. Погрешность измерения диаметров отверстий и валов составляет ±2,0 мкм. Подготовка образцов перед экспериментом производится по методике А.С. Ахматова [в]: путем обезжиривания в органических растворителях и обработки активированным углем. Установка образцов в образцедержатель производится с соблюдением всех мер предосторожности против возможного загрязнения поверхностей образцов.
Скорость скольжения по время проведения испытании постоянна и не превышает 0,1 м/с, т.е. достаточно малая, чтобы исключить значительные температурные эффекты на поверхности раздела, вызванные скоростыо скольжения. Производились испытания следующих марок ТСП: ВНИИНП-229, СТС-4 и ЦВСП-Зс. Испытывалпсь ТСП при температурах воздуха от 20С до (400-650)С и контактных давлениях 55 МПа, которые соответствовали давлениям в тяжел онагру женных подвижных сопряжениях машин.
Значения нормальных нагрузок N, испытуемые валы и втулки подбирались в основном по параметру сЕх с таким учетом, чтобы подвижные сопряжения с большими радиальными зазорами испытывалпсь при более высоких температурах.
Определение коэффициента трения производится следующим образом: устанавливается испытуемая пара вал-втулка в образцедержатель нагревательного блока 7 (рис. 2.21) и закрепляется. Включается нагреватель и при достижении в зоне испытания необходимой температуры устанавливается на подвес рычага нагружения необходимый груз. Дается выдержка под нагрузкой в течение 20 с, затем включается привод и вращение от него передается образцу-валу. В зависимости от величины деформации упругого кольца с помощью тензодатчиков фиксируется сила трения F. Коэффициент трения будет равен согласно (2.48) отношению произведения измеренной силы трения FK на плечо д к величине нормальной нагрузки N на радиус образца-вала 14 (рис.2.21). Погрешность определения коэффициента трения, согласно характеристикам систем установки МТП-6 и принятой методике, не должна превышать ±0,54%. Построение зависимости коэффициента трения от температуры производится по результатам 5-7 экспериментов. Все данные геометрически интерпретируются в координатах / Т"С.
При выборе материалов исследуемого сопряжения шаровой индентор -твердое тело с ТСП руководствовались следующими соображениями: - твердость материала нндентора должна быть значительно больше твердости материала образца, так как согласно начальным условиям применимости сферической модели и способа определения касательных напряжений [61], сфера должна быть идеально жесткой; - твердость материала нндентора не должна сильно падать в рабочем диапазоне температур; - материал нндентора не должен подвергаться существенному окислению при высоких температурах, а окисел должен обладать стабильностью химсостава вплоть до высоких температур. В соответствии с вышеуказанными требованиями для ннденторов была выбрана шарикоподшипниковая сталь ШХ15, сплав на никелевой основе ХН55ВМКІО, хромистая сталь 9X18, твердый сплав ВКбМ. Выбор этих материалов объясняется и тем, что они часто применяются в подвижных сопряжениях, в которых используются ТСП. Из всего разнообразия ТСП для исследовании выбраны высокотемпературные покрытия: ВНИИНП-209, ВНИИНП-213, ВНИИНП-229, ВНИИНП-504, СТС-4 и ЦВСП-Зс, Мол икот 321R, Моликот 3400А, никель-графитовые, широко используемые в подвижных сопряжениях машин. Покрытие ВНИИНП-229, предназначенное для эксплуатации в условиях повышенных температур, состоит из антифрикционного наполнителя M0S2 (дисульфид молибдена) и связующего. В качестве связующего наполнителя - жидкое стекло Na2OSj02 (силикат натрия) с модулем по ГОСТ 961-41 (5% раствор). В покрытии и качестве дисперсионной среды при А = 0.5 используется вода (К - отношение количества пленкообразователя к количеству дисульфида молибдена [155]). Покрытия ВНИИНП-209, ВМИИНП-213, ВНИИНП-504 состоят из одних и тех же компонентов (антифрикционный наполнитель - дисульфид молибдена и полимерное связующее) и различаются соотношением твердой фазы и связующего. Покрытие СТС-4 состоит из графита со связующим из силиката натрия, покрытие ЦВСП-Зс - из антифрикционного наполнителя графита и окиси кадмия с крем ни и органическим связующим веществом, никель-графитовое - из графита и металлического связующего.
