Введение к работе
' .
Актуальность проблемы. В машиностроении широкое применение имеют узлы трения, функционирующие в среде маловязких рабочих жидкостей. Во многих изделиях таких современных отраслей, как авиационное и космическое двигателестроение, химическое и нефтегазодобывающее машиностроение, узлы трения работают со смазыванием и охлаждением рабочими маловязкими средами - низкомолекулярными углеводородными и криогенными жидкостями, водой, ее растворами и др.
Использование указанных жидкостей вмест обычно применяемых различных смазочных материалов имеет исключительно важное техническое, экономическое и экологическое значг \ При этом упрощаются конструктивные схемы машин и механизма., сокращаются их масса и габариты, исключается необходимость применения специальных смазочных сред и систем для их транспортирования и хранения, снижается при эксплуатации количество вредных выбросов в окружающую среду. Для трибосистем, работающих на масле, существует обширная научно-техническая и справочная литература по расчету", конструированию и эксплуатации. Для узлов трения, предназначенных для работы в маловязких смазочных средах, недостаточно научных разработок, посвященных исследованию их работоспособности и определению трибологических характеристик. Отсутствуют расчетные методы прогнозирования и проектирования указанных трибосистем на заданную долговечность. Зачастую далеко не сразу удается создать работоспособную конструкцию узла трения и подобрать благоприятное сочетание характеристик, при которых обеспечиваются требуемые долговечность и надежность. При этом экспериментальная отработка проводится с помощью весьма трудоемких и дорогостоящих стендовых испытаний натурных узлов, в том числе и в составе 'полноразмерных изделий. Статистические данные показывают, что в общей сумме.дефектов и неисправностей агрегатов двигателей летательных аппаратов, проявляющихся на различных стадиях жизненного цикла-изделий, до 60% принадлежит узлам трения. Поэтому основополагающим для решения научно-технических задач, связанных с применением в качестве смазочных материалов маловязких рабочих жидкостей, является создание теоретических предпосылок, методов расчета и обеспечения работоспособности узлов трения на уровне высоких рабочих
параметров машин и механизмов, предназначенных для работы в широком диапазоне высоких и низких температур; с повышенными скоростями, нагрузками, давлениями рабочих сред; зачастую в условиях, когда указанные среды являются химически активными.
Необходимость решения названных проблем указывает на высокую актуальность и народнохозяйственное значение исследований в этой области.
Цель работы - выявить и изучить особенности механизма взаимодействия и закономерностей изнашивания поверхностей трения при смазывании и охлаждении маловязкими рабочими жидкостями, обусловливающими на фрикционном контакте режим граничного трения; разработать модель трения и изнашивания, адекватно описывающую рассматриваемый класс явлений; адаптировать модель к различным видам трибосопряжений; разработать методы расчета трибологических и конструктивных характеристик узлов трения и обеспечения их работоспособности в указанных смазочных средах.
Основные задачи
-
Развить существующие представления (на базе теории энерго-массопереноса и баланса энтропии) об особенностях процессов трения и изнашивания в.условиях граничной смазки маловязкими средами; разработать математическую модель для указанных условий и адаптировать ее для трибосопряжений, функционирующих в условиях трения качения и скольжения.
-
Разработать основы метода расчета износостойкости деталей машин для условий смазки маловязкими средами.
-
Разработать методы и средства испытаний трибосопряжений в среде маловязких рабочих жидкостей.
-
Исследовать особенности механизма взаимодействия и закономерности изнашивания в присутствии маловязких жидкостей, определить трибологические характеристики узлов трения в указанных условиях. -
-
Разработать методы обеспечения работоспособности трибосопряжений в присутствии маловязких смазочных сред; апробировать и практически реализовать разработанные методы.
Научная новизна. Предложена модель внешнего трения и изнашивания в присутствии маловязких смазочных сред в виде концепции
трибореактора, стенки которого, являясь поверхностными слоями и микрообъемами контактируешь твердых тел, участвуют в механических, теплофизических, химических и других процессах, протекающих во фрикционной зоне. Для математического описания трибопроцессов использован математический аппарат энергомассопереноса в виде преобразованных применительно к трибосистеме дифференциальных уравнений переноса массы, энергии, количества движения и баланса энтропии.
Показана возможность адаптации обобщенной модели к трибосопря-жениям, работающим в условиях трения каче? * (с проскальзыванием) и трения скольжения. На базе полученных модельных представлений разработана концепция метода расчета износостойкости поверхностей трения в условиях граничной смазки маловяэкими средами.
Сформулированы с учетом специфики функционирования узлов трения в маловязких смазочных средах (условия граничной смазки,большие объемы прокачиваемой смазочной среды, химическая активность и др.) основные принципы и подходы к конструированию испытательных средств, на их основе созданы новые испытательные средства и методическое обеспечение.
Комплексно исследованы особенности взаимодействия и механизм изнашивания поверхностей трения, а также трибологические характеристики натурных трибосистем при смазывании и охлаждении маловязкими рабочими жидкостями (вода, жидкий кислород); установлены основные факторы и закономерности, определяющие процесс трения и изнашивания в указанных условиях. Показан комплексный механизм изнашивания, включающий в себя широкий спектр протекающих в поверхностных слоях и микрообьемах процессов механического, адгезионного и коррозионно-механического характера. Критической точкой перехода к коррозионно-механическому изнашиванию является температура насыщения паров маловязкой смазочной среды. Выдвинутшположения и полученные модельные представления с позиции концепции трибореактора подтверждены экспериментально.
Выдвинутые теоретические положения и разработанные модельные представления о фрикционной зоне в виде концепции трибореактора использованы как единая методологическая база для разработки конкретных моделей контактирования, комплекса методов расчета, прогнозирования долговечности и обеспечения работоспособности трибосистем, функционирующих в условиях граничной смазки мало-
вязкими средами (подшипники качения и скольжения, а также номинально неподвижные, но подверженные вибросмещениям, соединения деталей типа вал-ступица, бандажные связи, заклепочные соединения и др.).
Достоверность научных положений подтверждена согласованностью теоретических, экспериментальных и практических результатов, а также их сопоставлениями с данными других исследователей.
Адекватность разработанных модельных представлений и эффективность полученных практических методов во многом обеспечена применением современных и специально разработанных новых испытательных средств и приборов с высокой точностью, чувствительностью и информативностью, а также впервые разработанных методов исследований, использованием статистической обработки результатов исследований на ЭВМ, большой группой исследованных объектов, широким объемом лабораторных, стендовых и натурных испытаний.
Практическая значимость и реализация результатов работы. В работе обосновано применение принципов, положений и математического аппарата теории энергомассопереноса и баланса энтропии , для описания и анализа изнашивания, а также прогнозирования износостойкости узлов трения изделий, функционирующих в маловязких смазочных средах.; '. .'.;..
Разработана методологическая база для указанных условий в ви
де обобщенной модели трения и изнашивания, связывающая основные
параметры трибосистемы и трибопроцесса, позволяющая адаптировать
ее к конкретным видам трибосопряжений, а также обеспечивающая
возможность постановки оптимизационных задач и компьютеризации
расчетов. , ',"'; '-
Предложена концепция метода расчета износостойкости деталей машин в условиях граничной смазки маловязкими средами, разработан комплекс методов расчета долговечности и обеспечения работоспособности трибосистем, основные из которых: метод расчета износостойкости подшипников качения; методы обеспечения оптимальных трибологических и конструктивных характеристик подшипниковых узлов; метод расчета системы смазки и охлаждения подшипников качения; метод расчета основные'конструктивных характеристик метадлополкмерных подшипников скольжения, применяемых в экстремальных условиях; метод расчета толщины промежуточного полимер-
ного слоя в номинально неподвижных соединениях высоконапряженных элементов конструкций, подверженных вибросмещениям.
Внесен практический вклад в разработку и совершенствование средств и методов экспериментального исследования узлов трения при использовании маловязких смазочных сред, созданы новые испытательные устройства и способы для реализации испытаний трибо-систем на изнашивание и исследования трибологических характеристик.
Разработан ряд новых технических решений (устройств и способов), построенных на основании выдвинутых -"еоретических положений и обеспечивающих расчет и выбор оптимальных трибологических и конструктивных, характеристик трибосистем, функционирующих в маловязких смазочных средах или без смазочного материала (подшипники качения и скольжения, уплотнения валов, бандажные связи, соединения вал-ступица и др.). Новизна и оригинальность решений подтверждена государственной патентной экспертизой - указанные решения защищены 17 авторскими свидетельствами и тремя положительными решениями.
Результаты исследований внедрены на ряде предприятий авиационной и космической техники, а также в нефтегазодобывающей промышленности с суммарным годовьы экономическим эффектом более 6 млн.руб. Некоторые элементы разработанных модельных представлений и расчетных методов использованы в одном справочном и двух учебных изданиях по триботехнике. Основные положения разработанных модельных представлений, методы расчета трибологических и конструктивных характеристик узлов трения при смазывании и охлаждении маловязкими рабочими средами используются з учебном процессе на факультете повышения квалификации инженеров при Самарском авиационном институте.
Основные научные положения, защищаемые автором.
Закономерности механизма изнашивания поверхностей трения при использовании химически активных маловязких смазочных жидкостей как комплексное явление, включающее широкий спектр протекающих в поверхностных слоях и микрообъемах процессов механического, адгезионного и коррозионно-механического характера, совокупность которых зависит от тепловых условий в контакте и от агрегатного состояния жидкости в зоне трения.
- б -
Совокупность модельных представлений для указанных условий: физическая модель в виде концепции трибореактора, описываемая дифференциальными уравнениями энергомассопереноса и баланса энтропии, а также обобщенная математическая модель, адаптируемая к частным видам трибосопряжений.
Научно обоснованные методы и методики исследований узлов трения в среде маловязких жидкостей, основные принципы и подходы к конструированию испытательных средств с учетом специфики функционирования в указанных условиях (условия граничной смазки, большие объемы прокачиваемой смазочной среды, химическая активность и др.).
Идеология метода расчета износостойкости поверхностей трения в условиях граничной смазки маловязкими средами; комплекс методов расчета и обеспечения работоспособности трибосопряжений, позволяющих получать их оптимальные трибологические характеристики, конструктивные схемы и параметры для указанных уел эий функционирования; ряд новых технических решений (устройств и способов), позволяющих проводить расчет и конструирование узлов опор качения и скольжения, высоконапряженных соединений, подверженных . вибросмещениям типа бандажных связей, вал-ступица и др.
Совокупность основных положений, выносимых на защиту, свидетельствует о решении важной научно-технической проблемы в области трения, износа и смазки трибосистем, функционирующих в среде маловязких смазочных материалов, практическая реализация которой обеспечивает повышение их нагрузочно-скоростных характеристик,, долговечности по износостойкости и общей надежности, а также сокращение сроков и материальных затрат при выполнении проектировочных и доводочных работ.
Апробация работы. Основные результаты и положения диссертации докладывались на 15 Всесоюзных научно-технических конференциях (І979-І99І гг.), а также на Всесоюзной школе-семинаре "Роль поверхности в прочности и износостойкости твердых тел" (1987 г., Куйбышев, руководитель академик К.В'.Фролов) и на Международном научно-практическом семинаре-коллоквиуме "Триболог 7м" (1991 г., Ярославль-Рыбинск-Ростов, руководитель проф. В.Ф.Безъязычный).
В полном объеме работа докладывалась и получила одобрение на Международном научно-практическом семинаре-коллоквиуме "Трибо-лог-7м" (1991 г., Ярославль-Рыбинск-Ростов, руководитель проф.
В.Ф.Безъязычный), на У Всесоюзной научно-технической конференции "Контактная гидродинамика" (1991 г., Самара), на семинаре имени проф.М.М.Хрущова (1991 г., ИЇ.1АШ, Москва .руководитель проф.Р.М. Матвеевский), на заседании НТС ГНШ "Труд" (1992 г., Самара,руководитель академик Н.Д.Кузнецов) и на совместном семинаре кафедр конструкции и проектирования двигателей летательных аппаратов и основ конструирования машин Самарского авиационного института (1992 г.).
Публикации. Основное содержание работы отражено в 52 печатных работах, в том числе 17 авторских свидетельствах на изобретения, а также 3 положительных решениях (по заявкам на а.с. №№ 4779892/27, 4779892/27, 4794350/27).
Объем и структура работы. Диссертация изложена на 394 страницах машинописного текста, включая 5 таблиц, 117 рисунков, и состоит из введения, семи глав, основных выводов, заключения, приложения и списка литературы из 303 наименований.
