Триботехнология. Гаркунов Триботехнология. 1 Содержание Введение 5 Глава Фундаментальные открытия в трибологии на основе самоорганизации
 Скачать 6.32 Mb.
|
|
1 Содержание Введение 5 Глава 1. Фундаментальные открытия в трибологии на основе самоорганизации (Гаркунов Д.Н.) 9 Глава 2. Механизм эффекта безызносности и его закономерности (Гаркунов Д.Н., Мельников Э.Л., Щедрин А.В.) 15 2.1. Решение проблем трибологии, поставленных видными учеными в середине 60–70-х гг. XX века. Безызносное трение 15 2.2. Первоначальные сведения о самоорганизации в узлах трения 22 2.3. Безызносность в узлах трения компрессора холодильника 25 2.4. Механизм образования сервовитной пленки 27 2.5. Постулаты классической (коммунальной) трибологии и натуртрибологии 33 2.5.1. Классическая (коммунальная) трибология 33 2.5.2. Понятие о натуртрибологии (самоорганизации в узлах трения) 35 2.6. Научные дисциплины, явления, термины и понятия, необходимые при изучении эффекта избирательного переноса 37 2.6.1. Энтропия 38 2.6.2. Синергетика 38 2.6.3. Избирательный перенос при трении (эффект безызносности) 39 2.6.4. Вакансионно–дислокационный механизм при избирательном переносе 40 2.6.5. Конфигурационная энтропия металла 40 2.6.6. Линейные и нелинейные системы 40 2.6.7. Переползание дислокаций 41 2.6.8. Трибо-ПАВ 42 2.6.9. Диссипативная система 42 2.6.10. Диссипативная структура 42 2.6.11. Условия возникновения диссипативной структуры 42 2.6.12. Неравновесность системы 43 2.6.13. Кооперативные явления в системе 44 2.6.14. Лиганды, комплексные соединения, координационная теория 44 2.6.15. Открытая система избирательного переноса 44 2.6.16. Сервовитная пленка 45 2.6.17. Серфинг-пленка 45 2.6.18. Металлоплакирующий смазочный материал 45 2.6.19. Понятие о финишной антифрикционной безабразивной обработке 46 2 2.6.20. Континуальное трение 46 2.6.21. Бифуркация 47 2.7. Структура сервовитной пленки 47 2.7.1. Исследования на электронном микроскопе 48 2.7.2. Рентгеноструктурный анализ 48 2.8. Физические основы (факторы) эффекта безызносности (избирательного переноса) 54 2.8.1. Общие сведения 54 2.8.2. Контакт поверхностей трения через пластически деформируемый мягкий и тонкий слой металла 56 2.8.3. Предотвращение процесса окисления металла на поверхностях трения 58 2.8.4. Реализация эффекта Ребиндера 59 2.8.5. Перенос частиц с одной поверхности трения на другую и удержание их в зоне контакта 60 2.8.6. Образование продуктов полимеризации смазочного материала на поверхности сервовитной пленки 62 2.8.7. Защита поверхностей трения от водорода 63 2.8.8. Возбуждение кристаллической решетки 64 2.9. Влияние металлоплакирующих присадок на окисление и вязкость масел 66 2.10. Эффект безызносности (избирательного переноса) как диссипативная структура 67 2.11. Исследование диссипативных структур 69 Список литературы 74 Глава 3. Области эффективного внедрения фундаментальных открытий в трибологии на основе самоорганизации (Гаркунов Д.Н., Мельников Э.Л., Бабель В.Г., Щедрин А.В, Суранов Г.И., Бабель А.Л., Чихачёва Н.Ю.) 80 3.1. Металлоплакирующие смазочные материалы 80 3.1.1. Основные характеристики металлоплакирующих смазочных материалов 80 3.1.2. Получение и исследование металлоплакирующих смазочных материалов с применением металлов переменной валентности 81 3.1.3. Инструментальный метод исследования поверхностей трения 86 3.1.4. Особенности кинетики износа пары трения при использовании металлоплакирующего смазочного материала 87 3.1.5. Влияние МСК «Валена» на эксплуатационные свойства современных смазочных материалов 89 3.2. Финишная антифрикционная безабразивная обработка рабочих поверхностей трибосопряжений 93 3 3.3. Реализация безызносного трения при металлообработке 129 3.3.1. Совершенствование методов комбинированной обработки инструментом с регулярной микрогеометрией поверхности на основе применения металлоплакирующих смазочных материалов 129 3.4. Безразборное восстановление изношенных машин 145 3.5. Разработка интеллектуальных материалов и на их основе универсальных узлов трения механизмов и машин 148 Список литературы 157 Глава 4. Реализация трибологии на основе самоорганизации в промышленности, на транспорте и в сельском хозяйстве (Гаркунов Д.Н., Мельников Э.Л. Щедрин А.В., Бабель А.Л.). 162 4.1. Общие сведения 162 4.1.1. Авиационная техника 162 4.1.2. Машины и механизмы морского флота 163 4.1.3. Механизмы и аппараты химических производств 164 4.1.4. Машины и аппараты бытовой техники 165 4.1.5. Металлообрабатывающее оборудование 166 4.1.6. Тяжелое машиностроение 167 4.1.7. Железнодорожный транспорт 168 4.1.8. Сельскохозяйственная техника 169 4.1.9. Червячные глобоидные и цилиндрические передачи 170 4.1.10. Буровое оборудование 170 4.1.11. Нефтепромысловое оборудование 171 4.1.12. Машины литейного производства 172 4.1.13. Безразборное восстановление плунжерных пар топливных насосов двигателей сельскохозяйственной техники 173 4.1.14. Безразборное восстановление тяжелого пресса 175 4.1.15. Применение избирательного переноса в подшипниках скольжения, работающих в воде 176 4.1.16. Работы профессора Г. Польцера 177 4.1.17. Работы профессора Р. Марчака 179 4.2. Материалы, реализующие избирательный перенос при трении 182 4.2.1. Конструкционные материалы 182 4.2.2. Присадки, композиции и смазочные материалы, реализующие эффект безызносности 187 4.2.3. Внедрение 188 Список литературы 190 Глава__5.'>Глава 5. Новый метод испытаний жидких и пластичных смазочных материалов на термостойкость (Гаркунов Д.Н., Мельников Э.Л.) 192 Список литературы 205 Глава 6. Трибология в XXI веке (Гаркунов Д.Н., Мельников Э.Л.) 206 4 6.1. Развитие машиностроения и трибология 206 6.2. Новый подход к изучению трибологии 207 6.3. Программа исследований водородного изнашивания и избирательного переноса 209 6.4. Исследование электрических, магнитных и вибрационных явлений при изнашивании 214 6.5. Совершенствование смазывания деталей 215 6.6. Экономика и трибология 218 6.7. Создание безызносных узлов трения машин 219 6.8. Защита деталей машин от водородного изнашивания 224 6.9. Расширение применения финишной антифрикционной безабразивной обработки трущихся деталей 226 6.10. Трибология, интересы здоровья и охраны окружающей среды. Пути решения экологических проблем 228 6.11. Подготовка инженерных кадров по трибологии 233 Список литературы 237 Заключение 240 Сведения об авторах 244 5 Введение Трибология – наука о контактном взаимодействии твердых тел, охватывающая весь комплекс вопросов о трении, износе и смазке машин. Трибология решает такие актуальные общенациональные проблемы как экономия энергии, сокращение материалов, надежности и безопасности механических систем, а также экологические проблемы. Конечные результаты исследований и разработок по трибологии обеспечивают снижение затрат труда на техническое облуживание и текущий ремонт машин, стоимость капитальных ремонтов, уменьшение расхода запасных частей и горюче-смазочных материалов, снижение металлоемкости конструкций узлов трения и повышение надежности и производительности машин. Проблемы и задачи, решаемые трибологией, являются «вечными», ибо они непрерывно возникают и повторяются вновь и вновь в связи с развитием и совершенствованием машин и оборудования, повышением их мощности и более форсированных режимов работы, на которых ранее применяемые конструкционные и смазочные материалы не могут обеспечить их безотказность и долговечность. Главные этапы развития трибологии, как и развитие других наук, связаны с научными открытиями и крупными изобретениями. Трибология является поистине интернациональной наукой, теоретические основы которой были созданы трудами ученых различных стран. Так, в 1883г. русским ученым Н.П. Петровым была открыта гидродинамическая теория смазки в подшипниках скольжения. В дальнейшем эту теорию развивали крупнейшие ученые мира: англичанин О. Рейнольдс, американец А. Кингсбери, немцы А. Зоммерфельд и Л. Гюмбель, русские академики Н.Е. Жуковский и С.А. Чаплыгин и др. В 1919 – 1922 гг. англичанин В. Гарди выявил большое влияние адсорбционных слоев смазочных материалов, наносимых на металлы, на трение твердых тел: по сравнению с сухим трением при адсорбционном граничном слое смазки толщиной менее 0,1 мкм трение уменьшается в 10 раз, а износ снижается до 1000 раз. Классиками исследований граничного трения являются Ф.П. Боуден, Д. Тейлор, С.А. Ахматов, И.В. Крагельский, Б.В. Дерягин и многие другие. Значительным событием в развитии триботехники явилось открытие эффекта адсорбционного пластифицирования материала трущихся деталей под действием смазочного материала, сделанное советским академиком П.А. Ребиндером, которое было названо его именем. 6 В 1956г. Д.Н. Гаркунов и И.В. Крагельский экспериментально установили при граничном трении самопроизвольное разделение трущихся поверхностей не только слоем смазки, но и металлической сервовитной пленкой толщиной 1,0…1,5 мкм, образующейся в процессе работы сопряжения. Установленный эффект известен как революционное научное открытие – избирательный перенос (ИП), также этот процесс в технической литературе называют эффектом безызносности. Эти понятия являются в определённой степени синонимами. Эффект безызносности сопровождается эволюционными процессами самоорганизации трения, в результате которых на поверхности формируется металлическая пленка. В отличие от обычных условий смазки и разрушительного трения в условиях ИП трение превращается в созидательный процесс, защищающий поверхности сопряжений от износа и заедания, аналогичный (подобный) процессам в узлах трения живой природы (живого организма). При анализе причин повышенного износа деталей самолетов Д.Н. Гаркунов и А.А. Поляков обнаружили новый, ранее неизвестный – водородный вид изнашивания деталей, который объяснял некоторые необычные явления при трении – интенсивное разрушение более прочных металлов и перенос их на менее прочный материал сопряжения. Явления водородного изнашивания и безызносного трения зарегистрированы как научные открытия. Увеличение концентрации водорода в процессе изготовления деталей или в условиях эксплуатации приводит к внезапному хрупкому разрушению металлоконструкций в тонких поверхностных слоях и аварийному отказу машин при малых нагрузках. В связи с этим, защита металла от негативного воздействия водорода и водородного изнашивания трущихся поверхностей является весьма актуальной задачей. Решение этих важнейших задач было получено при дальнейшем интенсивном развитии нового направления в трибологии – трибологии на основе самоорганизации, отличающегося от традиционного (классического) тем, что трение здесь рассматривается не как разрушительный процесс, что признано давно мировым сообществом ученых и инженеров, а как созидательный, базирующийся на отечественных научных открытиях безызносного трения и водородного изнашивания металлов. Развитие трибологии на основе самоорганизации началось во второй половине прошлого века. За этот период сложилась международная научная школа трибологов ряда стран: России, Великобритании, Германии, Польши, Литвы, Белоруссии, Украины, Болгарии, Казахстана, Монголии. По трибологии на основе самоорганизации выпущено более ста книг и монографий, свыше 2000 журнальных статей, защищено 92 кандидатских и докторских диссертаций, получено свыше 100 патентов и авторских свидетельств на 7 изобретения, издана хронология литературы по развитию трибологии на основе самоорганизации с 1956г. по настоящее время. На базе исследований в области трибологии на основе самоорганизации разработаны теоретические основы и триботехнологии создания новых трибоматериалов – присадок к маслам и смазочным материалам, позволяющих при эксплуатации машин и механизмов получать качественно улучшенные эксплуатационные показатели при одновременном повышении ресурса, снижения энергопотребления при эксплуатации машин, значительном уменьшении вредного влияния на среду обитания. Российская наука совершила открытия, значения которых до конца трудно оценить и сегодня. В полном соответствии со словами крупного американского философа К. Пирса «...всякая наука открывает вещи, которые далеко выходят за пределы непосредственных наблюдений...», эффект безызносности (как он был назван первооткрывателями) затрагивает не только основные вопросы теории трения, износа и смазки, но и дополняет такие области передовых знаний как: современная термодинамика, синергетика, квантовая теория вещества, и даже (согласно последним исследования) – теория относительности. Сложность открытого Д.Н. Гаркуновым и И.В. Крагельским феномена привела к существующей синонимии названий: трибология на основе самоорганизации, ИП, безызносность, эффект Гаркунова, служащих отражением отдельных сторон рассмотрения этого многогранного явления, но до конца не определяющих всю его глубину и важность. При ИП происходит его автокомпенсация за счет сложных синергетических процессов внутри трибосистемы, Эти процессы классики ИП Д.Н. Гаркунов и А.А. Поляков назвали явлением самоорганизации трибосистемы. Профессор Д.Н. Гаркунов впервые в 1950-х гг. выявил аналогии в самоорганизации трибосистем и биологических объектов, выраженные в способности самоусложнения первых за счет внутренней энтропии. Совместно с А.А. Поляковым и на основе работ И.Л. Пригожина Д.Н. Гаркунов предложил понятие диссипативных структур в трибологии представляющих собой «…пространственно-временные структуры, сохраняющиеся и циркулирующие неопределенно долго во времени, являющиеся высшей формой самоорганизации трибосистем». При этом Д.Н. Гаркуновым и А.А. Поляковым был сформулирован важнейший принцип, по своей научной значимости близкий к таким положениям квантовой и релятивистской теорий как принцип соответствия или инвариантности – «принцип совпадения эволюционного пути». Данный принцип провозглашает сходство структуры и направления развитие физических процессов вне зависимости от природы внутренних механизмов, обеспечивающих их эволюцию при условии, что действие эволюционных сил приводит к сходным результатам. Последовательное применение этого принципа позволило выстроить корректную модель 8 процессов самоусложнения структуры трибосопряжения, что дает возможность рассматривать трение как процесс, происходящий внутри межфазной области фрикционного контакта и приводящий к образованию новой структурной единицы трибосопряжения – третьего тела, вкючающего в себя как непосредственно смазочные структуры, так и многочисленные изменения поверхностных и приповерхностных слоев материалов узлов трения. Этот революционный подход в теории смазки впервые позволил научно поставить задачу о практическом достижении предельно низких значений коэффициентов трения и уровней изнашивании, а также наметить пути решения этих проблем. Необходимо отметить, что магистральные направления в теории ИП оказались абсолютно перспективными и продуктивными. По сути, решение задач современной теории трения идет по пути, отмеченном блестящей научной интуицией Д.Н. Гаркунова, И.В. Крагельского, А.А. Полякова, которые выстроив модель диссипативных структур, как пространственно-временных образований во многом предвосхитили «новую научную парадигму – релятивисткую физику твердого тела». Эволюция идей теории безызносности в трибологии на основе самоорганизации показывает, что заложенные в них принципы далеко не исчерпаны, а их дальнейшее развитие приводит к новым «прорывам» в фундаментальной и технической прикладной науке – трибология на основе самоорганизации. В целях широкого ознакомления научно-технической общественности студентов машиностроительных вузов, колледжей и школьников старших классов с достижениями современной трибологии на основе самоорганизации создан учебно-образовательный комплекс. Предлагаемая авторами книга рассчитана на научных работников, молодых исследователей трибологии на основе самоорганизации, аспирантов, студентов и специалистов, занимающихся повышением долговечности надежности машин и механизмов. Авторы выражают благодарность в подготовке книги к печати преподавателям кафедры «Технологии обработки материалов» (МТ-13) МГТУ им. Н.Э. Баумана А.В. Бодаревой и М.А. Сережкину, а также к.т.н. Д.Н. Любимову и к.т.н. К.Н. Долгополову за активное обсуждение и ценные замечания по некоторым разделам книги. 9 Глава 1. Фундаментальные открытия в трибологии на основе самоорганизации Развитие науки о трении и изнашивании в XX в., помимо создания молекулярно-механической теории трения и изнашивания, энергетической теории трения и многих крупных изобретений и разработок таких, как использование в качестве антифрикционных материалов полимеров, методов исследований износа деталей мечеными атомами, применения при исследовании поверхностей трения рентгеноструктурного рентгеноспектрального анализа, электронною микроскопии, изучения диффузионных процессов и т.д., увенчалось двумя научными открытиями: «Избирательный перенос при трении» (регистр №41 с приоритетом от 12 ноября 1956 г.) и «Водородное изнашивание металлов» (регистр № 378 с приоритетом от 7 мая 1967 г.). Указанные открытия, проходили широкое предварительное обсуждение среди научных учреждений Академии наук и других организаций, а так же экспертизу Комитета Совета Министров СССР по делам изобретений и открытий. При оценке открытия Экспертный совет тщательно изучает практическое значение открытия. Это определяется изобретениями, сделанными на базе открытия. Так, в 1958 г. было сделано основополагающее изобретение «Способ придания поверхности металлов трущихся пар противозадирных свойств» (Авт. свид-во №115744 от 23 апреля 1958 г. Авторы Д.Н. Гаркунов и В.Н. Лозовский). В 1962 г. было сделано второе основополагающее изобретение «Металлоплакирующая смазка» (Авт. свид-во № 3179408 от 14 мая 1962 г. Авторы Д.Н. Гаркунов, В.Г. Шимановский, В.Н. Лозовский). В настоящее время в мировой практике насчитывается более сотни изобретений и патентов, основанных на указанных основополагающих изобретениях и с каждым годом их число увеличивается. Общественные научно-технические организации и правительственные учреждения страны поддерживают работы, направленные на использование в промышленности изобретений, сделанных на базе научных открытий. Отметим некоторые постановления советского периода. Постановление бюро Президиума Всесоюзного совета научно- технических обществ «О реализации рекомендаций по внедрению избирательного переноса в машиностроении» Протокол №5 от 24 февраля 1977 г. Постановление Государственного комитета СССР по науке и технике от 3 июля 1985 г. М 349 «О мерах по повышению технического уровня и качества машин, оборудования и приборов за счет сокращения потерь энергии на трение и увеличение срока их службы». 10 Постановление Совета министров СССР №359 от 25 марта 1987 г. «О мерах по широкому использованию эффекта безызносности в народном хозяйстве». Доклад о явлении ИП при трении заслушивался в 1975 г. на Президиуме Академии наук СССР. Данное открытие было одним из приоритетных направлений в науке по трению и износу машин. Отмеченные постановления и поддержка АН СССР дали огромный импульс работ по развитию новых методов повышения износостойкости машин и оборудования не только в нашей стране, но и в других станах, что можно проследить по публикациям в российской и зарубежной печати. В 1977 г. Библиотека по естественным наукам АН СССР составила библиографический указатель по теме «Избирательный перенос при трении» за 1956 – 1977 гг., в котором значилось 242 наименования опубликованной литературы. В 1980 г. эта же библиотека издала такой же библиографический указатель, в нем уже значилось 403 наименования литературных источников. В изданном в 1988 г. в библиографическом указателе литературы по темам «Избирательный перенос при трении» и «Водородное изнашивание» значилось 906 литературных источников. Общее количество авторов составило 350 человек. С 1986 г. издательство «Машиностроение» начало выпуск ежегодного сборника статей под названием «Долговечность трущихся деталей машин», в котором помещались работы, главным образом, по ИП при трении и водородному изнашиванию металлов. К 1990 г. было издано пять сборников общим объемом более 100 печатных листов. В многочисленных статьях, опубликованных в технической литературе, и сборниках излагались исследования как механизма ИП при трении, так и работы по изучению новых, ранее неизвестных, методах повышения износостойкости трущихся деталей различного рода машин и механизмов на основе указанных открытий. Большое внимание уделялось повышению износостойкости деталей авиационной техники, военно-морского флота, тяжелого машиностроения, химической промышленности, станкостроения, легкой промышленности и сельскохозяйственной техники. По механизму ИП при трении и водородному изнашиванию металлов за прошедшие годы в России и за рубежом было проведено более 30 семинаров, совещаний и международных конференций с участием специалистов из России, стран СНГ, Великобритании, Германии, Польши и стран Прибалтики. Однако при всем этом окончательного и исчерпывающего механизма ИП до 90-х годов прошлого столетия не было. 11 С 1992 г. был начат выпуск международного научно-технического журнала «Эффект безызносности и триботехнологии». В этом журнале впоследствии стали систематически печататься статьи о механизме явления ИП при трении и водородного изнашивания металлов с новых позиций самоорганизующихся процессов при трении. Учредителями этого журнала были Общероссийское общественное объединение по избирательному переносу и самоорганизующимся системам при трении, Московский институт сельскохозяйственного производства им. В.П. Горячкина и Международный совет «Избирательный перенос и фрикционные покрытия». К этому времени в России и странах запада широко распространились книги И. Пригожина, Г. Хакена, В. Эбелинга, Г. Николса и других о самоорганизующихся процессах неживой природы и термодинамике неравновесных процессов. Ярко выявилось новое междисциплинарное направление научных исследований, названное синергетикой. В работах И. Пригожина (Бельгия) и его сотрудников проблемы самоорганизации разрабатывались с позиции диссипативных структур, в основе которых лежали идеи, методы и принципы нелинейной термодинамики неравновесных процессов. Синергетика стала выступать в качестве нового образа научного мышления, необходимого при решении сложного комплекса разнообразных междисциплинарных задач, возникающих в связи с познанием и практическим решением проблем, которые встают, как в естествознании, так и в технике. Оказалось, что физическая сущность эффекта безызносности и водородного изнашивания металлов может быть раскрыта исходя из положений, основанных на синергетике. Было установлено, что при эффекте безызносности поверхностный слой трущихся деталей представляет диссипативную структуру, при которой износ может быть равен нулю, а трение снижается по сравнению с трением при граничной смазке на порядок. ИП при трении (эффект безызносности) характеризуется сложными физико-химическими процессами, протекающими в зоне контакта трущихся деталей, и базируется в первую очередь на самоорганизации неравновесных процессов (формирование сервовитной металлической пленки), химии координационных соединений (взаимодействие смазочного материала с образовавшейся металлической пленкой) и физике тонких пленок (особая структура пленки, разрядка дислокаций, растворение металла, диффузионные процессы). Авторы сочли необходимым привести дипломы на открытия безызносного трения и водородного изнашивания металлов. 12 13 14 15 |