Триботехнология. Гаркунов Триботехнология. 1 Содержание Введение 5 Глава Фундаментальные открытия в трибологии на основе самоорганизации
 Скачать 6.32 Mb.
|
|
Глава 4. Реализация трибологии на основе самоорганизации в промышленности , на транспорте и в сельском хозяйстве 4.1. Общие сведения За последнее десятилетие использование ИП значительно расширилось. В настоящее время трудно указать область машиностроения, в которой ИП не был бы применен или апробирован. Опыт применения ИП в промышленности показывает, что успех перехода к использованию принципиально новых смазочных материалов для узлов трения, технологических процессов, новых материалов и конструкций подвижных соединений достигается только в тех случаях, когда проводилась систематическая научно-исследовательская работа применительно к конкретным узлам трения машин данной отрасли. В этом разделе излагаются результаты исследований, испытаний и использования на практике эффекта безызносности, выполненных специалистами отдельных отраслей промышленности. 4.1.1. Авиационная техника Первый опыт применения эффекта безызносности в узлах трения самолетов относится к 1960-м гг. В то время на самолетах Ил-28 наблюдался интенсивный износ верхних бронзовых букс основных стоек шасси (через 250– 300 посадок приходилось производить ремонт стоек – заменять изношенные бронзовые бухты новыми). После проведения цикла исследований, стендовых и эксплуатационных испытаний, применяемая в стойках шасси спиртоглицериновая смесь была заменена на жидкость АМГ-10, которая реализовала в парах трения бронза БраЖМц –сталь эффект безызносности. Проблема износостойкости узлов трения шасси была снята. Бронзовые буксы стоек шасси перестали изнашиваться и их замена за весь период эксплуатации самолетов не проводилась. В те же годы на самолетах ряда фирм (П.О. Сухого, А.Н. Туполева, А.И. Микояна) слабым местом в отношении износостойкости были шарнирно- болтовые соединения планера, управления и шасси. В этих узлах наблюдался наиболее опасный вид изнашивания – схватывание поверхностей трения. Для устранения подобных случаев была разработана новая технология покрытия стальных деталей тонкими пленками бронзы, латуни и меди – метод фрикционного латунирования поверхностей трения деталей– ФАБО. В дальнейшем было убедительно показано, что процесс ФАБО является одним из самых эффективных методов повышения износостойкости, устранения задиров, уменьшения времени приработки цилиндров двигателей внутреннего сгорания, шеек коленчатых валов, шестерней и колес зубчатых зацеплений, плунжерных и золотниковых пар топливной аппаратуры, силовых цилиндров гидравлических систем и других деталей. 163 Кроме метода ФАБО для смазывания тяжелонагруженных трущихся деталей авиационной техники были разработаны, так называемые «металлоплакирующие» смазочные материалы, которые при работе реализуют эффект безызносного трения. Металлоплакирующий смазочный материал «Свинцоль-01» (с 1960 г.) и смазочный материал «Атланта» (с 1973г.) применяются по настоящее время. Достаточно отметить, что высокая надежность работы шарнира крыла самолета типа «СУ» с изменяемой стреловидностью была достигнута благодаря применению смазки «Атланта». При смазке «Атланта» пороговый коэффициент трения достигается после 100 применений шарнира, в то время как при ранее применяемой смазке «»Циатим-201» это происходило после 13–17 применений. В целом технический эффект от применения металлоплакирующих смазочных материалов в тяжелонагруженных узлах самолета, по данным ОКБ им. П.О. Сухого, состоит из следующих элементов: увеличения нагрузки узла трения в 1,5–2 раза (до 100…120 МПа); снижения массы бронзовых подшипников на 25 %; повышения износостойкости деталей в 2 раза; увеличения периода между смазыванием узлов трения не менее чем в 3 раза; снижения общих затрат на эксплуатацию в 2–3 раза. 4.1.2. Машины и механизмы морского флота Известно использование морской воды в качестве смазочной среды для действующих подшипников судов морского флота. В конце прошлого столетия была решена научно-техническая проблема – разработана новая конструкция подшипника скольжения, которая работала в режиме ИП при смазывании морской водой при высоких нагрузках. Благодаря такому решению, отпала необходимость подводить и отводить смазку к подшипникам, работающим за бортом. Ранее на некоторых объектах только медных трубок для подвода и отвода смазочного материала требовалось несколько километров. Также следует учесть сокращение монтажных работ, повышение надежности работы подшипников и решение экологической проблемы. Институтом Севгипрорыбфлот (г. Мурманск) накоплен большой опыт использования эффекта безызносности в узлах трения судовых технических средств (главные и вспомогательные двигатели, подшипники валопроводов, редукторы сепараторов топлива и масла, винтовые компрессоры и т.д.). Работа велась по двум направлениям: 1. Применение на судах, находящихся в эксплуатации, антифрикционной медьсодержащей присадки МКФ-18 к штатному маслу; 164 2. Использование методов ФАБО трущихся деталей дизелей и другого оборудования в период их ремонта с последующей обкаткой по сокращенной программе с использованием присадки МКФ-18. Присадка МКФ-18 применялась в главных двигателях и механизмах на 15-ти судах ПСТ пр. 1332; 16-ти судах ТСМ пр. 333 и НИС пр. 833 и 10-ти судах СРТМ пр. 502ЭМ. В результате использования технологии ФАБО сократилось время обкатки дизелей в 1,5 раза после капитального ремонта, улучшились технические параметры работы дизеля (температурный режим, шумность, расход топлива и др.). Работы проводились по технической инструкции 8844- М6-001 ТИ, согласно которой ФАБО подвергаются коленчатый вал, цилиндровые втулки, поршневые кольца, распределительный вал, цапфы шестерен механизма газораспределения. 4.1.3. Механизмы и аппараты химических производств Основной причиной выхода из строя трущихся деталей машин и аппаратов химических производств является корррозионно-механический вид изнашивания. Обследование оборудования на химических комбинатах сотрудниками ЛенНИИХимМаша: аппаратов с перемешивающими устройствами при производстве капролактама, выращивания микроорганизмов; червячных машин при производстве синтетических каучуков; валковых устройств и т.д. показало, что узлы трения этих машин подвержены еще и водородному изнашиванию, часто в сочетании с другими видами изнашивания (абразивным и фреттинг-коррозией). Установлены четыре основных метода защиты узлов трения химического оборудования от водородного изнашивания: 1) нанесение защитных покрытий (нанесение оксидных пленок, газопламенное напыление и др.) непроницаемых для водорода; 2) применение легированных сталей и сплавов устойчивых к действию водорода; 3) ингибирование рабочей среды (использование смазочного материала); 4) электрохимический метод анодной или катодной защиты. Также были установлены области применения эффекта безызносности при трении стали14Х17Н2 по стали 12Х18Н10Т и материала ВК6 по ВК6 от различных параметров PV. Практические результаты работ. 1. Разработана композиция Ф40Б70 на основе фторопласта 40 с добавлением 70 % бронзовой дроби для изготовления сепараторов шарикоподшипников электроприводов аппаратов с механическим перемешивающим устройством. Испытания в различных смазочных средах (кислые электролиты) выявили высокую износостойкость таких 165 шарикоподшипников. Дорожки трения подшипников при работе покрывались тонким слоем меди, что способствовало компенсации износа, стабильности зазоров, снижению уровня шума и вибрации электродвигателя. 2. Разработана конструкция торцевого уплотнения вала химических аппаратов с применением твердосплавного материала, состоящего из релита и меди. Часть деталей изготовляли из стали, легированной медью, хромом и никелем. При этом поверхности трения вала и опоры работали в режиме безизносности. 3. В аксиальных уплотнительных устройствах химических аппаратов по перекачке слабокислых и слабощелочных растворов с кислотным числом pH= 6,8…8 использовались кольца с нанесенными покрытиями релит–медь. Такое покрытие колец при работе способствовало реализации эффекта безызносности в контактных кольцах. 4. Разработаны металлопластмассовые опоры скольжения со вставками- протекторами из фторопластовой композиции Ф4-К20 и бронзы БрОЦС5-5- 5 с чередованием их по окружности, обеспечивающими режим безызносного трения. 5. Предложена новая конструкция опоры, корпус которой выполнен из бронзы БрАЖ9-4, а вставки-протекторы – из фторопластовой композиции Ф4- К20. Такие подшипники имеют долговечность (в том числе для крупногабаритных аппаратов с тяжелыми валами) в 3–4 раза выше, чем подшипники из пластмасс. Особенно эффективно применение таких подшипников скольжения в опорах аппаратов, рабочая среда которых содержит абразивные частицы. 6. Разработаны шестеренные устройства, предназначенные для выгрузки полистирола из аппаратов и транспортирования его по трубопроводам. В этих устройствах бронзовые подшипники скольжения работают при давлении до 2 МПа, скорости скольжения до 0, 235 м/с, температуре 180 °С; смазывание осуществляется расплавом полимера, т.е. транспортируемой рабочей средой. Анализ полученных результатов позволил установить, что данная пара работает в режиме эффекта безызносности. В целом можно отметить, что приведенные методы повышения износостойкости узлов трения, основанные на эффекте безызносности, широко используются в химической промышленности. 4.1.4. Машины и аппараты бытовой техники Наиболее распространенным механизмом, в котором реализуется эффект безызносного трения, является компрессор бытового холодильника. Узлы трения компрессора, изготовленные из стали (коленчатый вал, подшипники 166 скольжения, поршень и цилиндры), работают в режиме безызносного трения в течении многих лет (более 30…40) практически без износа. В процессе работы поверхности трения деталей самопроизвольно покрываются тонкой медной пленкой толщиной 1…2 мкм, которая предохраняет поверхности от непосредственного контакта. Пленка формируется из ионов меди, образующихся в результате избирательного растворения медных трубок охладителя масло-фреоновой смесью (50 % масла и 50 % фреона). В зону контакта трущихся деталей ионы меди доставляются циркулируемым смазочным материалом. Активность масло-фреоновой смеси по отношению к медным трубкам охладителя повышается в результате образования в зоне трения при начальной работе компрессора активных соединений. В Московском государственном университете сервиса работы по изучению эффекта безызносности и водородного изнашивания металлов применительно к машинам и аппаратам бытовой техники ведутся более 40 лет. На базе изучения процессов, происходящих в зоне контакта деталей компрессора холодильника, учеными университета совместно с Самарским филиалом ВНИИНП была разработана металлоплакирующая присадка к смазочным материалам МКФ-18, которая более 25 лет используется в ряде отраслей промышленности. Разработан комплекс технологических и эксплуатационных методов повышения срока службы бытовых машин за счет снижения уровня диффузионно-активного водорода, например, металлоплакирование поверхностей деталей от проникновения водорода в стальные и чугунные поверхности во время эксплуатации машин; метод пластического деформирования в металлоплакирующих средах, позволяющий одновременно проводить уточнение поверхностей и нанесение защитного металлического покрытия; введение в сальниковую набивку металлоплакирующего материала в целях повышения износостойкости уплотнительного узла и др. 4.1.5. Металлообрабатывающее оборудование Применение эффекта безызносности в металлообрабатывающем оборудовании проводилось с целью снижения шума, повышения износостойкости пар трения, снижения силы перемещения подвижных органов металлорежущих станков, уменьшения утечек в гидропередачах, а также повышения стойкости металлорежущего инструмента. Проанализированы сроки службы металлообрабатывающего оборудования 200 предприятий, из них на 156 выявлена необходимость проведения работ по повышению износостойкости узлов трения станков и механизмов с использованием эффекта безызносности. К ним относятся зубчатые передачи, направляющие станин и подвижных органов станков, аксиально-поршневые насосы, гидроприводы, винтовые передачи, подшипники скольжения, металлорежущий инструмент. 167 Разработаны и приведены в эксплуатационных условиях методы повышения износостойкости пар трения применительно к металлообрабатывающему оборудованию: ФАБО трущихся поверхностей + металлоплакирующая смазка (металлоплакирующий смазочный материал); замена пар трения из цветного металла на сталь– сталь + ФАБО + металлоплакирующая присадка к маслу; введение в смазочно- охлаждающуу жидкость металлоплакирующих присадок. Положительные результаты с получением безызносного трения были достигнуты на ряде заводов (Талдомский опытно-экспериментальный завод, Вильнюсский станкозавод «Жальгирис», Псковский завод зубчатых колес, Егорьевский станкозавод, Дмитровский завод фрезерных станков, Московский завод гидроприводов и др.). Отрабатывались технологические процессы ФАБО, составы технологических жидкостей, методы контроля; было изготовлено вспомогательное оборудование и инструмент для производства ФАБО деталей. В результате проведенных работ установлено, что применение эффекта безызносности в станкостроении позволяет обеспечить: – снижение энергоемкости станков на 10…20 %; – увеличение срока сохранения квалитета точности в 1,5–3 раза; – снижение уровня звукового давления; – повышение плавности перемещения рабочих органов на 40 %; – экономию цветных металлов; – повышение стойкости инструмента в 2–5 раз. 4.1.6. Тяжелое машиностроение Узлы трения крупногабаритных машин часто испытывают большие ударные нагрузки, недостаточное поступление смазочного материала (особенно в первоначальный период работы), низкие температуры окружающей среды, высокую влажность, вибрацию и другие неблагоприятные факторы, которые снижают долговечность трущихся деталей. Специалисты завода Уралмаш провели обширные работы по испытанию тяжелонагруженных узлов трения оборудования и заводской продукции с применением металлоплакирующей присадки МКФ-18 к смазочным материалам. Испытанию подвергались редукторы карьерных и шагающих экскаваторов, бурового оборудования и узлы трения технологического оборудования (коробки скоростей термопласт- автоматов, гидродинамические подшипники, насосы , станки и т.д.). В результате испытаний выявлена устойчивая тенденция к полному или частичному восстановлению или стабилизации утраченных в процессе эксплуатации служебных характеристик машин и оборудования. Например, ресурс гидронасоса увеличился в 2,5 раза; прекратилось развитие усталостного выкрашивания зубьев быстроходной зубчатой передачи с зацеплением Новикова; снизилась шумность коробки скоростей на 15 % и вибрации – на 25%; в зубчатых передачах наблюдалось «залечивание» мелких питтингов; 168 снизилась температура на выходе из подшипника в пятивалковом каландере; расход смазочных материалов снизился в 2 раза в редукторах карьерных экскаваторов ЭКГ-20; уменьшилось время приработки зубчатых передач. Установлено, что с возрастанием в масле абразивных частиц, эффективность действия присадки МКФ-18 снижается. 4.1.7. Железнодорожный транспорт Наиболее изнашиваемыми деталями тепловозов, лимитирующие их ресурс, являются поршневые кольца и цилиндровые втулки дизелей. Малый ресурс у тепловозов и вагонов имеют подшипники качения, устанавливаемые в колесных парах. Кроме того, к быстроизнашиваемым деталям железнодорожного транспорта относятся сами колеса и сопрягаемые с ними рельсы на криволинейных участках дороги. Роликовые подшипники колесных пар часто выходят из строя по причине разрушения контактных поверхностей колец и роликов до выработки их ресурса. В последнее время проблема износа трущейся пары колесо – рельс в России весьма обострилась. По данным технической литературы ресурс работы рельс на криволинейных участках вследствие износа за период с 1985 по 1996 гг. снизился в 3–10 раз, а износ колесных пар подвижного состава увеличился в 10–15 раз. В результате исследований установлено, сто рельсы и сопрягаемые с ними колеса изнашиваются, главным образом, в результате водородного изнашивания. Этому способствуют условия работы деталей, характерные для водородного изнашивания и насыщения поверхностей трения колесной пары водородом в процессе работы. Уже было отмечено, что подшипники качения и цилиндры двигателей внутреннего сгорания изнашиваются также в результате водородного изнашивания. Таким образом, можно отметить три группы деталей железнодорожного транспорта, выходящие из строя в результате водородного изнашивания: цилиндровые втулки двигателей тепловозов и поршневые кольца, подшипники качения букс тепловозов и вагонов, рельсы и сопрягаемые с ними колеса. Если это так, то можно полагать, что метод повышения износостойкости указанных трех групп деталей может быть универсален. Наиболее приемлемым методом защиты от водородного изнашивания был выбран метод, основанный на образовании в зоне контакта металлоплакирующей пленки, исключающей диффузию водорода в металл детали. Для этого были созданы металлоплакирующие смазочные материалы, компрозиции, присадки (например, МСК «Валена») к маслам и смазочным материалам, реализующим в узлах трения эффект безызносности. МСК «Валена» прошла широкую проверку как в лабораторных условиях, так и в эксплуатационных и показала положительные результаты. Износ цилиндровых втулок и поршневых колец, рельсов и колес резко снизился. Уменьшились шум 169 подшипников качения и повреждения дорожек колец и роликов, снизилось потребление смазочных материалов. В 2005-2006 гг. на Кусковском заводе консистентных смазок организовано многотоннажное производство четырех видов новых смазочных материалов для основных типов трущихся деталей железнодорожного транспорта (редукторов, подшипников качения, дизелей локомотивов и пар колесо–рельс). |