Триботехнология. Гаркунов Триботехнология. 1 Содержание Введение 5 Глава Фундаментальные открытия в трибологии на основе самоорганизации
 Скачать 6.32 Mb.
|
|
Глава 2. Механизм эффекта безызносности и его закономерности 2.1. Решение проблем трибологии, поставленных видными учеными в середине 60– 70-х гг. XX века. Безызносное трение Еще в довоенный период в 1930-е гг. наша страна из аграрной преобразовалась в индустриальную. Особенно большое развитие получила машиностроительная промышленность. Был создан целый ряд новых отраслей машиностроении (автомобили, тракторы, самолеты, химическая промышленность и т.д.). Относительно общего объема машиностроительной промышленности мы добились больших успехов и заняли к 1940 г. второе место в мире. Одной из самых важных задач в этой области явилось совершенствование типов машин, которые обладали бы максимальной производительностью. Одним из существенных препятствий в деле производительности машин является недостаточная их износостойкость и большое потребление энергии (коэффициент трения между трущимися деталями). Все это указывает на исключительно большое значение проблемы износа и трения в деле развития машиностроительной промышленности. Характерно то, что до сего времени в наших вузах недостаточно внимания уделяется проблеме трения и износа в машинах. В связи с этим еще в 1939 г. академиком Е.А. Чудаковым была организована первая всесоюзная конференция по трению и износу. Конференция имела своей целью дать обзор всех тех основных работ, которые велись в стране по проблеме трения и износа в машинах и на базе этих работ дать конкретные предложения по внедрению в промышленность отдельных достижений и по дальнейшей постановке научно- исследовательской работы по этой проблеме. Академик Е.А. Чудаков отметил на этой конференции, что в учебных планах вузов отсутствует специальная дисциплина по этим вопросам, и соответствующая литература и мало специалистов готовится по этой важной проблемной тематике. Великая Отечественная война прервала развитие промышленности нашей страны на четыре года. Машинный парк оказался полностью изношенным, и необходимо было его быстрое восстановление, стояли задачи новых ремонтных технологий. В последующие два десятилетия ученые-трибологи в результате теоретических и экспериментальных исследований выявили крайне важные проблемы, касающиеся механизмов износа деталей, нашли новые пути, способные снизить износ деталей, коэффициент трения, температурный режим в узлах трения, энергозатраты, экологические проблемы. Наука о трении, износе и смазке машин обогатилась весьма важными результатами исследований: механизма износа при граничном трении, контакта поверхностей при сухом и граничном трении, влияния на трение и износ тонких пластичных плёнок, механизма случае высоких удельных поверхностей (открытие водородного безызносного трения и многих В этот период были трению и износу: 1-я конференция двух томах в 1950 г.) и 3-я конференция г.). Остановимся более подробно сказано ранее. В 1950 г. доцентом флота Л.В. Елиным была защищена граничного трения, в которой происходит износ поверхностей взаимного внедрения отдельных поверхность. До опубликования этой обусловлено погрешностями износа. Между тем контактирование которых хотя бы одно – другого, связано с образованием деформации. Это означает даже идеально гладкой, она под нагрузкой шероховатость В результате неоднородности сплава по твёрдости, а также выходящих на поверхность начиная с малых нагрузок составляющих и кристаллов в менее твердые структурные первая проблема. Рис . 2.1. Сечение сжатых 16 механизма износа поверхностей при схватывании удельных давлений, влияния водорода на открытие водородного износа), а также открытием многих других исследований в трибологии были проведены научные всесоюзные конференции конференция – в 1949 г. (труды были я конференция – в 1960 г. (труды опубликов более подробно на тех крупных достижениях г. доцентом Одесского института инженеров была защищена докторская диссертация по которой было показано, что при таком поверхностей без разрушения масляной пленки отдельных участков одной поверхности опубликования этой работы считалось, что касание погрешностями технологий их обработки, а также контактирование под нагрузкой поверхностей поликристаллическое при однородной образованием шероховатости вследствие означает, что будь поверхность с гетерогенной гладкой она, как и сопряженная с ней поверхность шероховатость. неоднородности различных структурных а также разной ориентировки кристаллических поверхность, на отдельных площадках фактического нагрузок, происходит взаимное внедрение кристаллов, обращенных к поверхности «сильными структурные составляющие и «слабые» грани сжатых давлением стальных и бабитовых при схватывании их в водорода на повреждение открытием эффекта трибологии. всесоюзные конференции по были опубликованы в опубликованы в 1961 достижениях, о которых инженеров морского диссертация по теме механизма при таком виде трения масляной пленки в результате поверхности в другую касание поверхностей а также процессами поверхностей тел, из однородной поверхности вследствие неоднородности гетерогенной структурой поверхность, приобретает структурных составляющих кристаллических зерен, фактического контакта, недрение твердых сильными» гранями, грани кристаллов. Это бабитовых пластин На рис. 2.1 показано первоначально гладкими сопряженными поверхность шлифовалась поверхность баббита полировалась Взаимное внедрение материала одной поверхности трения покрывается мелкими изнашивания деталей. Эта первая настоящего времени не решена Вторая проблема изнашивания была поставлена ведущим российским Он показал, что при изучении поверхностей при трении номинальную площадь контакта площадь контакта. Установлено, что фактическая трения представляет собой (вся площадь контакта, участвующая участках фактического контакта приводит к возникновению масляной плёнки и естественно Эта вторая проблема трения машин и механизмов Рис . 2.2. Схема Еще в 1944 г. ведущие исследовали влияние толщины поверхностей трущейся пары 17 показано сечение сжатых давлением 3,0 гладкими сопряженными плоскостями, из которых шлифовалась до параметра шероховатости Ra полировалась. внедрение при работе узла трения приводит к поверхности материалом другой поверхности мелкими рисками, что приводит к усталостному Эта первая проблема усталостного вида не решена. проблема изнашивания деталей при сухом и граничном ведущим российским ученым профессором И при изучении процесса взаимного контактирования трении следует различать три вида площадь контакта, контурную площадь контакта что фактическая площадь контакта в каждый собой от 1/100 до 1/10000 номинальной площади контакта, участвующая в трении (рис. 2.2)). Как фактического контакта возникает огромное удельное возникновению высоких температур до 1000 естественно, повышенному износу. проблема, поставленная И.В. Крагельским, во механизмов также до настоящего времени не решена . 2.2. Схема контактирования деталей ведущие ученые Великобритании Ф.П. Боуден толщины пленки индия, нанесенной трущейся пары сталь – сталь на коэффициент трения 3,0 МПа пластин с из которых стальная Ra = 0,5 мкм, а приводит к пропахиванию поверхности. Поверхность к усталостному виду вида изнашивания до и граничном трении профессором И.В. Крагельским. взаимного контактирования вида поверхностей: контакта и фактическую контакта в каждый момент номинальной площади контакта . 2.2)). Как следствие на удельное давление, что 1000 ºС, разрушению Крагельским, во многих узлах не решена. Боуден и Д. Тейбор нанесенной на одну из коэффициент трения (рис. 2.3). Рис . 2.3. Зависимость коэффициента Установлено, что при трения может снизиться в частности в авиационной плёнку индия наносили звездообразного авиадвигателя пластичных пленок металлов использования метод гальванического мягкими металлами для уменьшения трения не нашел широкого эффективность. Таким образом снижении трения – покрытие мягких материалов. Рис . 2.4. Задиры болтов Четвертая проблема трения сталь – сталь, или 18 Зависимость коэффициента трения от толщины пленки нанесенной на сталь что при уменьшении толщины пленки индия снизиться в 7 – 8 раз. Этот важный результат авиационной технике. Так, например, гальваническим наносили на бронзовый подшипник центрального авиадвигателя. В силу сложностей нанесения металлов на трущиеся детали машин гальванического покрытия индием, бронзой для уменьшения трения и возможного задира широкого применения, не смотря на Таким образом, выкристаллизовалась третья покрытие трущихся поверхностей тонкими болтов шарнирного сочленения самолета наповерхностях трения проблема состоит в том, что многие детали, особенно сталь, или сталь – чугун (цилиндро-поршневая толщины пленки индия, пленки индия коэффициент результат использовался в гальваническим путём центрального шатуна нанесения тонких машин широкого бронзой и другими возможного задира поверхностей смотря на его высокую третья проблема при поверхностей тонкими пленками самолета типа ТУ детали, особенно в парах поршневая группа 19 двигателей внутреннего сгорания, шарнирно-болтовые сочленения шасси самолетов и др.) подвергаются при приработке, или вообще при начальной их работе задирам и схватыванию сопряженных поверхностей (рис. 2.4, 2.5). Эту проблему в 1950-60 гг. исследовали крупные ученые В.Д. Кузнецов, В.Н. Лозовский и др. и опубликовали ряд книг по механизму процессов схватывания и заедания в авиационной технике, в частности схватыванию шарнирно – болтовых сочленений. И наконец, отметим пятую проблему, которая была установлена с открытием водородного изнашивания. Как известно, в 1960-е гг. было открыто явление водородного изнашивания, которое состояло в том, что при сухом и граничном трении образуется диффузионно-способный водород, образование которого связано с разложением воды на водород и кислород, находящийся в зоне фрикционного контакта, а также разложением топлива и смазочных материалов с выделением водорода. Водород проникает в стальные и чугунные детали, концентрируется в поверхностном слое деталей и усиленно их разрушает. Рис . 2.5. Интенсивно изношенный болт крепления щитка закрылок двигателя самолета за несколько часов полета Если проанализировать отмеченные пять проблем, стоящих перед трибологией, то можно полагать, что для их решения потребуются совершенно разные методы. Однако, как показали практические и научные исследования, возможен только один путь их решения. Решение указанных проблем − замена различных видов трения на один вид − безызносное трение. Рис . 2.6. Начальная стадия образования защитной металлической сервовитной пленки на поверхности стальных сопряженных деталей. 20 В середине 1950-х гг. прошлого столетия при исследовании технического состояния шасси самолетов было обнаружено явление самопроизвольного образования тонкой пленки меди в парах трения бронза − сталь при смазывании их спиртоглицериновой смесью. Пленка меди толщиной 1...2 мкм в процессе трения покрывала как бронзу, так и сталь. Она резко снижала износ узла трения и уменьшала силу трения примерно в 10 раз. Почти в то же время подобное явление было обнаружено в парах трения сталь − бронза при смазывании смазкой ЦИАТИМ-201 в шарнирно-болтовых соединениях самолетов. Исследования показали, что медная пленка в паре сталь − бронза образуется в результате анодного растворения бронзы. При этом легирующие элементы цинк, олово, алюминий уходят в смазочный материал, и поверхность обогащается медью. После того как поверхность бронзы и стали покроется медью, растворение бронзы прекращается и устанавливается режим безызносного трения. В узлах трения компрессора домашнего холодильника медная пленка в паре сталь−сталь возникала в результате растворения медных трубок охладителя холодильника. Ионы меди, поступая в маслофреоновую смесь, двигались в зону контакта, где формировалась защитная медная пленка. Компрессоры холодильников могут работать десятки лет без ремонта. Пленка при изнашивании образуется вновь. Она имеет иную структуру, в ней много вакансий и мало дислокаций. Она может и многократно деформироваться, без упрочнения и переупрочнения. Пленку назвали сервовитной от сочетания двух иностранных слов: серво – это обслуживание, сервис; витте − жизнь. При дальнейшей работе, сервовитная пленка, по существу является участками фактического контакта, которые полностью занимают всю номинальную поверхность трения. Толщина пленки примерно 1..2 мкм, что приводит по Ф.П. Боудену и Д. Тейбору к очень низкому коэффициенту трения, а проблема, поставленная Л.В. Елиным объясняется тем, что пропахивание поверхностей трения вообще не происходит, поскольку взаимодействие стальных поверхностей не имеет места. На рис. 2.6 видны продольные риски первоначально образовавшиеся в результате механической обработки стальной поверхности, поперечные − как следы трения на участках, покрытых сервовитной пленкой. Таким образом, нанесение тонкой металлической пленки из меди, олова, бронзы или латуни, как показал большой эксплуатационный опыт в авиационной технике, является одним из самых эффективных методов защиты поверхностей от схватывания и заедания узлов трения. Как оказалось, сервовитная пленка, самопроизвольно образующаяся в зоне контакта, является также одним из самых эффективных методов защиты поверхностей от водородного изнашивания, она не пропускает проникновения 21 водорода в контактирующие стальные поверхности. В последующие три десятилетия 1960-1990 гг., проводили дальнейшее изучение научных открытий эффекта безызностности и водородного изнашивания металла. Эффект безызносности − явление, по своему характеру противоположное изнашиванию: если при изнашивании во время трения все процессы в зоне контакта сводятся к разрушению поверхности, то процессы при ИП носят созидательный характер: они необратимы и относятся к самоорганизующимся процессам неживой природы. Под эффектом безызносности подразумевается принцип, на основе которого уменьшаются силы трения и интенсивность изнашивания деталей. Между тем, в реальных условиях можно достичь такого результата, когда поверхности трения не только не изнашиваются, но и могут восстанавливаться. Создаются условия восстановления изношенных машин без их разборки. Это требует применения специальных технологий. Контактирование деталей происходит не по всей поверхности трения, а только в отдельных точках (отношение фактической площади контакта к номинальной составляет 1:100 −1:10 000). Учитывая указанные выше факторы, вызывающие изнашивание узлов трения, длительное время главным направлением борьбы с изнашиванием и уменьшением сил трения было повышение твердости поверхностей трения деталей машин. При повышении твердости материала уменьшается взаимное внедрение одной поверхности в другую, снижаются пластические деформации и окислительные процессы, а также действие абразива. Было разработано много методов повышения твердости деталей: цементирование, хромирование, азотирование, поверхностная закалка, наплавка твердыми материалами и др. Это решило многие вопросы, связанные с повышением ресурса машин и оборудования. Так, электролитическое хромирование цилиндров двигателей внутреннего сгорания не только повысило износостойкость пары трения цилиндр - поршневое кольцо в 4...5 раз по сравнению с износостойкостью чугунных цилиндров, но и в большой степени снизило потери на трение в цилиндропоршневой группе двигателей. Однако с увеличением нагрузок в узлах трения, ухудшением в некоторых случаях условий смазывания деталей, с повышением требований к КПД механизмов, применением специальных смазочных материалов и жидкостей, а в некоторых механизмах в связи с использованием в качестве смазочного материала воды методы повышения износостойкости деталей путем увеличения их твердости перестали себя оправдывать. Напомним, что фактическая площадь контакта с увеличением твердости материала уменьшается. В результате перекосов деталей при эксплуатации увеличивается возможность их заедания или роста интенсивности изнашивания. Если в трении участвует зуб ковша экскаватора, нож исключить изнашивание режущей сопряжении двух деталей, условия контакта деталей рассматривать как термодинамическую поверхностей трения с внешней следовательно, возможно самоорганизующихся процессов самолетов при работе пары домашнего холодильника в 2.2. Первоначальные сведения В поисках новых путей целесообразно обратиться к сочленений живых существ открытые и закрытые. Открытость термодинамическом понятии абразивных частиц, влаги, пыли В открытых узлах трения зубы животных. Закрытые "сконструированные" на принципах На твердой кости располагается тонкая подвижная полимерная же структуру. В суставе работают по мягкому (рис. 2.7, а). Рис . 2.7. Схема коленного бронза -сталь 1 – синовиальная жидкость суставный хрящ; 5 – жидкость пленка; 7 – сервовитная пленка Суставы здорового человека много меньше коэффициента 22 участвует только одна деталь, например лемех экскаватора, нож бумагорезательной машины, изнашивание режущей кромки этих деталей. Но деталей, между которыми находится смазочный деталей меняются. Здесь трущуюся термодинамическую систему, где возможен с внешней средой (смазкой) энергией возможно образование новых структур процессов. Это и было обнаружено в пары трения сталь − бронза и узлах трения холодильника в парах трения сталь – сталь. Первоначальные сведения о самоорганизации в узлах новых путей повышения износостойкости обратиться к живой природе. Анализ нагруженных существ показывает, что имеются два типа закрытые. Открытость и закрытость здесь понимается понятии, а в смысле попадания на трущиеся влаги, пыли и других веществ. узлах трения работает твердый материал по Закрытые узлы трения − суставы живых на принципах, которые в машиностроении располагается мягкий хрящ, на поверхности которого полимерная пленка. Сопряженная поверхность суставе работают два одинаковых материала |