Триботехнология. Гаркунов Триботехнология. 1 Содержание Введение 5 Глава Фундаментальные открытия в трибологии на основе самоорганизации
 Скачать 6.32 Mb.
|
|
Глава 6. Трибология в XXI веке 6.1. Развитие машиностроения и трибология Трибология в настоящее время находится в начале нового этапа развития. Устаревшие представления еще прочно занимают свои позиции, а новые взгляды и положения еще недостаточно окрепли и лишь постепенно получают признание. Движение той или иной науки определяется объективными законами, однако для успешного развития науки необходимо знать ее магистральные направления. В этой связи попытаемся дать прогнозы развития трибологии на предстоящие 10 – 15 лет и ответить на вопросы: что определит направление развития трибологии, где имеются резервы, неисследованные области. Чему нужно уделить больше внимания? Этими вопросами задаются конструкторы, технологи, эксплуатационники, ремонтники; те же вопросы стоят перед учеными- исследователями в области трения, изнашивания и смазывания машин. В обозримом будущем машиностроение будет развиваться в плане создания автоматизированных комплексов и систем машин, оборудования по автоматизации сборочных работ и в целом строительства автоматических цехов и заводов. Огромное значение приобретает развитие промышленности в восточных и северных районах страны, что потребует производства машин, способных выдерживать более высокие нагрузки и обладать большей надежностью. Можно ожидать развертывания работ по освоению шельфа морей и океанов. Это потребует создания совершенно новой техники. Одним из направлений развития машиностроения является создание и внедрение гибких автоматизированных производств (ГАП), роботокомплексов, станков-автоматов, обрабатывающих центров. При огромном парке машин и оборудования рост эффективности производства невозможен без повышения долговечности техники и снижения затрат на ее эксплуатацию и ремонт. Перед трибологией стоят сложные задачи: 1. В 2–3 раза повысить сроки службы сельскохозяйственной техники, двигателей внутреннего сгорания, компрессоров, автомобилей, металлообрабатывающего оборудования и других машин массового применения; 207 2. Снизить затраты на ремонт машин и их техническое обслуживание, для чего уменьшить регулировочные работы, в несколько раз сократить объем смазочных работ, исключить дорогостоящие финишные операции при изготовлении трущихся деталей, снизить расход смазочных материалов; 3. Снизить силы трения в машинах, повысить их КПД, сократить время приработки машин; 4. Создать новые конструкции узлов трения с использованием современных антифрикционных и износостойких материалов, способных нести нагрузки в 1,5–2 раза большие, чем прежние; 5. Разработать новые смазочные материалы для работы при высоких температурах, с лучшей смазывающей способностью, обеспечивающие большую стойкость материалов к задирам при трении. Указанные задачи вполне выполнимы, они исходят из научных достижений трибологии. 6.2. Новый подход к изучению трибологии За последние 30 лет интенсивно развивается новый подход к изучению физических, химических и биологических систем на основе синергетики — дисциплины, которую можно характеризовать как направление в современном естествознании. Трибология базируется на ряде дисциплин: механике, физике, химии, металловедении и др. Специалисты по трибологии обратили внимание и на синергетику, поскольку трибосистема является открытой и в ней могут происходить кооперативные явления. К некоторым разделам триботехники могут быть применены методы синергетики: это ИП при трении и водородное изнашивание. Оба явления характеризуются рядом последовательных этапов и кооперативным действием отдельных элементов. Синергетический подход к изучению ИП и водородного изнашивания дает возможность глубже проникнуть в механизм явлений, что облегчит разработку новых эффективных методов борьбы с изнашиванием машин и оборудования. Так, из последовательных этапов проявления водородного изнашивания достаточно разорвать одно звено, как может нарушиться вся цепь процессов. В одних случаях выделившийся водород можно связать химически с другими элементами или веществами, в других – «отогнать» водород электрическим или магнитным полем, в третьих – затруднить процесс диффузии водорода в глубь металла. 208 Трение является неравновесным термодинамическим процессом, известно давно, но только в последние годы установлено, что при глубокой неравновесности и нелинейности возможна самоорганизация и образование структуры системы трения иного порядка, чем трение при граничной смазке. Таким образом, выявилась возможность работы при более совершенной системе, чем трение при граничной смазке, а одновременно и возможность существования разных (двух) систем трения – при граничной смазке и ИП. Автор работ по термодинамической теории структур и самоорганизации в неравновесных системах И.Р. Пригожий установил, что некоторые открытые системы при переходе от равновесных условий к условиям, далеким от равновесных, становятся неустойчивыми и их макроскопические свойства радикально меняются. Такими свойствами обладают многие биологические системы, причем во всех случаях существует, видимо, термодинамический порог самоорганизации, четко разграничивающий класс равновесных структур и класс структур, называемых диссипативными. Применительно к трению твердых тел, которое всегда диссипа-тивно, это означает переход за некоторую критическую зону, где при больших отклонениях от равновесного состояния физические системы ведут себя, как правило, нелинейно. Именно здесь проявляются самоорганизация и когерентное поведение подсистем, выражающееся в образовании систем снижения износа и трения (СИТ). По существу это открытие новых областей в физике и, в частности, в трении, где термодинамически возможная самоорганизация новых структур осуществляется в виде нового, более совершенного вида трения, чем трение при граничной смазке. Процесс превращения механической энергии в тепловую происходит в поверхностном слое, деформируемом при трении на относительно небольшую глубину (приблизительно 0,1…0,3 мм) в зависимости от скорости скольжения и нагрузки. В этой зоне, являющейся генератором теплоты, возникают максимальные температуры и напряжения, происходит накопление энергии в виде концентрации дислокаций и других дефектов решетки, ведущих к разрушению. Зона интенсивного воздействия силы трения на металл является ловушкой для водорода. Зона же контакта поверхностей является генератором водорода из влаги, воздуха, смазочного материала, пластмассы и других материалов и элементов среды. Существует большое число путей образования водорода при трении из указанных веществ, содержащих водород. 209 Таким образом, изнашивание обусловливается не столько механическим взаимодействием поверхностей трения, сколько водородной хрупкостью поверхностного слоя. Степень наводороживания изменяется под действием факторов среды и внутренних условий и может ускорить изнашивание на один- два порядка. Решающую роль здесь играют термодинамические факторы. Из изложенного ясно проступают черты новой концепции трения, основанной на глубокой теоретической проработке раздела физики – термодинамики образования самоорганизующихся структур при необратимых процессах. Как подтвердила практика, термодинамические процессы диссипации энергии трения оказались более фундаментальными, чем процесс разрушения поверхностей. 6.3. Программа исследований водородного изнашивания и избирательного переноса ИП при трении и водородное изнашивание металлов – это два совершенно противоположных явления. Все процессы, протекающие при водородном изнашивании, направлены на то, чтобы разрушить поверхностный слой, усилить интенсивность изнашивания, облегчить процесс диспергирования. При ИП процессы направлены на снижение контактных давлений, уменьшение разрушения поверхностного слоя, компенсацию уноса частиц износа, создание условий полной безызносности. Физические механизмы как водородного изнашивания, так и ИП сложны. Кроме того, одно явление может подавлять другое. Изучение водородного изнашивания и ИП находится еще в начальной стадии, поэтому как в теоретическом плане, так и в плане разработки и реализации в промышленности новых методов борьбы с изнашиванием машин и оборудования на основе этих явлений прослеживается комплекс исследований, результаты которого будут способствовать решению задач, поставленных перед триботехникой. Исходя из развитых представлений о водородном изнашивании, научно- исследовательских работ и потребностей производства, можно рекомендовать следующие направления: 1. Разработка приборов и методов исследования водородного изнашивания деталей машин; 2. Изучение процессов наводороживания металлов при трении с фрикционными пластмассами для оценки количественных характеристик перераспределения водорода в поверхностных слоях, изучения свойств наводороженного металла при трении, влияния режимов трения на 210 наводороживание с широким использованием новейших методов исследования; 3. Исследование наводороживания наиболее изнашиваемых деталей машин и оборудования в процессе эксплуатации и оценка вклада в снижение их износостойкости как биографического, так и образуемого при трении водорода с целью разработки требований к качеству материалов, смазочным материалам и специальным жидкостям, применяемым в узлах трения; 4. Исследование влияния электрического и магнитного полей на процессы наводороживания при трении в целях определения количественных характеристик процессов и разработки новых путей борьбы с водородным изнашиванием; 5. Изучение физико-химических процессов, происходящих в различных парах трения при водородном изнашивании, и установление характеристик реакционной способности поверхностей при различных режимах работы; 6. Изучение газовыделения при трении в вакууме различных пар трения и исследование влияния деформаций на диффузионные перемещения водорода при трении; 7. Исследования в области подавления водородного изнашивания пары трения металл – древесина с целью повышения нагрузочной способности и расширения областей использования материалов на основе древесины в узлах трения машин и оборудования; 8. Разработка научных основ и методов подавления водородного изнашивания в узлах трения, смазываемых водой, при высоких давлениях и скоростях скольжения; 9. Разработка методов подавления водородного изнашивания в парах трения сталь – титановые сплавы в целях повышения антифрикционных характеристик таких пар и расширения областей их применения в узлах трения; 10. Разработка методов оценки наводороживания материалов тормозных устройств в условиях стендовых и эксплуатационных испытаний; 11. Изучение газонасыщения титановых сплавов при различных условиях расклинивающего действия образующихся гидридов титана, микроструктуры и свойств поверхностных слоев при водородном изнашивании титановых сплавов; 12. Изучение общих закономерностей водородного изнашивания и обнаружение областей его проявления, а также создание научных основ борьбы с ним; 211 13. Разработка стандартных методов оценки наводороживания материалов при трении и методов испытаний на износостойкость при водородном изнашивании; 14. Исследование наводороживания стальных деталей при технологических операциях (механическая, термическая и химико- термическая обработка) и оценка влияния технологического водорода на долговечность трущихся деталей; разработка методов борьбы с технологическим водородом; 15. Изучение действия водорода при абразивном изнашивании в условиях коррозионно-активных сред и повышенной влажности, фреттинг-коррозии, контактной усталости, коррозионно- механического изнашивания, кавитации и эрозии; 16. Разработка методов подавления водородного изнашивания деталей авиационной техники, нефтехимического оборудования, грунтовых насосов, железнодорожного транспорта и других машин и оборудования, металлорежущего и деревообрабатывающего инструмента, инструмента по обработке меховых изделий и внедрение их на заводах промышленности. В каждой отрасли промышленности эти работы следует выполнять поэтапно. Первый этап – определение ответственных трущихся деталей и рабочих органов машин и оборудования, подверженных водородному изнашиванию, составление альбома деталей и исследование физико-химических свойств их поверхностей. Второй этап включает изучение закономерностей водородного изнашивания деталей и рабочих органов машин, а также разработку и проверку методов защиты от водородного изнашивания в стендовых и эксплуатационных условиях. Последний этап заключается во внедрении разработанных рекомендаций на предприятиях отрасли. К первоочередным задачам по изучению ИП при трении следует отнести: 1 Создание комплекса приборов и установок для изучения ИП и разработку новых смазочных материалов, обеспечивающих режим ИП; 2 Исследование работоспособности шариковых и роликовых подшипников, а также зубчатых передач в условиях ИП; 3 Разработку технологических процессов ФАБО цилиндров двигателей внутреннего сгорания, а также шеек коленчатых валов с нанесением на поверхности трения тонких слоев бронзы, латуни или меди в целях снижения времени обкатки, повышения КПД и надежности работы двигателей; 4 Создание присадок к смазочным материалам, обеспечивающих режим ИП в двигателях внутреннего сгорания, как для приработки, так и для установившейся работы; 212 5 Исследование конструктивных особенностей смазочных систем при работе на металлоплакирующих смазочных материалах, определение их эксплуатационных характеристик и оценку эффективности применения; 6 Разработку комплекса мероприятий применительно к узлам трения технологического оборудования (станки, кузнечные прессы, литейные машины, прокатные станы), обеспечивающего режим ИП, включая применение смазочных систем, новых финишных безабразивных операций обработки шеек валов и использование методов большего удержания смазочного материала поверхностями трения; 7 Исследование возможности применения ИП при штамповке, дорновании, протяжке, определение оптимального состава смазочно-охлаждающих жидкостей и их эффективности; 8 Исследование ИП в вакууме и различных газовых средах; 9 Расширение исследований по использованию ИП в экстремальных условиях: разработка температуростойких жидкостей типа перфторэфиров для работы при температурах 200…300 °С; разработка низкотемпературных смазочных материалов для работы при температуре до -60 °С; разработка смазочных материалов для давлений 400…800 МПа; 10 Исследование трения без смазочного материала в режиме ИП в парах металл – металл, металлополимер – металл; 11 Исследование и разработку композиционных полимерных систем (наполненных и ненаполненных), работающих в режиме ИП (для подвижных сочленений машин и оборудования); 12 Создание смазочных материалов (жидких и пластичных) для нефтяного и бурового оборудования, работающего в широком диапазоне температур (от -70 до +300 °С), с добавками, обеспечивающими режим ИП; 13 Разработку новых износостойких и антифрикционных порошковых материалов, работающих в режиме ИП, внедрение их на промышленных предприятиях с учетом опыта разработки и применения подобных материалов на предприятиях нефтяной и электротехнической промышленности; 14 Значительное расширение производства манжетных и других уплотнений на основе полиуретанов, работающих в режиме ИП, и применение уплотнений в ряде отраслей промышленности; разработку узлов трения без смазочного материала с сервовитной пленкой на керамической и других твердых основах, заменяющих металл; 15 Разработку рецептов смазочных материалов и присадок к ним, обеспечивающих металлоплакирование в зоне контакта трущихся деталей, 213 создание опытного производства смазочных материалов и внедрение их на промышленных предприятиях. Эту работу целесообразно проводить по этапам. На первом этапе необходимо разработать и изготовить опытные партии металлоплакирующих смазочных материалов, реализующих ИП в узлах трения машин и механизмов; при этом следует использовать опыт применения таких смазочных материалов в ряде отраслей техники. Второй этап включает опытное производство смазочных материалов, обеспечивающих режим ИП в узлах трения машин и оборудования. Третий этап – проведение стендовых и эксплуатационных испытаний машин и оборудования при работе на металлоплакирующих смазочных материалах и оценка эффективности их действия. Заключительный этап – работа по внедрению металлоплакирующих смазочных материалов на промышленных предприятиях и в организациях, эксплуатирующих технику (для ускорения работ целесообразно этапы проводить параллельно); разработка высокоэффективных групп подшипников скольжения (по типу подшипников качения) с использованием современных методов обработки покрытий и смазывания поверхностей трения. Другими важнейшими направлениями изучения триботехники являются: 1. Исследования и разработка новых способов смазывания узлов трения (например, редукторов) путем использования магнитных порошков, содержащих твердые смазочные материалы (молибденит), и определение области рационального использования метода; 2. Исследования эффекта аномального низкого трения в направлении формирования и стабилизации сильно ориентированных структур, радиационно-химического модифицирования эластомеров, керамических и других материалов в целях улучшения их антифрикционных характеристик; 3. Исследования механизма разрушения поверхностных слоев при абразивном изнашивании в условиях коррозионного воздействия внешней среды, фреттинг-коррозии, коррозионно-механического изнашивания, кавитации и эрозии, диспергирования, схватывания, циклической контактной нагрузки; разработка методов снижения указанных видов изнашивания и повреждения поверхностей трения; 4. Развитие теоретических основ газовой смазки, методов расчета конструкций газовых опор и их оптимизация с учетом нестационарности движения трущихся деталей; 5. Разработка методики ускоренных испытаний подвижных сочленений на износостойкость при абразивном изнашивании, диспергировании, кавитации и эрозии и на контактную прочность в условиях воздействия коррозионно-активных сред и поверхностно-активных веществ; 214 6. Исследования по определению областей целесообразного использования и выявлению оптимальных технологических процессов создания фрикционных и антифрикционных покрытий газопламенным, вакуумно- ионным и детонационным способами; 7. Разработка мероприятий по повышению долговечности узлов трения гибких производственных модулей, роботов, манипуляторов и др.; 8. Повышение контактной прочности в подшипниках качения, в зубчатых и кулачковых передачах; значительно (до 2 раз) снизить потери на трение, шумовые эффекты в результате применения металлоплакирующих СМ, обработки деталей ФАБО; 9. Разработка тепловых расчетов фрикционных узлов трения с учетом кинетики физико-химических процессов и того, что при тяжелых условиях трения максимальную температуру имеют слои, находящиеся на некоторой глубине от поверхности трения; 10. Создание научно-технической документации по триботехническим свойствам материалов пар трения, смазочных материалов и износостойких антифрикционных и фрикционных покрытий, разработка стандартов на основные и наиболее эффективные методы повышения износостойкости деталей машин, оборудования и приборов, а также на топливо, смазочные материалы, специальные жидкости, фрикционные и антифрикционные износостойкие материалы, приработочные покрытия. |