Триботехнология. Гаркунов Триботехнология. 1 Содержание Введение 5 Глава Фундаментальные открытия в трибологии на основе самоорганизации
 Скачать 6.32 Mb.
|
|
6.4. Исследование электрических, магнитных и вибрационных явлений при изнашивании В литературе по триботехнике неоднократно рассматривалось влияние электрических, магнитных и вибрационных процессов на изнашивание при трении. Одновременно публиковались результаты исследований, которые свидетельствовали, что роль электрических явлений, например, при изнашивании режущего инструмента, очень мала, и они практически не могут быть использованы для повышения износостойкости режущего инструмента. Этим явлениям противопоставляются такие факторы, влияющие на износ, как пластические деформации, окисление поверхности, тепловые явления, которые якобы сводят на нет роль электричества. Однако последние исследования процесса водородного изнашивания, выполненные В.М. Юдиным, В.И. Колесниковым, Г.И. Сурановым, Э.А. Станчуком и другим, показали, что здесь кроются большие резервы в повышении сроков службы деталей машин и режущего инструмента. Исследование электрических и магнитных явлений при трении — это один из наиболее достоверных и эффективных путей изучения самой природы трения. 215 Разрушительной силой в данном случае является именно водород, а не электрическое или магнитное поле. Это связано с тем, что водород имеет электрический заряд, который взаимодействует с указанными полями. Как отмечалось ранее, вибрации с высокими частотами также воздействуют на скорость изнашивания не сами по себе, а посредством электрических явлений, которые, в свою очередь, влияют на движение водорода и способствуют его образованию. Тепловые факторы, как и напряжения, влияя самостоятельно на трение и износ, являются процессами образования водорода и способствуют продвижению его в зону контакта. Исследование электрических и магнитных явлений при трении – это один из наиболее достоверных и эффективных путей изучения самой природы трения. Напомним, что именно трение позволило человеку открыть огонь и теплоту, электрон и электричество, создать первые электрические машины, получить один из самых сильных методов ускорения химических реакций и многое другое. Трение обусловлено не только внешним воздействием, но и внутренними силами природы, главным образом электрическими и магнитными. 6.5. Совершенствование смазывания деталей Смазка резко снижает интенсивность изнашивания. Достаточно ввести в зону контакта деталей небольшое количество смазочного материала (толщина смазочного слоя 0,1 мкм), как сила трения может снизиться в 10 раз, а износ поверхностей трения до 1000 раз. Современные машины и оборудование содержат большое число узлов трения (от десятков до тысяч), которые испытывают высокие давления, температуры и скорости скольжения. В России и за рубежом разработаны специальные смазочные системы, которые автоматически, через строго определенный промежуток времени, подают в зону трения заданное количество смазочного материала. В настоящее время уровень технического совершенства машин во многом определяется степенью организации смазывания узлов трения. Эффективность смазочной системы зависит от ее конструктивного совершенства и качества смазочного материала. Пока нет четких рекомендаций по дозировке и длительности подачи смазочных материалов в конкретные узлы трения машины. При переводе трущихся деталей машин в режим ИП необходимо создавать принципиально новые смазочные системы, которые бы обеспечили автоматическое регулирование параметров работы системы в зависимости от режима работы машины, т.е. необходимо разрабатывать 216 адаптированные смазочные системы, предупреждающие износ трущихся деталей машин и снижающие потери на трение. Более всего нуждается в смазочных системах станкостроительная, автомобильная и тяжелая промышленность. Увеличение выпуска смазочных систем должно сопровождаться повышением их эффективности, что требует проведения научно- исследовательских разработок по конструктивному и технологическому совершенствованию производства основных узлов систем, создания поточных линий, улучшения планирования и использования экономических стимулов повышения производительности труда. При этом большое внимание следует уделять использованию современных достижений трибологии. Смазочные системы должны обеспечивать режим ИП в узлах трения в такой степени, чтобы последние за весь период работы машины не выходили из полей допусков размера деталей узлов и потребляли минимум энергии на преодоление трения. Смазочные системы должны использоваться в ряде машин. Среди них металлорежущие станки и кузнечно-прессовые машины, крупные приводные компрессоры, текстильные машины и станки, башенные краны и лифты, экскаваторы, бульдозеры, автогрейдеры, тракторы, магистральные локомотивы, грузовые автомобили и автобусы, комбайны и другие сельскохозяйственные машины. По экспертной оценке специалистов (разработчиков машин и смазочного оборудования, эксплуатационников), оснащению смазочными системами и многоотводными насосами, обеспечивающими точность и своевременность подачи смазочных материалов, подлежит до 85 % перечисленных выше машин и оборудования (около 2,5 млн. единиц). Помимо рассмотренных ранее конструктивных, технологических и эксплуатационных факторов долговечности машин считаем необходимым остановиться только на одном, наиболее важном вопросе, связанном со смазыванием деталей и развитием автоматизированных смазочных систем. Дело в том, что проблема смазывания является комплексной и включает вопросы смазочных и конструкционных материалов, а также смазочной техники. Анализ тенденций развития трибологии и машиностроения позволяет сделать прогноз дальнейшего совершенствования смазывания: 1. Уменьшение номенклатуры минеральных смазочных материалов с почти полной заменой их высоколегированными синтетическими, разработка смазочных материалов, наносимых на поверхности трения один раз за весь ресурс узла трения; 217 2. Уменьшение номенклатуры конструкционных материалов, значительное снижение доли цветных металлов и повышение доли композииционных материалов с регулируемым рельефом, в том числе с нанесением на поверхности твердых покрытий или пропитыванием их смазочным материалом в количестве, достаточном для полного ресурса узла трения; 3. Автоматизация смазывания с обеспечением требуемой надежности и рационального расходования смазочного материала путем широкого применения индивидуальных для каждого узла трения адаптивных смазочных устройств, обеспечивающих рациональный режим смазывания, соответствующий режиму работы узла, в сочетании с надежным централизованным контролем состояния всех узлов; 4. Разработка и создание адаптивных смазочных устройств, которые будут представлять собой смазочный питатель, управляемый чувствительным элементом, реагирующим на изменение основных трибологических параметров пары трения (коэффициента трения и скорости или интенсивности изнашивания); 5. Разработка и применение централизованных комбинированных смазочных систем, управляемых микропроцессорами, автоматически изменяющими режим смазывания либо по заранее предусмотренной программе, либо в зависимости от состояния узлов трения, контролируемого соответствующими датчиками. Проблему смазывания нельзя отделить от изучения взаимодействия смазочного материала с металлом и влияния на это взаимодействие структурных факторов металла и легирующих элементов смазочного материала. Исследование такого взаимодействия с определением сил трения и износостойкости пар трения позволит оптимизировать структуру и химический состав металла, состав компонентов смазочного материала. Это научное направление, успешно развиваемое в последние годы и потребовавшее разработки новых физических методов исследования тонких поверхностных слоев металла (десятые доли микрометра), должно получить дальнейшее развитие в организациях, занимающихся созданием смазочных материалов и разрабатывающих износостойкие и антифрикционные сплавы. Результаты исследования будут положены в основу теории безызносности трущихся деталей. Первые работы в этом направлении показали, что многие антифрикционные сплавы, применяемые в гидравлических системах, по составу компонентов не обеспечивают необходимого ресурса работы узлов трения насосов. Наряду с научно-исследовательскими работами по изучению взаимодействия смазочных материалов с металлом предстоит разработка новых 218 конструкций смазочных систем, дальнейшее (в несколько paз) расширение их производства и определение областей целесообразного использования, включая машины массового применения: автомобили, тракторы, комбайны, строительно-дорожные машины и др. 6.6. Экономика и трибология Конечные результаты исследований и разработок по трибологии должны обеспечивать снижение затрат труда на техническое обслуживание и текущий ремонт машин, снижение стоимости капитальных ремонтов, уменьшение расхода запасных частей, экономию горючего, смазочных материалов, снижение металлоемкости конструкций узлов трения и повышение производительности машины. В целом трибология должна способствовать решению узловых проблем экономики, относящихся к сырьевым, энергетическим и трудовым ресурсам страны. Эти важные задачи потребуют в ряде случаев пересмотра планов научно- исследовательских работ, решения теоретических вопросов трения, изнашивания и смазывания машин. Разработка научных программ по проблемам износостойкости диктуется экономической значимостью этой проблемы для народного хозяйства. Следует еще раз подчеркнуть, что износ является главной причиной снятия машин и оборудования с эксплуатации для проиведения ремонта, и потери от этого могут быть сокращены рациональным применением способов, основанных на трибологии. Управление процессом изнашивания является центральным звеном таких проблем, как экономия энергии, сокращение расхода материалов, а также надежность и безопасность механических систем. Остановимся на указанных проблемах более подробно. Проблема износостойкости в использовании ресурсов. Вопросы изнашивания оборудования тесно связаны с сохранением или экономией естественных ресурсов, жизненно важных для поддержания современного и будущего экономического роста. Потери материалов возникают, например на стадиях добычи, извлечения и очистки руды, на стадиях изготовления и ремонта изделий, а также когда изделия выбрасывают из-за морального износа или непригодности. Теряются денежные средства, энергия и труд. Значительная экономия может быть достигнута сокращением потерь на тех стадиях, где они особенно велики. Повышение скоростных характеристик позволяет снизить габариты машины, но повышение скорости приводит к повышению температур, что снижает износостойкость деталей. Ввидубольшогопотребления топлива легковыми и грузовыми автомобилями повышение КПД автомобильного транспорта особенно важно. 219 Повышение КПД двигателей на 4–5 % возможно путем снижения коэффициента трения между поршневыми кольцами и цилиндрами. Разработаны технологические процессы, которые позволяют снизить коэффициент трения в 2 раза. Это хромирование цилиндров двигателей с накаткой и применение ФАБО. Оба метода широко освещены в технической литературе. Нельзя не упомянуть вопрос об уплотнениях. В основном уплотнения служат для изоляции узлов трения от окружающей среды. Во многих случаях их качество неудовлетворительно. Изоляция от пыли и воды еще представляет большую проблему при конструировании узлов трения многих машин и оборудования. Проблема износостойкости и трудовых ресурсов. В связи с увеличением количества действующих машин и оборудования за последние годы во всех развитых странах возникла проблема специалистов для обслуживания и ремонта. Рост потока машин всюду опережает увеличение числа опытных механиков. Для подготовки механиков высокой квалификации необходимо несколько лет обучения и накопления опыта. С каждым годом растет объем перевозок грузов автомобилями. По перевозке грузов (в тоннах) в нашей стране на автомобильный парк приходится около 70 %, а на железнодорожный транспорт 30 %. Однако стоимость перевозок автотранспортом дороже, чем по железной дороге. Очень велики затраты на обслуживание автомобилей и их ремонт. Здесь вопросы трибологии являются главными в снижении этих видов затрат. Анализ причин выхода из строя деталей, регулировка узлов трения, проведение смазочных работ, контроль технического состояния узлов трения — все это требует привлечения к работе опытных и высококвалифицированных специалистов. Здесь вопросы трибологии являются главным фактором в сокращении потребности в людских ресурсах. Смазочные и регулировочные работы занимают более 50 % времени в техническом обслуживании автомобилей, 60 % – текстильного оборудования и до 40 % — самолетов. Применение металлоплакирующих смазочных материалов позволяет в 3 раза сократить такие затраты. Это один из примеров влияния трибологии на снижение затрат при техническом обслуживании машин и оборудования. 6.7. Создание безызносных узлов трения машин До последнего времени генеральным направлением по борьбе с изнашиванием в машиностроении было повышение твердости трущихся поверхностей деталей. В промышленности разработано большое количество методов повышения твердости: цементирование, азотирование, хромирование, цианирование, поверхностная закалка, наплавка твердыми материалами и др. 220 Многолетний опыт свидетельствует, что это направление позволило повысить надежность трущихся деталей машин. Например, электролитическое хромирование цилиндров двигателей внутреннего сгорания не только повышает износостойкость пары цилиндр – поршневое кольцо, но и в большей степени снижает потери на трение в цилиндропоршневой группе двигателей. Без азотирования или цементирования зубчатых передач в настоящее время нельзя обеспечить надежную работу тяжело нагруженных редукторов. Разработанные методы повышения твердости трущихся деталей явились мощным орудием в деле увеличения износостойкости деталей, а следовательно, и увеличения срока службы машин. Однако постоянное стремление к уменьшению массы машин и повышению интенсификации рабочих процессов привело к увеличению давлений в узлах машин и скоростей скольжения и ухудшило условия смазывания. Кроме того, требования к повышению КПД механизмов, а также применение специальных смазочных материалов и жидкостей привело к тому, что традиционные методы увеличения износостойкости деталей повышением их твердости во многих случаях перестали себя оправдывать. Площадь фактического контакта поверхностей деталей при высокой твердости материала в силу ряда причин (наличие возможного перекоса, большой шероховатости и волнистости поверхности) составляет очень малую долю номинальной поверхности трения. В результате на участках фактического контакта создаются громадные давления, что приводит к интенсивному изнашиванию поверхностей трения. В этом случае несмотря на малое значение адгезионной составляющей силы трения, пропорциональной площади фактического контакта, превалирующим оказывается механическое повреждение деталей. В процессе поиска средств увеличения износостойкости деталей машин в нашей стране открыт ИП при трении. ИП – это комплекс физико-химических явлений на контакте поверхностей при трении, который позволяет преодолеть ограниченность ресурса трущихся сочленений машин и снизить потери на трение. В ИП используются фундаментальные физико-химические процессы в отличие от трения при граничной смазке, где основой является механическое взаимодействие, а, например, такое мощное средство снижения износа и трения, как эффект Ребиндера, почти не используется. ИП, его системы снижения износа и трения (системы СИТ), разработанные А.А. Поляковым, не вытекают из ранее имевшихся представлений о трении и изнашивании. Сложность ИП обусловливается как совокупностью различных химических и физико- химических процессов, так и системой взаимодействия этих процессов, носящих кибернетический характер. В связи с этим уместно сослаться на общую теорию систем, где указывается, 221 что традиционное разделение науки на классические дисциплины не удовлетворяет потребности современного научного познания, а сложные системы любого вида не поддаются адекватному описанию в рамках одной научной дисциплины. Процессы, составляющие сущность ИП, находятся, как правило, на стыках разделов химии, физической химии, физики, синергетики и механики. Сложность ИП состоит также в том, что ряд его химических и физических процессов не встречался в практике исследований трения. К ним следует отнести процессы, происходящие при трении в сервовитной пленке, когда накопление дислокаций при ее деформировании поддерживается на некотором низком уровне, тем самым обеспечивая безызносность контактирующих поверхностей. К таким явлениям следует также отнести обратную связь между нагрузкой и силой трения, когда в определенном диапазоне нагрузок и скоростей скольжения их увеличение вызывает уменьшение силы трения. Большинство химических реакций ИП являются гетерогенными, поэтому их изучение затруднено. Сервовитная пленка – защитная металлическая пленка, возникающая в начальной стадии трения в результате избирательного растворения анодных компонентов поверхностного слоя материала. Электрические явления сопровождают все виды внешнего трения, так как процесс образования адгезионной связи между соприкасающимися поверхностями разнородных твердых тел приводит к образованию в контакте двойного электрического слоя. В ИП электрические явления играют определенную роль. В начальной стадии ИП имеет место избирательное (электрохимическое) растворение в результате работы микроэлементов медного сплава, ускоренного механодинамическим действием трения. В результате на поверхности образуется слой меди – сервовитная пленка, которая пассивирует поверхность медного сплава. Начинает одновременно работать элемент медь – медь. На поверхностях трения возникают два одноименно заряженных слоя. Это обстоятельство имеет кардинальное следствие – возникает отталкивание этих слоев, снижающее адгезионное взаимодействие. Вступает в работу третий элемент, его действие заключается во втягивании в зазор положительно заряженных частиц. Напряженность поля и возникающая ЭДС могут достигнуть десятков миллионов вольт на 1 см, и в зазор будут втягиваться не только доли, но и частицы коллоидных размеров, т.е. появится электрофорез. ИП имеет в своей основе описанные выше и другие полезные физико- химические явления и группы явлений (систем). Они подавляют изнашивание, снижают сопротивление сдвигу и обладают свойством самоорганизации, а иногда и способностью к обратной связи с возбуждающей причиной. Их основная ценность состоит в том, что они работают дифференцированно против 222 факторов, ведущих к разрушению поверхности. Почти каждая из систем имеет глубокое содержание, например, система защиты от водородного изнашивания представляет собой целое трибологическое направление, а диффузионно- вакансионный механизм снижения сопротивления сдвигу представляет собой новую физическую проблему трения, обусловливающую безызносность. Традиционной системой снижения износа и трения является самопроизвольное образование слоя смазочного материала при трении с граничной смазкой в результате адсорбции молекул смазочного материала на поверхности. Имеются и другие данные использования физико-химических явлений для защиты от изнашивания и для снижения трения. Однако в ИП имеется максимальное число систем СИТ, и эффект здесь наиболее полный и существенный. Явление ИП обусловлено термодинамическими системами трения. Свойства этих систем раскрыты И.Р. Пригожиным, который установил возможность высокой самоорганизации физических и химических систем при определенных термодинамических условиях. Трение является термодинамически неравновесным процессом, который может существовать как в области, близкой к равновесию, так и вдали от нее, образуя различные структурные классы, переход к которым осуществляется скачкообразно. В связи с этим возможно существование систем трения, не накапливающих энергии в виде скоплений дефектов в поверхностных слоях, а полностью передающих энергию во внешнюю среду. Примером такой системы является ИП. Весьма полезным является свойство ИП работать в средах, где трение при граничной смазке не может эффективно выполнять свои функции. ИП проявляет способность перестройки защитных систем, которые варьируются в зависимости от свойств среды, являющейся исходным материалом для образования системы снижения износа и трения. Для осуществления ИП в парах трения сталь – сталь, чугун – сталь и других, не содержащих пленкообразующего материала, используют металлоплакирующие смазочные материалы. Они содержат порошок пленкообразующего материала или окись металла, восстанавливаемого при трении, или металлорганическое соединение, выделяющее металл при разложении в зоне трения. При этом поверхностно-активные вещества должны содержаться в базовом смазочном материале или образовываться при распаде металлорганического соединения. Металлоплакирующие пластичные смазочные материалы (например, на основе ЦИАТИМ-201), содержащие порошок бронзы или латуни, применяют в тяжелонагруженных узлах трения типа винт – гайка, где обычные смазочные материалы малоэффективны. Весьма перспективными являются жидкие металлоплакирующие смазочные материалы с добавками металлорганических 223 или комплексных соединений, работающие как в режиме ИП, так и в режиме граничной смазки. В тех случаях, когда смазочным материалом является среда, не содержащая поверхностно-активных веществ (например, вода, водные растворы серной кислоты, солей), металлоплакирующая смазка переходит в ионную. Ионная смазка основана на свойстве ионов металла, находящихся в растворе, втягиваться в зазор между поверхностями трения и разряжаться в зоне контакта, образуя разделительную пленку. Износостойкость контактирующих в соляных и других агрессивных растворах поверхностей существенно возрастает, если в контакт ввести продукты деструкции пластмассы с помощью подпружиненных вставок или других конструктивных мероприятий. Такие вставки существенно увеличивают срок службы поверхностей трения в морской воде. Продукты деструкции твердой пластмассы ведут себя в контакте аналогично продуктам деструкции жидких углеводородов, т.е. вызывают окислительно- восстановительный процесс и образуют поверхностно-активные вещества, что существенно снижает интенсивность изнашивания. Исследование механизма ИП, его закономерностей и областей рационального применения привело к некоторому изменению установившихся ранее взглядов на ряд вопросов трибологии: структуру и свойства тонких поверхностных слоев трущихся деталей машин, механизм изнашивания и смазочного действия, пути создания смазочных материалов и присадок к ним, оптимальную структуру и свойства износостойких и антифрикционных материалов приработочных покрытии и др. На основании рассмотренного можно считать, что ИП – особый вид трения, который обусловлен самопроизвольным образованием в зоне контакта неокисляющейся тонкой металлической пленки с низким сопротивлением сдвигу и неспособной наклепываться. На пленке образуется, в свою очередь, полимерная пленка, которая создает дополнительный антифрикционный слой. ИП применен или опробован в различных машинах: самолетах (узлы трения шасси, планера), автомобилях (передняя подвеска), станках (направляющие, пара винт – гайка), паровых машинах (цилиндр – поршневое кольцо), дизелях тепловозов (цилиндр – поршневое кольцо), прессовом оборудовании (подшипники скольжения), редукторах (пара червяк – колесо), оборудовании химической промышленности (подшипники, уплотнения), механизмах морских судов (подшипники), магистральных нефтепроводах (уплотнения), электробурах (уплотнения), холодильниках (трущиеся детали компрессора), гидронасосах (узлы трения), нефтепромысловом оборудовании (узлы трения). 224 ИП применяется также в приборах (электрические контакты) и может быть использован для повышения стойкости режущего инструмента при сверлении, фрезеровании, протягивании, дорновании и резьбонарезании. Факторы, обусловливающие безызносность, следующие: – контактирование поверхностей происходит через мягкий слой металла, основной металл испытывает пониженное (примерно в 10 раз) давление; – металлическая пленка при деформации в процессе трения не наклёпывается и может многократно деформироваться без разрушения; – трение происходит без окисления поверхностей, эффект Ребиндера реализуется в большей степени; – продукты износа переходят с одной трущейся поверхности на другую и обратно, в зоне трения продукты износа удерживаются электрическими силами. ИП позволяет: при изготовлении машин экономить металл (15…20 %) за счет большей грузоподъемности (в 1,5…2 раза) пар трения; увеличить срок работы машин (в 2 раза); сократить период приработки двигателей (в 3 раза) и редукторов (до 10 раз); сократить расход электроэнергии; в подшипниках скольжения и качения уменьшить расход смазочных материалов (до 2 раз); повысить КПД глобоидных редукторов с 0,7 до 0,85; винтовой пары с 0,25 до 0,5; увеличить экономию драгоценных металлов (золота, платины, серебра) в приборах в 2–3 раза за счет большей надежности электрических контактов. Дальнейшее развитие работ по созданию практически не изнашиваемых узлов трения машин, оборудования и приборов с использованием ИП – одна из важнейших проблем современной трибологии на основе самоорганизации. |