Триботехнология. Гаркунов Триботехнология. 1 Содержание Введение 5 Глава Фундаментальные открытия в трибологии на основе самоорганизации
 Скачать 6.32 Mb.
|
|
6.8. Защита деталей машин от водородного изнашивания Важной задачей трибологии является разработка методов борьбы с водородным изнашиванием. Несколько лет назад в России экспериментально обнаружено неизвестное ранее явление концентрации в поверхностных слоях трущихся деталей водорода, выделяющегося из материалов пары трения и из окружающей среды (смазочного материала, топлива, воды и др.). Это явление вызывает ускорение изнашивания. Водородное изнашивание характеризуется рядом процессов в узлах трения машин: 1. Интенсивным выделением водорода в результате трибодеструкции водородсодержащих материалов, ускоряемым механохимическим действием; 225 2. Диффузией водорода в деформируемый слой стали; скорость диффузии определяется градиентами температур и напряжений, что создает эффект накапливания водорода в процессе трения; 3. Особым видом разрушения, связанным с одновременным появлением большого числа «зародышей» трещин по всей зоне деформирования, и упомянутым эффектом накапливания водорода. Водородное изнашивание не имеет общих черт с водородной хрупкостью стали ни по источникам навородороживания, ни по интенсивности и характеру распределения водорода в стали, ни по характеру разрушения, поскольку он связан только с процессом трения и обусловлен им. Для водородного изнашивания характерны высокая локальная концентрация водорода в поверхностном слое стали, возникающая вследствие больших градиентов температуры и напряжений при трении, которые обусловливают явление накапливания и особый характер роста трещин, приводящий к сплошному разрушению слоя. Водородное изнашивание вносит новые представления о механизме хрупкого разрушения. Защита от водородного изнашивания имеет особое значение для следующих отраслей: 1. Авиационной техники (узлы трения топливных насосов, а также тормозные колодки и барабаны колес выходят из строя в результате водородного изнашивания); 2. Железнодорожного транспорта (повышение скоростей поездов связано с созданием более эффективных тормозов); попытка использования пластмассовых тормозных колодок желаемых результатов не дала вследствие усиленного водородного изнашивания бандажей колес; водородному изнашиванию подвергаются рельсы и колеса вагонов; 3. Автомобильного транспорта (водородное изнашивание резко снижает срок службы цилиндров и поршневых колец двигателей, тормозных накладок, тормозных барабанов и дисков сцепления, а также лопаток бензиновых насосов и других деталей агрегатов автомобилей); 4. Морского флота (водородному изнашиванию подвергаются узлытрения, смазываемые водой, например, подшипники гребных валов судов и др.); 5. Деревообрабатывающей промышленности (водородное изнашивание деревообрабатывающего инструмента и рабочих органов машин сдерживает рост производительности труда в отрасли); 6. Техники, используемой на севере страны (одной из причин быстрого изнашивания машин, работающих на севере, является охрупчивающее действие водорода, который при низких температурах не рассасывается в поверхностных слоях, а концентрируется между зоной трения и объемом 226 материала трущейся детали вследствие значительного перепада температур); 7. Химического машиностроения (узлы трения машин и оборудования химической промышленности изнашиваются главным образом в результате действия водорода); 8. Техники будущего (в новых машинах расширяется применение титана и его сплавов; при трении эти материалы, обладая низкими антифрикционными свойствами, весьма сильно поглощают водород и подвергаются водородному изнашиванию). При ведущейся в России и США широкой работе по созданию двигателей для автомобилей и самолетов на водородном топливе исследователи должны заранее принять меры защиты деталей от водородного изнашивания. Проблема водородного изнашивания имеет комплексный межотраслевой характер и поэтому требует привлечения к ее решению ученых различных специальностей (металловедов, физиков, химиков, специалистов по триботехнике) и должна решаться по единому плану. 6.9. Расширение применения финишной антифрикционной безабразивной обработки трущихся деталей Как известно, износостойкость зависит от окончательной (финишной) технологической обработки поверхностей деталей. Имеются обширные экспериментальные исследования по влиянию шероховатости поверхностей трения на интенсивность изнашивания деталей. Для широко распространенных сочленений выявлены оптимальные значения параметра шероховатости, при которых износ деталей минимален. Установлено, что от финишной обработки деталей зависит не только первоначальный (приработочный) износ, но и установившийся износ, т.е. первоначальная приработка может влиять на интенсивность изнашивания при длительной эксплуатации машин. В последние годы разработаны новые технологические процессы финишной обработки деталей, которые позволяют снизить приработочный износ деталей и повысить антифрикционные свойства сочленения (улучшить смазку деталей, снизить коэффициент трения). К таким методам можно отнести вибрационную обработку поверхностей трения и алмазное выглаживание. Например, окончательную обработку зеркала цилиндра двигателей внутреннего сгорания производят хонингованием, перед которым цилиндры шлифуют, развертывают или растачивают. Хонингование проводят в несколько этапов. Этот процесс может обеспечить требуемую шероховатость поверхности зеркала цилиндра и определенную направленность выступов неровностей (выступы направлены под определенным углом к оси зеркала цилиндра), 227 которые создают наилучшие условия удержания смазочного материала на рабочей поверхности. Однако при этом обрабатываемая поверхность в большей или меньшей степени насыщается абразивом хонов; несмотря на последующую продувку цилиндра сжатым воздухом, абразивные частицы остаются на рабочей поверхности и в труднодоступных местах (в стыках неподвижных посадок и т.п.). Эти частицы в процессе работы вымываются маслом и вызывают повышенный износ деталей. То же относится и к обработке шеек коленчатых валов. В связи с изложенным крайне необходима разработка нового технологического метода окончательной обработки деталей, при котором вообще исключалась бы абразивная обработка поверхности. К таким методам относится ФАБО. Малая производительность прежней оснастки ограничивала применение этого метода, в последние годы было проведено исследование по применению ФАБО для обработки зеркала цилиндра двигателя внутреннего сгорания. Новая высокопроизводительная оснастка и химические составы обеспечивают высокое качество антифрикционного покрытия. Существует принципиальная разница в переносе материала при ИП и ФАБО. При ИП в случае трения бронзы по стали в среде глицерина или ЦИАТИМ-201 из твердого раствора бронзы происходит выделение атомов меди. Атомы легирующих элементов, растворяясь, уходят в смазочный материал, атомы меди, соединяясь в группы, переносятся на сталь. Этот процесс происходит медленно, за многие (не за один–два) проходы. При ФАБО состав перенесенного материала не отличается от исходного. Материал переносится крупинками, которые прочно схватываются со сталью и имеют между собой определенную связь. Детали, подвергаемые ФАБО, могут быть шлифованы, развернуты, проточены или хонингованы. Шероховатость поверхности должна быть в пределах Ra = 2,5…1,25 мкм. Преимущество ФАБО перед другими финишными операциями состоит в том, что этот метод чрезвычайно прост и не требует сложного оборудования. ФАБО придает стальной или чугунной поверхности высокие антифрикционные свойства. После ФАБО цилиндр двигателя внутреннего сгорания как бы превращается на первый период работы в бронзовый, коэффициент трения между поршневым кольцом и зеркалом цилиндра уменьшается в 2 раза. Это может существенно отразиться на мощности двигателя. Опыт использования ФАБО для цилиндров двигателя показал большое преимущество этого метода по сравнению только с одним хонингованием. Износостойкость цилиндров и поршневых колец возросла в 1,4 раза. 228 Шейки коленчатых валов также целесообразно подвергать ФАБО, поскольку они и сопрягаемые с ними вкладыши лимитируют время приработки двигателей и часто подвергаются ремонтам. В этом направлении предстоят исследовательские работы. Опыт применения ФАБО колес железнодорожного транспорта свидетельствует о целесообразности его применения в более широких масштабах. 6.10. Трибология , интересы здоровья и охраны окружающей среды. Пути решения экологических проблем Этот вопрос к настоящему времени находится еще в стадии постановки, однако можно утверждать, что трибология имеет непосредственное отношение к здоровью людей и охране окружающей среды. Более 70 % загазованности больших городов нашей страны вызвано автомобильным транспортом. Это происходит в результате большой изношенности цилиндропоршневой группы двигателей автомобилей, падением их мощности и в связи с этим высоким потреблением ими топлива, смазочных материалов и малым ресурсом. Большинство наших автомобилей до настоящего времени не снабжены нейтрализаторами отработавших газов. Использование асбестосодержащих накладок в тормозах автомобилей, наличие паров топлива в кабинах транспортной техники, повышенные вибрации и шумы в машинах в результате износа подшипников, биение валов, зубчатых передач – все эти и им подобные недостатки, относящиеся к низкому уровню решения вопросов трибологии, оказывают существенное влияние на здоровье обслуживающего персонала и население города. Причинами крупных аварий и катастроф были утечки через уплотнения взрывоопасных продуктов, задиры и повышенный износ ответственных трущихся деталей, разрушение контактных поверхностей подшипников, рельсов, бандажей колес, поломки зубьев шестерен, заклинивание плунжерных пар и т.п. Развитие диагностических средств узлов трения машин и механизмов исключит возможность работы на неисправных машинах, а также снизит травматизм и другие последствия. Многие стороны рассматриваемого вопроса будут решаться не только в рамках отдельных стран, но и в международном масштабе. Так, в морских портах установлен строгий контроль судов, загрязняющими морские воды смазочным маслом; судно в этом случае подвергается штрафу. Как известно, такого рода загрязнения вызваны нарушениями уплотнений в двигателе, течью масла в забортных механизмах в результате износа или повреждений уплотнений. 229 Принимаются меры по более строгому контролю автомобилей, загрязняющими воздушную среду отработавшими газами. Двигатели автомобилей с изношенными цилиндрами и поршневыми кольцами, как уже упоминалось, не только потребляют больше топлива, но и значительно увеличивают загазованность городов и поселков. Недостаточная износостойкость уплотнительных устройств, перегрев подшипников, износ валов часто вызывают течи масла, топлива, рабочей жидкости гидравлических систем. Все это приводит к непроизводительному потреблению энергии, порче асфальтовых покрытий и уничтожению растительности. Непредусмотренный ремонт машин в пути, проведение технического обслуживания машин в полевых условиях приводит к загрязнению окружающей среды отходами масла, промасленной ветошью, к потерям топлива и т.п. В публикациях последних лет по трибологии отмечается необходимость более широкого использования новых разработок, основанных на базе эффекта безызносности при трении и водородном изнашивании металлов: новых металлоплакирующих смазочных материалов, ФАБО и безразборного восстановления двигателей внутреннего сгорания. Применение таких технологий позволяет следующее: – снизить загазованность атмосферы при работе автомобилей в 2–5 раз; – сократить расход смазочных материалов в 2–5 раз и топлива до 3…7 %; повысить ресурс автомобильного двигателя в 1,5–2 раза; – повысить надежность узлов трения и, тем самым, уменьшить аварии машин; – во многих случаях заменить капитальные ремонты машин на ремонты без разборки. Снижение выброса в окружающую среду отработанных картерных масел . Необходимо обратить особое внимание на попадание в окружающую среду отработанных картерных масел двигателей внутреннего сгорания и методов их утилизации. Проблема высокой концентрации многочисленных канцерогенных веществ (включая бензопирены) в отработанных картерных маслах может стать более серьезной, чем проблема выхлопных газов автомобилей. Приведем некоторые цифры по экономике и расходу масел. В индустриально развитых странах приблизительно 4,5 % валового национального продукта расходуется на трение, износ и коррозию подвижных сочленений технических изделий. Это приводит к потерям сырьевых материалов и энергии общей стоимостью несколько сотен биллионов долларов ежегодно во всем мире. Смазка составляет только 1 % от общего расхода 230 продуктов из минеральных масел. Но из-за неполного использования применение смазки создает потенциальную проблему для окружающей среды. Использование масла колеблется от 20 % для турбин и трансмиссий до 100 % для масел, применяемых в двигателях, работающих на горючей смеси (смесь топлив с маслом). В странах Европейского союза общая продажа смазки составляет около 4,5 млн. т в год, из них полностью используется только половина. Это немногим больше 2 млн. т, которые расходуются следующим образом: 750 000 т – как топливо, почти 700 000 т – перерабатывается, 600 000 т – неконтролируемо исчезает в окружающую среду. Эти последние 600 000 т и представляют все возрастающую опасность. Такие цифры для России не поддаются учету, однако рассматриваемая проблема в силу ряда причин для России, еще более значительна. В настоящее время существуют полностью разлагаемые масла для топливной смеси и стандартизован метод Европейского координационного совета по разработке методов испытаний (CEC-L-33T-82) для оценки и сравнения степени разложения их под действием бактерий, а также параметры, которые можно измерять и контролировать. Наибольшую опасность для окружающей среды представляют моющие присадки к маслам, что вызывает увеличение количества загрязняющих примесей и накопление их в масле при картерной смазке. Среди этих загрязнений – полициклические ароматические углеводороды (ПАУ) с сильно выраженными канцерогенными свойствами. При картерной смазке в используемом масле обнаружено около 140 различных ПАУ. Они присутствуют и в свежем масле, но в гораздо меньших количествах, ПАУ образуются в основном из топлива и в процессе сгорания. При низкой концентрации ПАУ в топливе их концентрация в масле также очень мала. Концентрация бензопирена в смазочном масле при картерной смазке двигателей с принудительным зажиганием для пассажирских автомобилей возрастает со скоростью примерно в 10 раз большей, чем дизельных двигателей. Для грузовых автомобилей и автобусов никакого увеличения концентрации ПАУ в смазочном масле не обнаружено. Попадание масла в окружающую среду при картерной смазке происходит непосредственно с выхлопом, с твердыми частицами в выхлопных газах, путем утечки и при смене масла. По мере износа поршневых колец и цилиндров все большее количество масла попадает в окружающую среду с выхлопом. Результаты исследований показывают, что концентрация канцерогенных ПАУ в масле двигателей внутреннего сгорания составляет: картерная смазка, 231 двигатель с искровым зажиганием 270…400 мг/км; картерная смазка, дизельный двигатель 20…30 мг/км; двигатель с искровым зажиганием, работающий на топливной смеси 0,2…0,4 мг/км. При смене масла высококвалифицированным механиком в хорошо оборудованном гараже только очень небольшое количество масла попадает в окружающую среду. Однако 10…15 % от всех замен масла проводятся любителями, которые, игнорируя предупреждения, помещают масло в бытовые отходы, сливают в сточные воды или просто выливают. Отходы отработанного масла имеют тенденцию накапливаться, что видно в местах стоянок, гаражах и на центральных участках высокоскоростных дорог, особенно когда на дороге есть уклон. При выпадении осадков ПАУ, содержащиеся в масле, достигают сточных труб, попадают в реки, озера, оседают в донных отложениях. Очень часто отработанное масло у автолюбителей просто не принимается, что вынуждает последних избавляться от него любыми путями. Очень опасно использовать отработанное картерное масло для цепных пил. Мутагенность топливной смеси, состоящей из 1 л картерного масла и 2…3 л топлива, на 4 порядка выше, чем выхлопной эмиссии двигателей цепных пил. Применение топливной смеси должно быть рассмотрено при конструировании новых двигателей внутреннего сгорания, а также тех двигателей, которые традиционно до сих пор оборудованы картерной смазкой. Этот вопрос должен встать перед правительствами промышленных стран, заботящихся об экологии. Большое внимание необходимо уделять канцерогенным веществам при износе деталей тормозов. Асбест в течение многих лет являлся одним из главных компонентов фрикционных материалов. Он обладает рядом уникальных свойств: большая механическая прочность, высокий коэффициент трения, низкая тепло- и электропроводность, химическая стойкость, доступность в цене. В последние годы сначала в США, а затем в Западной Европе резко усилилась кампания, направленная на повсеместный запрет асбеста и замену его искусственными минеральными волокнами. В России ведутся работы по поиску заменителей асбеста в составе тормозных изделий. Для наиболее нагруженных тормозов самолетов применяются углеродные материалы. Проводятся исследования по определению допустимого содержания асбеста в тормозных деталях. Помимо асбеста для улучшения трибологических показателей фрикционных тормозов в композициях для изготовления тормозных накладок применяется ряд добавок – сульфиды, например дисульфид молибдена, дисульфид титана, сульфид свинца, сульфид сурьмы и сульфид олова. 232 Разложение этих сульфидов металлов преимущественно происходит при температурах ниже 500 ºС. Однако обнаружено, что при тяжелых условиях торможения температура поверхности тормозных дисков превышает 800 °С. Некоторые сульфиды металлов при этом разрушаются с образованием оксидов металлов. Например, дисульфид титана при разложении образует на рабочих поверхностях тормоза слой из двуокиси титана. Этот слой обладает очень высокой износостойкостью и предохраняет металлический основной материал от сильного износа (возможно от проникновения диффузионно-способного водорода). Таким же образом действует и дисульфид сурьмы. При разложении дисульфида олова получается металлическое олово и вместе с другими металлами с низкой точкой плавления, например с цинком и медью, образует на поверхности тормозных дисков припаянное покрытие из сплавов. Благодаря такому сплаву значительно улучшается распределение тепла по поверхности, повышается износостойкость тормозных дисков и снижается образование трещин на поверхности дисков. Однако трисульфид сурьмы и оксид свинца признаны токсичными веществами, и поэтому возникла необходимость исключить эти сульфиды металлов из современных композиций для изготовления тормозных накладок. В качестве твердых смазок для тормозных накладок чаще всего применяют графит. Трибологические свойства графита подвержены влиянию влажности, что ограничивает его применение. Коэффициент трения и износостойкость при различных скоростях и давлениях различны, поскольку влажность понижается при увеличении температуры поверхности, у дисульфида молибдена этого не наблюдается. Поверхность молибдена обладает определенной полярностью, что придает этой твердой смазке ценные свойства. Р. Робски разработана технология, по которой чешуйки графита покрываются неорганическим веществом, придающим графиту полярность. Поскольку поляризованный графит образован из графита и неорганического поляризующего агента, например молибдатов, фосфатов и сульфатов, эту новую добавку можно считать экологически чистой добавкой для композиций тормозных накладок. Образования токсичных продуктов при разложении композиций не обнаружено. Поляризованный графит в качестве добавки к композициям для тормозных накладок применяется в смесях для накладок легковых, грузовых автомобилей и железнодорожных колодок. К сказанному следует добавить, что теоретическое обоснование к положительному действию поляризации на контакте следует искать еще в целенаправленном движении образующегося водорода. Такая идея была |