Міністерство освіти і науки України

Національний авіаційний університет

Гайдучок Валентина Марківна

УДК 631.3:004.624:621.891

Структурно-енергетичні основи експлуатаційного зміцнення поверхонь тертя ковзання деталей машин

Спеціальність 05.02.04 – Тертя та зношування в машинах

Автореферат

дисертації на здобуття наукового

ступеня доктора технічних наук

Київ – 2004

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана на кафедрах ремонту і надійності машин, механізації тваринництва та експлуатації машинно-тракторного парку Львівського державного аграрного університету.

Науковий консультант: доктор технічних наук, професор, зав. кафедрою паливо-заправних систем та комплексів НАУ Кравець І.А.

Офіційні опоненти:

Лауреат Державної премії України

у галузі науки і техніки,

доктор технічних наук, професор

Тихонович Вадим Іванович,

Фізико-технологічний інститут

металів та сплавів Національної

академії наук України,

старший науковий співробітник

доктор технічних наук, професор

Панасюк Алла Денисівна,

Інститут проблем матеріалознавства

ім. І.М. Францевича НАН України,

провідний науковий співробітник

доктор технічних наук, професор,

член-кореспондент УААН

Молодик Микола Володимирович

УААН, Національний науковий центр

“Інститут механізації та електрифікації

сільського господарства”, заступник

директора з наукової роботи

Провідна установа: Хмельницький державний університет Міністерства освіти і науки України

Захист відбудеться: “16” вересня 2004 р. о 15 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д26.062.04 в Національному авіаційному університеті Міністерства освіти і науки України за адресою: 03058, м. Київ, просп. Космонавта Комарова,1.

З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці Національного авіаційного університету Міністерства освіти і науки України за адресою: 03058, м. Київ, просп. Космонавта Комарова,1.

Автореферат розісланий 21.07. 2004 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради Матвєєва О.Л.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Експлуатаційна надійність трибосистем (ТРС) ковзання деталей машин обумовлюється в основному зносостійкістю трибоелементів (ТЕ).

Технологічні методи зміцнювання, що застосовуються, необхідні, але недостатні; вони обмежені рівнем розвитку галузей техніки і технологій, які їх реалізують. Ресурс відновлених ними деталей в багатьох випадках не відповідає сучасним технічним вимогам і залишається низьким, внаслідок чого зміцнення деталей тертя, повернення їм необхідних експлуатаційних властивостей залишається важливою проблемою сучасного виробництва. У той же час, недостатньо розвиваються способи експлуатаційного зміцнення поверхонь ТЕ не зважаючи на те, що вони дозволяють модифікувати найтонші поверхневі шари (ПШ) і тим самим забезпечити вимоги щодо зносостійкості, втомної міцності, антикорозійних та інших властивостей деталей.

В роботах школи проф. Б.І. Костецького виявлено діапазони мінімального зношування для більшості матеріалів та середовищ, однак на сьогодні недостатньо висвітлені структурні та енергетичні аспекти експлуатаційного зміцнення (ЕЗ) поверхневих шарів, не повністю розкриті та описані можливості, різновиди та механізми процесу, синергетична дія одночасного деформування та дифузії, адсорбції, хімічних реакцій в ПШ ТЕ, кооперований вплив присадок до мастил та кисню повітря з урахуванням умов експлуатації. На ряду з ретельним вивченням активування (першої необхідної умови для модифікування ПШ ТЕ) недостатньо вивчені механізми не менш важливого процесу - пасивування (другої необхідної та достатньої умови модифікування ПШ ТЕ), оскільки структури самоорганізації є якраз результатом взаємодії активованого тертям металу з мастильним середовищем та компонентами середовища, бо лише в процесі тертя і лише на поверхнях ТЕ відбуваються аномальні локальні реакції взаємодії металу з середовищем, термодинамічно неможливі для загального термодинамічного стану ТРС.

Таким чином, вирішення загальної проблеми підвищення ефективності сільськогосподарської техніки потребує подолання існуючого протиріччя між потребою в об’єктивному та обґрунтованому виборі найбільш раціональної та високоякісної технології відновлення, з одного боку, та відсутністю теоретичних основ і методів вибору з іншого. Це протиріччя являє собою суть проблемної ситуації, відображенням якої є актуальна наукова проблема розробки структурно-енергетичних основ експлуатаційного зміцнення поверхонь тертя ковзання деталей машин як суб’єктивної форми необхідності отримання нових знань в інтересах удосконалення експлуатаційної ефективності сільськогосподарської техніки.

Отже, необхідність теоретичного та експериментального дослідження структурно-енергетичних основ ЕЗ поверхонь тертя машин сільськогосподарського виробництва є актуальною, оскільки диктується завданнями теорії та вимогами практики.

Зв’язок роботи з науковим програмами, планами, темами. Дисертація є частиною державних науково-дослідних робіт, виконаних у Львівському ДСГІ на такі теми:

1. Исследование и выбор оптимальных способов восстановления изношенных деталей колесных тракторов типа МТЗ, ЮМЗ-6 в Тячевской райсельхозтехнике // Тема 000908. госрегистрация 01830025302. – Дубляны, 1983-1985 р.р.

2. Разработать и внедрить процессы ремонта сельскохозяйственой техники, обеспечивающие основные требования хозяйств западного региона УССР /СХИ.- Львов, 1990.-№ госрегистрации 01870050847 по ВНИТИЦ.

3. “Розробка ефективних методів експлуатації та ремонту МТП в умовах західного регіону УРСР” на 1981-1985 р. р. (№ державної реєстрації у ВНДТІЦ – 01.81.5.011559). Продовження цієї теми входило до науково-технічної програми ГКНТ СРСР за № 0.51.11 на 1986-1990 р. р.

4. “Організаційно-технологічна взаємодія в системі ремонту та експлуатації МТП в умовах західного регіону УРСР на 1991-1995 р. р.” Держбюджетна тема кафедри надійності і ремонту машин №0026 ЛД СГІ.

В цих роботах автор був науковим керівником теми і відповідальним виконавцем (1) або відповідальним виконавцем (2-4).

Мета і задачі дослідження. Враховуючи сутність наукової проблеми, основною метою дисертації є покращення зносостійкості деталей с.-г. техніки шляхом удосконалення технології забезпечення поверхневої міцності на базі розробки і впровадження структурно-енергетичних основ ЕЗ поверхонь тертя ковзання.

Згідно з цим були вирішені такі основні наукові і прикладні задачі:

· обґрунтувати концепцію структурного модифікування та енергостабілізації маси ТЕ ковзання в процесі експлуатації;

· розробити комплексну методику структурно-енергетичного аналізу трибосистем ковзання (ТРСК), визначення коефіцієнтів експлуатаційного зміцнення;

· запропонувати структурно-енергетичний показник прогнозування зносостійкості трибоелементів ковзання, визначити питому роботу (енергію) зношування трибоелементів ковзання в деяких активних середовищах;

· розробити теоретичні основи структурно-енергетичної взаємодії, систематизувати чинники та обґрунтувати критерії ЕЗ поверхневих шарів ТРСК, побудувати відповідні фізичні моделі. Розробити спосіб визначення зносостійкості трибоелементів ковзання за питомою роботою (енергією) руйнування поверхневих шарів;

· змоделювати структурно-енергетичну взаємодію між трибоелементами та енергостабілізацію в ТРСК з активним середовищем. Побудувати фізико-хімічні моделі взаємодії ТЕ в активному середовищі;

· створити трибомеханічні системи (підшипники ковзання) ощадного ресурсу, які забезпечать підвищену довговічність спряжень ковзання машин сільськогосподарського виробництва;

· впровадити результати роботи у виробництво, дослідити їх ефективність, визначити економічний ефект, дати рекомендації щодо їх застосування.

Об’єкт дослідження: структурно-енергетичні взаємодії трибосистем ковзання машин сільськогосподарського виробництва в різноманітному агресивному, абразивному середовищі та з накладанням електричного струму.

Предмет дослідження: параметри, залежності та закономірності структурно-енергетичної взаємодії трибоелементів в трибосистемах ковзання машин сільськогосподарського виробництва.

Методи дослідження: в роботі використовувались розрахунково-аналітичні, теоретичні та експериментальні методи. Використовувались методи системного аналізу і математичного моделювання енергостабілізації ТРСК в активному середовищі, а також фізико-хімічне моделювання модифікування та зміцнення поверхонь ковзання під час експлуатації і прогнозування зносостійкості трибоелементів ковзання (ТЕК) за структурно-енергетичним показником, тощо. Склади і структури фаз досліджувались на електронному мікро аналізаторі “Camebax-SX-50” та на електронних мікроскопах ЭМБ-150, УЭМБ-100 і “Tesla”. Застосовувалась також електронно-обчислювальна техніка та спеціальна вимірювальна апаратура. Випробування відремонтованих вузлів та трибосистем ковзання здійснювалось на удосконалених стендах заводів-виготовлювачів та новостворених.

Наукова новизна отриманих результатів. Розроблено основні наукові положення, які відображають експериментальні та аналітичні закономірності тертя, змащувальної дії та зношування, що стали емпіричним базисом структурно-енергетичного обґрунтування основ експлуатаційного зміцнення.

Вперше науково обґрунтовано та запропоновано методику комплексного структурно-енергетичного аналізу ТРСК машин сільськогосподарського виробництва та дальше розвинуто паспортизацію цих спряжень.

Вперше розроблено методику розрахунку коефіцієнтів експлуатаційного зміцнення за побудованими полігонами зношування деталей в агресивному та абразивному середовищі зі специфічним навантаженням ТЕК.

Вперше запропоновано методику визначення питомої роботи (енергії) зношування ТЕ ковзання та спосіб визначення зносостійкості ТЕ ковзання в активному.

Обґрунтовано теоретичні основи та структурно-енергетичний показник для вибору зносостійких ТЕК і прогнозування зносостійкості трибосистем ковзання, систематизовані чинники та критерії ЕЗ трибосистем ковзання, вперше виявлено ендемічний чинник зношування.

Вперше одержано математичні моделі та залежності енергостабілізації ПШ, фізико-хімічні моделі структурно-енергетичної взаємодії між ТЕ ковзання. Промодельовано відновлення зносу ТЕК в процесі експлуатації.

Вперше розроблено трибомеханічні системи ощадного функціонування та запропоновано технічні розробки з трибомеханічними системами підвищеного ресурсу.

Практичне значення отриманих результатів. Створено комплекс оригінальних методик для диференційованих фізико-хімічних досліджень структурно-енергетичної взаємодії та експлуатаційного зміцнення поверхонь тертя ковзання, розроблені та удосконалені відповідні технічні засоби реалізації цих методик.

Удосконалено паспортизацію ТРС ковзання, запропоновано структурно-енергетичний показник для вибору зносостійких ТЕ та прогнозування зносостійкості трибоелементів ковзання. Запропоновано спосіб визначення зносостійкості ТЕК в активному середовищі за питомою роботою (енергією) зношування та за структурно-енергетичним показником. Розроблено рекомендації для впровадження у виробництво результатів теоретичних та експериментальних досліджень трибосистем ковзання, що мають безпосереднє відношення для розв’язання проблеми ощадного функціонування, створені карти трибомеханічних даних, які можуть бути використані не тільки для вдосконалення існуючих машин, але й під час проектування.

Розроблені в дисертації положення щодо забезпечення експлуатаційного зміцнення поверхневих шарів трибоелементів ковзання впроваджено на Львівському ремонтно-механічному дослідно-експериментальному заводі; в Тячівській райсільгосптехніці Закарпатської області, в майстерні “Львівторф” Львівської області, в Турківській райсільгосптехніці та в Рава-Руській агропромтехніці Львівської області, в ВАТ “Тернопільський комбайновий завод” та ВАТ “Львівагромашпроект”.

Методика структурно-енергетичного аналізу та оцінки зносостійкості ТЕК використовується в лабораторно-практичних заняттях та в курсовому і дипломному проектуванні магістрантів факультету механізації сільського господарства ЛДАУ.

На захист виносяться:

1. Результати теоретичних та експериментальних досліджень тертя та зношування трибосистем ковзання в активному середовищі, структурно-енергетичний показник вибору зносостійких трибоелементів.

2. Методика комплексного структурно-енергетичного аналізу роботи трибосистем ковзання в активному середовищі, методика визначення коефіцієнтів експлуатаційного зміцнення поверхневих шарів трибоелементів та прогнозування ресурсів.

3. Математичні залежності питомої роботи (енергії) зношування ТЕК від навантаження та виявлену інверсію в структурно-енергетичній взаємодії мастила з поверхневими шарами ТЕК, а також моделі енергостабілізації в трибосистемах ковзання під час роботи з різними активними середовищами.

4. Ендемічний чинник зношування.

Достовірність результатів забезпечується коректним застосуванням сучасних методів експериментальних досліджень, математичним плануванням дослідів, регресійно-кореляційним аналізом та статистичними методами обробки результатів пасивних і активних експериментів, порівнянням з практичними та теоретичними результатами вітчизняних та зарубіжних авторів. Підтверджується проведенням різноманітних комплексних експериментів, випробуванням на машинах, приладах і стендах, в т.ч. застосуванням енергостабілізації трибоелементів ковзання в процесі експлуатації та методики визначення вільної поверхневої енергії трибоелементів ковзання і застосуванням комплексної методики структурно-енергетичного аналізу, методикою визначення питомої роботи (енергії) зношування, відповідністю результатів лабораторних і виробничих випробувань.

Особистий внесок здобувача. Усі положення і результати, що виносяться на захист, дисертантом отримані самостійно [1,5,10,12,13,15,18-27,29-33,34]. У співавторстві з Заслуженим діячем науки і техніки, д.т.н., професором Костецьким Б.І. та к.т.н. Харченко Л.С. [2] обґрунтовано науковий напрямок і мету досліджень та запропоновано хімічний механізм взаємодії фосфоровмісних та тіофосфоровмісних присадок з ТЕК. Внесок здобувача полягає в обґрунтуванні, розробці і реалізації методик експериментальних досліджень і пасивного експерименту; розробці математичних залежностей та фізико-хімічних моделей структурно-енергетичної взаємодії; формулюванні новизни та основних висновків за результатами роботи; аналізі та узагальненні отриманих результатів досліджень в дисертації, монографії та статтях. У роботах, опублікованих у співавторстві [3,6,8,11,14,30,32], дисертанту належить комплекс досліджень структурно-енергетичної взаємодії трибоелементів ковзання в активному середовищі, а в роботах [4,7,9,16,28] – удосконалення способів відновлення деталей та обладнання. Математичне моделювання процесів структурно-енергетичної взаємодії трибосистем ковзання здійснене у співавторстві з науковим консультантом, д.т.н., проф. Кравцем І.А. [17,31]. Обговорення отриманих результатів роботи проведено разом з науковим консультантом.

Апробація результатів дисертації. Матеріали, представлені в дисертації, пройшли апробацію: на 11-ій міжнародних конференціях та симпозіумах, в тому числі: на науково-технічній конференції РЕВ “Сучасне обладнання і технологічні процеси для відновлення та зміцнення деталей машин” “Ремдеталь - 1988” (м. П’ятигорськ Ставропольського краю, 1988), на 4-ій Московській науково-технічній конференції “Триботехніка - машинобудуванню” (м. Москва – м. Чехов, 1989 р.), на н.-т. конференції “Структурна самоорганізація та оптимізація триботехнічних характеристик конструкційних та інструментальних матеріалів” (м. Київ, РДЕНТП, 1990 р.), на Болгарському нац. семінарі з міжнародною участю – “Трибологія - 90” (м. Софія, Технічний університет, 1990 р.), на технічній раді Рава-Руського підприємства “Агропромтехніка” (м. Рава-Руська Львівської обл., 1991 р.), на науково-технічних семінарах в Українському НАУ (м. Київ, 1985-90 та 1997 р.р.), на Крамаровських читаннях в ЛДАУ (м. Дубляни, 1991-2002 р.р.), на міжн. науковій конференції в Хмельницькому технологічному університеті “Поділля” (м. Хмельницький, 1997 р.), на н.-т. семінарі в Луцькому технологічному університеті (м. Луцьк, 1999), на н.-т. раді відділу ТО і ПР ІМЕСГ( с.м.т. Глеваха, Київської обл., 1999 р.), на міжнародній науково-практичній конференції “Механізація і автоматизація технологічних процесів у молочному скотарстві” (м. Дубляни, 1999), на міжнародній н.-т. конференції “Технічний прогрес у с.-г. виробництві” (с.м.т. Глеваха, Київської обл., 2000 р.), на 5-му міжн. симп. українських інженерів-механіків (16-18.05.2001р.), на 3-ій міжн. науково-практичній конференції “Проблеми економії енергії” (10-14.10.2001р.) у НУ “Львівська політехніка”, на міжн. н.-т. конференції “Зносостійкість і надійність вузлів тертя машин (ЗММ-2001)” 17-19.10.2001 р. в ТУ “Поділля” (м. Хмельницький), на 4-ому міжн. симп. з трибофатики, Тернопіль, 2002 (ISTF, Ternopil, Ukraine, September 23-27, 2002), на 6-му міжн. симп. українських інженерів-механіків (23-27.05.2003р.) у НУ “Львівська політехніка”.

Публікації. Основні результати досліджень опубліковані в 34 друкованих роботах, в тому числі в монографії загальним обсягом 7 др. арк., 9 статтях у журналах, 14 – в збірниках наукових праць, 2 деклараційних патентах, а також в інших матеріалах і тезах конференцій.

Структура і обсяг роботи. Дисертаційна робота складається із вступу, шести розділів, загальних висновків та рекомендацій виробництву (викладено на 203 сторінках), списку використаних джерел (376 найменувань на 31 сторінці) і 20 додатків (на 26 сторінках). Загальний обсяг дисертації становить 262 сторінки, в т.ч. 32 таблиці і 66 рисунків.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтована актуальність теми, об’єкт і предмет досліджень, сформульовано мету і задачі дослідження, наукову новизну та практичне значення одержаних результатів.

У першому розділі розглянуто особливості фізико-хімічної взаємодії в ТРС, взаємовплив пластичного деформування і адгезії, адсорбції, дифузії та швидкості хімічних реакцій на поверхнях ТЕ, проаналізовано корозійні процеси на поверхнях тертя та термодинамічну недосконалість ТРСК машин. Показано, що модифікація нами графічної моделі Чіхоса дещо розширює уявлення про процеси, що відбуваються в ТРСК. На основі системного аналізу існуючих трибомеханічних систем ковзання можна запропонувати оптимальне поєднання зносостійкості ТЕК для забезпечення певного ощадного ресурсу під час створення нових машин.

Оскільки процеси в ТРСК є результатом взаємодії мастила, зовнішнього середовища та матеріалів підшипника і вала, то для забезпечення мінімального зношування необхідно чітко виділити основні чинники та критерії експлуатаційного зміцнення з метою впливу через них на роботу трибосистем ковзання, впровадити структурне модифікування за рахунок поверхнево- та хімічно-активних речовин, застосувати оптимальні ступені пластичного деформування в різних середовищах, а також використати можливості енергостабілізації маси ТЕ за рахунок стороннього джерела електроенергії та маси, аналогічно до електрохімічного відновлення деталей.

У другому розділі наведено розроблену комплексну методику структурно-енергетичного аналізу та подальшого розвитку паспортизації реальних трибосистем ковзання за результатами пасивного експерименту, який виконувався в спеціалізованих ремонтних підприємствах Закарпатської, Івано-Франківської, Львівської, Рівненської, Тернопільської та інших областей.

Номенклатура досліджуваних деталей включала деталі, підібрані з машин для внесення добрив, гербіцидів; силосозбиральних та бурякозбиральних комплексів; кормозбиральних, гичкозбиральних і картоплезбиральних машин; робочих органів комбайнів, косарок та подрібнювачів кормів; подрібнювачів і розкидачів добрив; причепів, екскаваторів, колісних та гусеничних тракторів з однаковим напрацюванням, трибосистеми ковзання яких працюють в агресивному й абразивному середовищах. Аналізувалася достатня вибірка зношених деталей (з різними схемами навантаження та формами поверхні) з однаковим напрацюванням в однакових умовах від машин, які надійшли в перший капітальний ремонт у СРП з певної зони обслуговування.

Для статистичної обробки заповнювалися спеціально розроблені мікрометражні карти, в яких наводився ескіз деталі, схема вимірювання зносу, дефекти і пошкодження деталі, кількість однойменних деталей в машині, напрацювання машини, знос чи інші пошкодження деталі. Вибірка включала не менше 36 об’єктів досліджень з однаковим напрацюванням в приблизно однакових умовах протягом одного - чотирьох сезонів експлуатації. На основі результатів аналізу і статистичної обробки мікрометражних карт будувалися гістограми та емпіричні полігони розподілу зносу чи корозії деталей в різних середовищах, визначалися коефіцієнти експлуатаційного зміцнення (знеміцнення) поверхні.

Кінетика змочування поверхонь мастильними середовищами вивчалася за допомогою швидкісної кінофотоустановки.

Для дослідження структури матеріалів і структурно-енергетичної взаємодії поверхневих шарів ТЕ ковзання з середовищем, визначення питомої роботи (енергії) зношування та глибини текстурованого шару поверхні використовувалися методи склерометрії, мікротрибометри, профілографи-профілометри М201 заводу “Калібр”. Індентори виготовлялися з твердих сплавів ВК-2, ВК-3, ВК-8, Т5К10, навантаження та сферичний індентор радіусом 100 – 200 мкм варіювалося в межах від 5 до 1000 г.

Фізико-механічні властивості ТЕК додатково досліджувалися на машинах торцевого тертя, КЕ–4М, типу СМЦ- 2, МИ-1 та спеціальній випробувальній установці з накладанням електричного струму.

Під час вивчення закономірностей тертя та зношування, що обумовлюють механізми поверхневого руйнування, і для пояснення взаємозв’язків технологія – структура та будова – властивості використовувався комплекс сучасних методів фізико-хімічного аналізу, який включає дослідження поверхневих шарів на макро-, мікро- та субмікроскопічних рівнях на електронному мікро аналізаторі та електронних мікроскопах.

За допомогою повнофакторного планування експерименту отримані моделі, які встановили адекватний зв’язок між параметрами та факторами.

В третьому розділі проаналізовано структурно-енергетичну взаємодію мастил з поверхневими шарами ТЕ та визначено питому роботу (енергію) зношування, подано аналіз зношування реальних трибосистем ковзання сільськогосподарських машин, висвітлено роль змащувального середовища в процесі самоорганізації трибосистем ковзання (ТРСК) та визначено коефіцієнти експлуатаційного зміцнення поверхневих шарів, а також складено карти трибомеханічних даних з метою вибору способу відновлення роботоздатності ТЕ.

В процесі тертя та зношування в ТРСК відбуваються складні термодинамічні процеси, пов’язані з перетворенням одного виду енергії в інший та передаванням різних видів енергії, імпульсів, зарядів, речовини.

Враховано, що затрачена енергія деформації W витрачається на зміну внутрішньої енергії E тіла, зумовлену прихованою деформацією та ЕQ – енергією теплового ефекту деформації, тобто

W = E + ЕQ . (1)

Оскільки мікро- та субмікроструктура (величина субзерен, блоків, доменів) є наслідком зміцнювальної технологічної обробки, тобто міцність і зносостійкість ТЕ суттєво залежать від розміру субзерен, кута їх розорієнтації (від часток градусів і до 15), а також довжини границь та формування гратки з певним просторовим розташуванням атомів і видом зв’язку між ними, то вищу зносостійкість забезпечує певна густина дефектів, яка перешкоджає рухові дислокацій. Виявлено, що при густині дефектів a=109…1012 зносостійкість для сталі 30 підвищується (для різних сталей – різні межі).

Структурно-енергетичні характеристики поверхневих шарів (ПШ) ТЕ відповідальні за інтенсивність зношування (рис.1).

Рис. 1. Залежність зношування (ін) пластично деформованого металу сталі 10 в середовищі ВМ+ 1,5% трибутилфосфата (навантаження 0,965 МПа) при різних ступенях попередньої пластичної деформації () металу та при різних швидкостях ковзання: 1- 2м/с, 2 – 4 м/с, 3 - 6 м/с, 4 – 8 м/с.

Зниження зносу деформованих ПШ можна пояснити деяким зміцненням внаслідок попереднього пластичного деформування та швидким пасивуванням деформованого металу за рахунок підвищення швидкості хімічних реакцій. Від змочуваності мастила (адгезії, адсорбції) на деформованій поверхні залежить його товщина граничного шару та відповідний знос.

На характер розподілу зношування впливає специфіка навантаження згідно з (рис.2,а,б). На рис. наведено гістограми (1,2,3,4,5) та емпіричні полігони розподілу (6.7,8,9,10) деталей зі специфічним навантаженням від пружини стиску (а) та консольного навантаження на палець кронштейна ресори (б). Ці результати вказують також на важливу роль мастильного середовища в самоорганізації ТРСК (більша частина вибірки має знос, що не перевищує – п’ятої – шостої частки від максимального). При оптимальному поєднанні пластичного деформування та середовища можливе зміцнення ПШ (самоорганізація матеріалів ТЕ). Самоорганізація матеріалів ТРС полягає в утворенні нових фаз дисипативних структур. Під впливом змащувального середовища пружно-пластична деформація, яка обов'язково виникає під час тертя, викликає структурно-термічне активування та миттєву пасивацію – утворення модифікованих вторинних дисипативних структур в найтоншому ПШ. Активування ПШ ТЕ є причиною безперервного насичування ПШ активними компонентами середовища, від чого залежить рівень самоорганізації, тому розподіл зносу підпорядкований експоненті.

а) б)

Рис. 2. Гістограми (1,2,3,4,5) та емпіричні полігони розподілу зносу (6,7,8,10) ущільнювальних кілець (а) та пальця кронштейна ресори № 887А-2902476 (б).

Що стосується аналізу однакових вибірок зносу деталей с.г. машин, які зношувалися в активному середовищі (гноївка, сік бур’янів, гички), то на знос впливає також ендемічний чинник (рис.3,а, емпіричні полігони 4 і 2), оскільки характер залежності в різних зонах експлуатації зберігається, а основні статистичні показники відрізняються, бо зношування ТРСК реагує на забрудненість повітря шкідливими викидами Сокальського хімічного чи Миколаївського цементного комбінатів (рис.2,3,5). У випадку підтримних роликів машини БМ-6А, виготовлених з полімерних матеріалів, то навіть в агресивному і абразивному середовищі знос підпорядковується лише нормальному законові розподілу чи Вейбула-Гніденка (рис.3,б).

Особливо помітний вплив самоорганізації (СО) проявляється в реальних спряженнях с.г. машин, бо в цьому випадку агресивні чи абразивні середовища ослабляють чи підсилюють дію один одного, тобто діють синергетично.

В реальних умовах навантаження процеси самоорганізації в ТРСК реалізуються постійно, про що свідчать закономірності зношування (рис.4).

Рис. 3. Гістограми й емпіричні полігони розподілу зносу й корозії планки копіра КС-6 /а/ та підтримного ролика БМ-6А /б/, 1,2,3- Кам’янсько-Бузьке, 4 – Іваничівське РТП | Рис. 4. Гістограма та емпіричний полігон розподілу зносу шийок осі колінчастої № 85. 32. 011- 1, а – ескіз та схема вимірювання

Підпорядкування зношування залежить також від конструктивно-технологічної характеристики ТРСК. Найчастіше ефект СО спостерігається в ТРСК під час пульсуючого, коливного та консольного навантаження поверхонь, за відсутності фретінг-процесів, або ж під час навантаження пружиною стиску (ущільнювальні кільця гусеничних тракторів).

Встановлено, що структурно-енергетична взаємодія мастила з поверхневими шарами ТЕ має інверсію і при нижчій інтенсивності розтікання мастила по поверхні реалізується більша питома робота (енергія) зношування, а при кращій кінетиці змочування, яка контролювалася за величиною крайового кута змочування, - менша питома робота (енергія) зношування.

Якщо на емпіричному чи теоретичному полігоні зношування достатньої вибірки однотипних зношених деталей з однаковим напрацюванням мода зміщена вправо, то це свідчить про знеміцнення поверхневого шару ТЕ під дією активного середовища (проявляється знеміцнювальний ефект Ребіндера); якщо мода зношування зміщується вліво, то це свідчить, що відбувається експлуатаційне зміцнення тертьових поверхонь (рис.3,4,5).

Зафіксоване ЕЗ під час оптимального поєднання умов навантаження та середовищ у деталей машин, виготовлених з різних марок сталі, чавуну, бронзи.

Після аналізу значних вибірок деталей, які працювали в різних умовах зовнішнього середовища, виявлено ендемічний чинник зношування (гориста місцевість, зона дії хімічних чи цементних комбінатів), коли закони розподілу зносу деталей однакові, але величини зносу в різних місцевостях суттєво відрізняються.

Рис. 5. Гістограма та емпіричний полігон зношування пальця ресори гноєрозкидача (1) та шворня причепа (2): а – розміщення ТРСК в машині

Простежити наявність та закономірності утворення певних вторинних структур на тертьових поверхнях, тобто оцінити здатність ТРСК до структурної пристосованості, можна на шийках однієї і тієї ж деталі, зібравши достатню репрезентативну вибірку з однаковим напрацюванням (шийки деталі з однакового матеріалу, з однаковими фізико-механічними характеристиками). З рис.4 (шийки D,C) видно, що структурна пристосованість (структурна самоорганізація) різних шийок ТЕ наступає неодночасно. Для шийок C та D вона наступила швидше, ніж для шийки В, а відтак інтенсивність зношування шийок С і D менша, ніж шийки В.

Коефіцієнти експлуатаційного зміцнення чи знеміцнення дорівнюють відношенню відстаней від ординати до моди диференційної функції закону розподілу зношування, наприклад, коефіцієнт експлуатаційного зміцнення:

, (2)

де а – відстань від ординати до моди нормального закону зношування;

б – відстань від ординати до моди закону зношування, якому підпорядковується зношування трибосистеми ковзання в режимі СО.

Коефіцієнт знеміцнення: , (3) де с – відстань від ординати до моди розподілу зношування, якому підпорядковується зношування деталей трибосистеми в абразивному й агресивному середовищі.

В результаті СО ТРС процес зовнішнього тертя стабілізується, наступає динамічна рівновага і саморегулювання системи, поверхня кожного з ТЕ ковзання в певному середовищі по-різному структурно пристосовується і забезпечує ощадне функціонування.

Коефіцієнт експлуатаційного зміцнення співрозмірний до співвідношення міцності вторинних структур.

Якщо під час виготовлення трибоелементів ковзання забезпечити поверхневі параметри, аналогічні до одержаних внаслідок структурної пристосованості, то для даних умов навантаження і роботи ТРСК буде забезпечено стабілізацію параметрів тертя за мінімальний час.

Четвертий розділ присвячено систематизації вхідних і внутрішніх чинників та обґрунтуванню часткових і основних критеріїв ЕЗ. Експлуатаційне зміцнення ПШ ТЕ – це одержання ними в процесі роботи трибосистеми ковзання комплексу топографічних та фізико-хіміко-механічних характеристик, що забезпечують мінімальну роботу тертя та максимальну зносостійкість.

Незалежні вхідні чинники (рис.6), які можуть сприяти самоорганізації трибосистем ковзання, нами поділені на три групи: 1 - пов’язані з матеріалами ТЕ та їх обробкою, 2 - пов’язані з мастилом і середовищем, в якому працює трибосистема ковзання та 3 - незалежні зовнішні впливи на ТРС .

До першої групи відноситься структура ТЕ, хімічний склад, хімічні, механічні та теплофізичні властивості ТЕ, геометрія їх поверхні, енергетичні параметри поверхонь ТЕ, а також технологічна спадковість (текстура, залишкові напруження тощо).

Друга група охоплює хімічний склад, в’язкість, маслянистість та окислювальну стабільність мастила, поверхневу та хімічну активність, а також теплофізичні характеристики змащувального середовища, наявність абразиву, присадок та інших домішок, що гальмують або прискорюють настання самоорганізації в трибосистемі ковзання.

Вхідні чинники | Внутрішні чинники | Вихідні параметри роботи

Часткові критерії

Матеріали ТЕ та їх обробка | Структура трибоелементів, хімічний склад, механічні, теплофізичні та хімічні властивості, геометрія поверхні, технологічна спадковість (текстура, залишкові напруження), енергетичні параметри поверхонь трибоелементів | Зміна температури ТЕ, зміна структури ТЕ, утворення вторинних структур, зміна шорсткості, зміна фізико-механічних та хімічних властивостей поверхневих шарів трибоелементів, зміна теплопровідності та тепловиділення, нагромадження вакансій та дислокацій, зміна температури трибоелементів | Ркр – питоме критичне навантаження в ТРС, Н;

кр – критична швидкість ковзання, м/с;

F – сила тертя або f, - коефіцієнт тертя;

hн - товщина вторинних структур ТЕ;

КВС=SBC/SЗАГ коефіцієнт кількості вторинних структур;

Середовища (мастила) | Хімічний склад, в’язкість, маслянистість, окислювальна стабільність мастила, теплофізичні характеристики, поверхнева та хімічна активність, теп-лофізичні характеристики мастил, наявність присадок, абразиву та інших домішок

Зовнішні впливи | Навантаження, стаціонарність режиму, швидкість взаємного переміщення ТЕ, частота пусків та зупинок, початковий зазор, температура роботи ТРС, динамічні навантаження, вібрації, режими та умови припрацювання, ендемічний чинник, накладання електричного струму | Основні критерії

iн - інтенсивність нормального зношування, мкм/1000 м;

Кез - коефіцієнт експлуатаційного зміцнення поверхневих шарів ТЕ;

Рша , (Е) – питома робота (енергія) зношування поверхневих шарів

Рис.6. Основні чинники та критерії ЕЗ поверхневих шарів трибоелементів ковзання

До третьої групи чинників входять такі зовнішні впливи: навантаження в зоні контакту спряження ковзання, стаціонарність режимів роботи, швидкість взаємного переміщення ТЕ, початковий зазор між ними, частота пусків та зупинок, температура роботи ТРС, динамічні навантаження, накладання електричного струму, вібрація, а також режими та умови припрацювання, а також ендемічний чинник.

Внутрішні чинники формуються залежно від суттєвих вхідних і в процесі тертя перебувають в стані динамічної рівноваги. Основні з них: зміна температури і структури, нагромадження вакансій і дислокацій, утворення вторинних структур, зміна шорсткості, фізико-механічних та хімічних властивостей поверхневих шарів ТЕ, зміна теплопровідності і тепловиділення, а також зміна температури мастила. Під впливом цих найсуттєвіших чинників кооперативно формуються вихідні параметри роботи ТРС, з яких випливають і критерії експлуатаційного зміцнення.

Як основні критерії доцільно виділити інтенсивність нормального зношування (Ін), питому роботу (енергію) зношування ПШ та коефіцієнт експлуатаційного зміцнення (Кез), а частковими критеріями залишаються коефіцієнт тертя (f), критична швидкість (vкр) при певних навантаженнях, критичне навантаження (Ркр) при певних швидкостях взаємного переміщення ТЕ, товщина (hн) та коефіцієнт площі (КВС) вторинних структур.

Моделювання енергостабілізації зношування трибоелементів (ТЕ) ковзання в активному середовищі з накладанням електричного струму (І = 0,8 А; U= 0,4 В) наведене на рис.7.

Рис.7. Енергостабілізація трибосистеми з накладанням електричного струму: 1- чисте дизельне мастило Д-11; 2- Д-11+1% сірковмісної присадки Л3 6/9Т; 3- Д-11+2% АБКФ (сірко- і фосфоровмісної присадки); 4- Д-11+1% фосфоровмісної присадки трибутилфосфату (ТБФ); 5-Д-11+2% хлорованого парафіну (ХП).

Умови тертя ковзання: нормальне навантаження – Р = 6 Н/мм2; швидкість ковзання – v = 0,03 м/с; сила струму – I = 0,8 A; напруга – U = 0,4 B. Трибоелемент 1 – Сталь 45, загартована до твердості HRC 62; трибоелемент 2 – Сталь 45 відпалена.

Стабілізація поверхневої енергії трибоелементів відбувається протягом перших 6-13 хвилин роботи трибосистеми (криві 2,4 – криві 1,3) в різних середовищах. Рівень стабілізованої енергії максимальний, досягає 6552 Дж при наявності оптимальної кількості фосфоровмісної присадки трибутилфосфату з одним активним елементом фосфору (крива 4).

При наявності сірковмісної присадки 1% ЛЗ 6/9Т з одним активним елементом сірки (крива 2) поверхнева енергія знижується до 3024 Дж.

В середовищі чистого дизельного мастила Д-11 з додаванням оптимальної кількості сірко- і фосфоровмісної присадки АБКФ поверхнева енергія становить 3778 Дж.

При роботі трибосистеми ковзання на даних режимах в середовищі чистого дизельного мастила поверхнева енергія мінімальна (крива 1).

Математичні залежності енергостабілізації поверхневої енергії в трибосистемах ковзання з оптимальною кількістю поверхнево активних і хімічно активних присадок апроксимуються поліномами четвертого порядку. Наприклад,

(4)

В поверхневому шарі ТЕК завжди присутній невитрачений запас енергії, яка має високі адсорбційні властивості під час взаємодії з середовищем. В різних активних середовищах енергія зношування (руйнування зв’язків) різна, від цього є різною інтенсивність зношування ПШ ТЕК, тому визначення енергії (роботи) зношування є актуальним.

Під час роботи трибоелементів ковзання в середовищі спостерігається інверсія: чим більше затрачається енергії руйнування ПШ ТЕ під час зношування трибосистеми ковзання, тим менше зносостійкий матеріал в даному середовищі, і навпаки.

Великі можливості модифікування вторинних структур закладені за допомогою застосування сірки, фосфору, хлору, азоту, вуглецю та їх поєднань, а також металевих присадок Ва, Сu (з одночасним накладанням електричного струму), оскільки хімічне керування інтенсивністю зношування полягає в тому, що внаслідок додавання оптимальної концентрації ХАР на поверхнях тертя ковзання забезпечується утворення міцних вторинних структур І і ІІ типу з високою зносостійкістю в широкому діапазоні швидкостей і навантажень, бо під час роботи ТРСК можуть відбуватися реакції, термодинамічно неможливі для нормальних умов в обсязі рідини чи на ПШ ТЕ без тертя.

Оскільки на тертя в ТРСК затрачається енергія для подолання фрикційних зв’язків між матеріалами вала, втулки чи вкладки і середовища між ними, а ця енергія (робота) пропорційна до обсягу витісненого матеріалу з канавки тертя, тобто пропорційна до поперечного перерізу канавки від проходу індентора з навантаженням, бо вона корелює зі зношуванням таких ТЕ в аналогічних середовищах, визначених випробуваннями на машинах торцевого тертя, удосконаленій СМЦ-2, то запропонований спосіб вимірювання питомої роботи (енергії) зношування в умовних одиницях, пропорційних до обсягу матеріалу (Деклараційний патент на винахід №36509А G01 №3/56 від 16.04.2001 р.).

Структурно-енергетична взаємодія матеріалів трибоелементів і середовища проявляється наступним чином: залежно від матеріалу трибоелементів, від попередньої деформованості поверхні, від типу мастила, від концентрації присадок, одержуємо сімейство S – подібних кривих (рис. 8).

Рис.8. Залежність питомої роботи (енергії) зношування (ум. од.) від навантаження на індентор в присутності різних мастил:

1 – ВМ; 2 – Д - 11 +2% ХП; 3 - Д-11; 4 – Д – 11 + 2,5% (ДЕДТФ)3Р; 5 – Д-11 + 2% ЛЗ; 6 – ВМ - + 2% БА; 7 – Д – 11 + 2,5% (ДИПДТФ)3РО; 8 – Д – 11 +2% ТБФ ; 9 – Д-11+2,5% (ДМДТФ)3Р; ТЕ – сталь 45

Перегин S-подібних кривих зношування, очевидно, зумовлений зміною навантаження на індентор, яке спочатку призводить до пружно-пластичного деформування поверхневого шару трибоелемента ковзання та наступного руйнування. Для аналогічних трибоелементів у різних середовищах за різних навантажень перегини спостерігаються в різних точках, навіть в межах навантаження 0 – 500 г на індентор мікротрибометра.

Записи перерізу канавок тертя від проходів індентора дозволяють визначити (в умовних одиницях) питому роботу (енергію руйнування) поверхневих шарів трибоелементів ковзання в різному середовищі залежно від навантаження на інденторі на трибоелементі зі сталі 45 з мономолекулярним шаром однокомпонентної присадки або чистого мастила питома робота руйнування поверхневого шару значно більша (криві 1,2,3), ніж при проходженні індентора по поверхні, змащеній мастилом з оптимальним вмістом присадки, яка має в своєму складі два активні елементи (криві 4,7,9).

За цим способом також можна підбирати трибоелементи ковзання для забезпечення ощадного ресурсу трибосистеми ковзання, з мінімальними затратами роботи зношування (деклараційний патент на винахід № 36509А МКИ 7 G 01 N 3/56 від 16.04.2001. Бюл.№3).

Кореляційно-регресійний аналіз взаємозв’язку дослідних даних питомої роботи (енергії) зношування від навантаження свідчить про явно виражену пряму кореляцію. Після кореляційно-регресійного аналізу результатів дослідження затрат енергії (роботи) на зношування трибоелементів ковзання зі сталі 45 в різних середовищах одержано адекватні математичні залежності моделі, які репрезентуються переважно логарифмічними рівняннями кривих типу y =a+blnx, а при менших навантаженнях – рівняннями кривої типу параболи y = a + b1x + b2x2.

Так, наприклад, залежності питомої роботи (енергії) зносу трибоелемента ковзання зі сталі 45 (загартованої до HRC 52) в середовищі чистого дизельного мастила Д-11 представлені рівняннями:

, (5)

а при всіх решта однакових параметрах, за добавки до мастила тіофосфорної присадки (Д-11 + 2,5 % (ДМДТФ)зРО) інтенсивність зношування знижується, а рівняння мають наступний вигляд:

. (6)

Вміст хлорованого парафіну (Д-11+2% ХП) дещо збільшує інтенсивність зношування і рівняння мають наступний вигляд

. (7)

Максимальна затрата енергії на руйнування поверхневого шару під час роботи трибоелемента в інактивному середовищі – в чистому вазеліновому мастилі, мінімальна – у вазеліновому мастилі з оптимальним вмістом розкислювача (2% бензойного альдегіду) відрізняються при різних навантаженнях майже на порядок. Роль природного модифікатора виконує кисень повітря чи кисень у мастилі.

Підвищення Кез відбувається завдяки мастильним матеріалам, тобто внаслідок хімічного модифікування за рахунок зміни елементного складу вторинних структур.

П’ятий розділ присвячено вивченню ощадного функціонування трибосистем ковзання машин сільськогосподарського виробництва у процесі експлуатації. Структурно-енергетичний аналіз роботи трибосистем ковзання показав, що структура і енергія матеріалу трибоелементів взаємопов’язані: чим більшу кількість поглиненої енергії він має, тим забезпечує вищу швидкість утворення зносостійких вторинних структур в поверхневих шарах.

Контакт трибоелементів під час тертя завжди є дискретним і реалізується в зонах фактичних площ. На тертя в ТРСК затрачається енергія, необхідна для подолання фрикційних зв’язків, утворених матеріалами вала, вкладки та мастила між ними. Подолання таких зв’язків може відбуватися внаслідок пружної чи пластичної деформації або їх поєднання в різних активних середовищах, енергія зношування (руйнування зв’язків) різна, інтенсивність зношування ПШ також істотно відрізняється.

Оскільки місця фактичних контактів трибоелементів руйнуються не відразу, а після певної кількості енергетичних імпульсів, що викликані взаємним відносним рухом твердих тіл та періодично повторюваними деформуваннями в царині фактичного контакту, то доцільно прогнозувати зносостійкість різноманітних матеріалів для трибоелементів в присутності різних мастильних середовищ за результатами їх випробувань на мікротрибометрі з наступним запису перерізу проходів індентора на профілометрі-профілографі типу М-201 заводу “Калібр”.

На зразках матеріалу ТЕ, оброблених до шорсткості Rz=0,63-1,25 мкм, методом Блоджет-Ленгмюра нанесений шар мастила з різними присадками. Індентор радіусом 100 мкм виготовлений з матеріалу, не схильного до схоплювання, наприклад, з ВК-8, Т5К10, Т5К16 та ін.

Записи перерізу канавок після одиничного проходу індентора наведені на рис.9.

а б

Рис.9. Переріз канавок від проходу індентора на сталі 45:

а – мастило Д –11 з домішкою 2% хлорованого парафіну;

б – мастило Д- 11 з домішкою 2,5% тіофосфорної присадки

Як видно з рисунку, максимальна висота канавки (hн) в різних середовищах може бути як однаковою, так і різною з максимальними висотами лівого (hл) чи правого (hпр) кавальєрів витісненого металу ПШ, що пояснюється неоднорідною структурою ТЕ. Максимальна ширина канавок (bн) та лівого (bл) чи правого (bпр) кавальєрів також може бути однаковою та різною. Площа перерізу канавки (Sн) може бути меншою, може збігатися з нею або бути більшою від сумарної площі перерізу витісненого матеріалу, тобто суми перерізів (Sл+пр) лівого та правого кавальєрів.

Залежно від активності середовища (матеріал ТЕ, шорсткість обробки, твердість та інші структурно-енергетичні характеристики аналогічні) коефіцієнти відношення сумарної площі перерізу витісненого та розпушеного матеріалу до перерізу канавки тертя є різними і корелюють із зносостійкістю матеріалу, визначеною на машинах тертя в результатів довготривалих випробувань.

Співвідношення , яке враховує структурно-енергетичні властивості ТЕ,