ПРОБЛЕМЫ НАДЕЖНОСТИ И РЕСУРСА в МАШИНОСТРОЕНИИ

ТРИБОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОБЛЕМЫ НАДЕЖНОСТИ МАШИН

Научно-технический прогресс, эффективность производства во многих сферах народного хозяйства определяются уровнем развития машино­строения — ключевой отраслью экономики. Комплексная механизация и автоматизация, прогрессивная технология, новые материалы с повышен­ными характеристиками позволяют повысить технический уровень, ресурс и надежность техники, ускорить выпуск новых поколений машин и обо­рудования. Решение проблемы — увеличение сроков службы до капиталь­ного ремонта основных видов машин, оборудования и приборов, снижение их металлоемкости, сокращение численности рабочих, занятых ремонтом, сохранение энергии, материалов, повышение производительности зависит от повышения износостойкости и надежности узлов трения. Актуальность проблемы будет возрастать по мере интенсификации рабочих процессов, повышения их параметров.

Значительная часть мировых энергетических ресурсов в различных фор­мах расходуется на трение, 80—90% подвижных сопряжений машин выхо­дят из строя вследствие износа. При этом снижается КПД, точность, эконо­мичность, надежность и долговечность машин, ухудшаются динамические

и акустические характеристики. Наряду с известными, актуальными вопро­сами по обеспечению работоспособности наиболее подверженных износу узлов, таких, например, как шарнирные соединения гусеницы в тракторах и тягачах, цилиндро-поршневой пары ДВС, насосов, компрессоров различ­ных уплотнительных систем, исследований контакта колесо—рельс, шина - дорога современная наука и техника ставят новые задачи в связи с разви­тием авиационно-космической техники, атомной энергетики, освоением океана, глубоких недр Земли и других перспективных направлений.

Опоры качения и скольжения, передаточные механизмы, направляющие, тормозные устройства, уплотнительные элементы, узлы трения транспорт­ной техники, технологического оборудования, энергетического машино­строения и другие смогут успешно функционировать в новых условиях только при использовании специальных материалов, смазок, покрытий, на основе развития новых принципов создания рабочих узлов.

Трибология как научно-техническая дисциплина объединяет проблемы трения, износа и смазки, изучает процесс взаимодействия поверхностей при их относительном движении. Термин появился в 60-е годы и проис­ходит от греческого слова ’’трибос” — трение.

Исследования в области механики контактных взаимодействий, хими­ческих и диссипативных процессов в поверхностных и приповерхностных слоях трущихся материалов показывают, что материал в указанных зонах в процессе трения резко изменяет свое физическое состояние, меняя меха­низм контактного взаимодействия. Происходят существенные изменения в суб - и микроструктуре приповерхностных микрообъемов. Изучение кинетики структурных, фазовых и диффузионных превращений, проч­ностных и деформационных свойств активных микрообъемов поверхнос­ти, элементарных актов деформации и разрушения, поиск численных кри­териев оптимального структурного состояния, оценок качества поверхнос­ти должны быть фундаментальной основой в поисках материалов и сред износостойких сопряжений. В настоящее время исследованы закономер­ности распределения пластической деформации по глубине поверхностных слоев металлических материалов, кинетика формирования вторичной структуры, процессы упрочнения, разупрочнения, рекристаллизации, фазо­вые переходы, которые, в свою очередь, зависят от внешних механических воздействий, состава, свойств трущихся материалов и окружающей среды. Важное значение в физике поверхностной прочности имеет определение связи интенсивности поверхностного разрушения при трении и величины развивающейся пластической деформации. Сложность указанной пробле­мы заключается в двойственности природы носителей пластической дефор­мации. Дислокации, дисклинации и другие дефекты структуры являются концентраторами напряжений, очагами микроразрушения. В то же время движение дефектов (релаксационная микропластичность) приводит к снижению уровня напряжений концентратора, следовательно, замедляет процесс разрушения. Условия деформации при трении поверхностных слоев будут определять преобладание одного из указанных механизмов, от которого будет зависеть интенсивность поверхностного разрушения. Межатомный масштаб связан с характерным сдвигом, производимым элементарными носителями пластической деформации (дислокациями). В легированных металлических системах величина межатомного расстоя-

195

ния отражает количественный элементный состав твердых растворов и является идентификатором фазового состава, в нем заложена информация о диффузионных процессах в материале. Высокая физическая информа­тивность межатомного масштаба вызывает повышенный интерес к анализу его изменения по глубине приповерхностных слоев. В последние годы об­стоятельно исследуется проблема диффузии легирующих элементов в зоне деформации при трении. Процессы диффузии локализуются в тонких по­верхностных слоях, в малых объемах обнаруживается резко повышенное количество точечных дефектов кристаллической решетки, увеличение коэффициента диффузии на несколько порядков, изменение пределов взаимной растворимости элементов. Наличие в контакте смазочной среды влияет на закономерности возникновения и распределения дефектов крис­таллической решетки, на формирование химического состава и структур-, ного состояния поверхностных слоев. Усиливается роль дислокационно­динамического массопереноса составляющих смазочной среды в деформи­рованные слои. Как известно, диффузия связана с основными фундамен­тальными физическими процессами (неравновесные искажения, напряже­ния, температуры), протекающими в металлических сплавах и определяю­щими их строения и свойства. Создание и выбор материалов для пар трения должны учитывать кинетические закономерности диффузионных процессов в зоне деформации и факторы, влияющие на эти процессы [31,36].

Необходимо теоретическое описание поведения ансамблей дефектов различного рода при действии полей напряжений, температур, при изме­нении градиентов химического потенциала с учетом механизмов накопле­ния повреждаемости, зарождения и распространения очагов разрушения в приповерхностных и поверхностных слоях материалов при трении. В связи с этим должны быть усовершенствованы методологические принципы ис­следований, основанные на комплексном анализе физических, химических и механических процессов контактного взаимодействия. На базе комплекс­ного исследования, моделирования процессов и свойств поверхности долж­ны быть получены критериальные связи, позволяющие конструкторам, технологам и эксплуатационщикам иметь характеристики обобщенных оценок качества поверхности в целях применения их при выборе пар трения.

Важное значение имеет экспериментально-теоретическое исследование теплофизики быстропротекающих процессов трения, охватывающее широ­кий диапазон изменения скоростей, от десятков до нескольких тысяч мет­ров в секунду, при значительных ускорениях поступательного движения тел с продолжительностью процесса трения от сотых долей секунды до нескольких секунд. Необходимо учитывать вязко-пластическое и упруго­пластическое деформирование приповерхностных слоев материалов, неста- ционарность контакта шероховатых тел, глубину слоев, вовлеченных в передеформйрование, нестационарность распределения тепловых потоков, теплоты между трущимися телами, значительное изменение теплофизичес­ких свойств трущихся тел, тепломассоперенос в процессе трения, макро­изменения контакта в результате износа и коробления тел. [42, 48, 49]. Решение указанных задач актуально для создания тормозов, муфт, сцепле­ний в автомобильном, железнодорожном, авиационном транспорте для работы газовых подшипников, направляющих и опор ультрацентрифуг, магнитодинамических подшипников и др. [35, 42, 44, 45, 48].

Появление новых методов и средств определения структуры, строения и состава поверхностных слоев, возникающих в процессе трения, позволяет расширить научные и прикладные исследования в области граничной смаз­ки, химико-физических свойств присадок к маслам. Важным является по­лучение тонких поверхностных пленок на поверхностях трения под влия­нием контактных давлений, температур, временного фактора, химического взаимодействия материалов и смазочных сред, при воздействии окружаю­щей среды. На всех стадиях формирования граничных слоев решающее влияние имеют адсорбционные процессы, кинетика образования и разруше­ния поверхностных пленок. Целесообразно получить реологические урав­нения для граничных смазочных слоев при высоких давлениях, скоростях сдвига, температурах с учетом анизотропии свойств.

Перспективными и важными работами в области теории гидродинами­ческой и контактно-гидродинамической (эластогидродинамической) смаз­ки являются исследования, учитывающие неизотермичность, нестационар - ность контакта, неньютоновское поведение смазочного материала, влияние турбулентности, многофазных течений. Для учета влияния шероховатости поверхностей необходимо использование стохастических моделей. Подле­жат дальнейшему развитию методы оптимизации и моделирования при раз­работке узлов трения машин, смазочных материалов и присадок к ним.

Замена смазочных материалов нефтяного происхождения жидкостями на водной основе позволяет не только сэкономить нефтяные масла, но и обеспечить более высокий теплоотвод и снизить потери на трение.

Подшипниковые узлы с газовой смазкой обеспечивают повышенный ресурс, работоспособны в широком диапазоне температур (от —260 до 1000 С и более), при повышенной радиации и высоких скоростях враще­ния (до 700 тыс. об/мин), в сложных экстремальных условиях. При этом снижаются трение, габариты, металлоемкость, шум, демпфируются вибра­ции, повышается точность и чувствительность приборов [35].

Использование эффекта избирательного переноса в различных системах позволяет получить в зоне трения неокисляющуюся тонкую металлическую пленку с низким сопротивлением сдвигу. Физико-химическая адсорбция и образование химических связей с продуктами механической деструкции углеводородов смазочного материала создают дополнительные антифрик­ционные слои, обеспечивающие низкий коэффициент трения и повышенную износостойкость [2, 22, 30, 34].

Перспективны дальнейшие работы в области магнитоактивных жидкос­тей для уплотнительных устройств. Развивается магнитопорошковый метод смазки узлов сухого трения — метод непрерывной подачи магнитоактивно­го порошкообразного смазочного материала на поверхности деталей трения с помощью неоднородного магнитного поля в целях обеспечения длитель­ной работоспособности механизмов в экстремальных условиях (высокие температуры, вакуум, радиация и т. д.) . Перспективность метода определя­ется: возможностью кардинального увеличения ресурса работы узлов сухо­го трения за счет непрерывного возобновления твердосмазочных пленок на деталях трения; относительной простотой регулирования подачи смазочно­го материала за счет изменения характеристик магнитного поля в зоне подачи смазки; повышением энергонагруженности механизмов вследствие снижения максимальных давлений в формирующейся развитой зоне кон­такта; улучшением акустических и динамических характеристик узлов сухого трения. На примере зубчатых передач экспериментально показано: магнито-порошковый метод смазки по сравнению с традиционными спосо­бами использования твердосмазочных материалов (покрытия, компози­ционные материалы, ротапринт) позволяет повысить (по критерию износа) в 10—20 раз ресурс работы или в 1,5—2 раза энергонагруженность узлов сухого трения.

По данным зарубежной литературы, значительное количество аварий, происходящих в ядерных реакторах, связано с повышенной вибрацией. Вибрация возникает, как правило, вследствие турбулентности потока и пульсаций давления теплоносителя. Фреттинг-коррозия, виброизнос яв­ляются основной причиной повреждения твэлов, конструкций теплообмен­ников и других узлов трения.

Для повышения надежности атомного энергетического оборудования надо развивать трибологические исследования применительно к конструк­ционным и топливным элементам атомной энергетики. Необходимо иссле­довать влияние нейтронного облучения на фрикционное взаимодействие материалов атомной техники, создать специальные антифрикционные покрытия для обеспечения нормального функционирования пары топливо - оболочка в твэлах энергетических водо-водяных реакторов.

Проблема обеспечения длительного ресурса и надежности узлов трения авиационно-космической техники весьма важна в связи со спецификой условий работы — глубокий вакуум, отсутствие кислородной среды, повы­шенный нагрев, большие градиенты полей напряжений, температур, значи­тельные вибрации, облучение, сложность или невозможность применения традиционных смазочных материалов, осложненность проведения ремонта и другие утяжеляющие обстоятельства. Указанная проблема требует особо­го внимания.

Обеспечение работоспособности и надежности уплотнительных устройств имеет часто решающее значение в проблеме ресурса и безотказности машин и механизмов. Комплексная проблема совершенствования уплотнительной техники (герметология) включает создание новых материалов, покрытий, отделочно-упрочняющих технологий, выбор оптимальных конструкций, усилий герметизации в условиях уплотнения различных сред в широком спектре нагружений, вибраций, перепадов температур, в экстремальных условиях. Развитие методов прогнозирования должно основываться на ре­шении контактных задач, учитывающих форму и кривизну макротел и микрогеометрию, упруго-пластические свойства материалов, масштабный фактор, старение материалов и кинетику изменения напряжений и деформаций в герметизируемых стыках уплотнительных уст­ройств. Актуальными являются исследования в области физики истечения жидкостей и газов в микрообъемах гермети­зирующих сопряжений, влияния кривизны вершин неровностей и высотных характеристик профилей на смачиваемость и характер проявления капил­лярных эффектов, динамики процессов герметизации и разгерметизации стыков при многократном нагружении, влияния эксплуатационных фак­торов и совместимости уплотняющих материалов и сред на величину утечек в соединениях во времени.

Успешному созданию и внедрению бесступенчатых регулируемых фрик­ционных передач будут способствовать работы в области получения специ­альных фрикционных жидкостей, позволяющих повысить коэффициент трения во фрикционных контактах и минимизировать износ.

Возросли требования к срокам службы и надежности узлов трения, к уровню нагрузок и температур, скоростей в зоне контакта. Контактные напряжения для локального герцевского контакта определяются условия­ми: 30-40 • 103МПа, температуры от —170 до 2500°С, скорости до несколь­ких-тысяч метров в секунду.

Качество, надежность и долговечность узлов трения машин можно обес­печить посредством развития трибологического материаловедения, приме­нением износостойких и антифрикционных покрытий. Толщина покрытий изменяется от долей микрометров до нескольких миллиметров. Защита тонкого поверхностного слоя массивной детали позволяет сэкономить дорогостоящие легированные стали, цветные металлы и другие дефицитные материалы, успешно решить проблему восстановления изношенных де­талей.

Поверхностные свойства обеспечиваются как нанесением защитного слоя или покрытия, так и преобразованием поверхностного слоя металла при помощи химических, физических, механических методов, диффузион­ным насыщением, методов химико-термической обработки. Активно разви­ваются методы электронно-лучевой и лазерной закалки, вакуумное физи­ческое и химическое напыление износостойких покрытий, ионное азотиро­вание и др.

Химико-термические методы упрочнения поверхности для повышения износостойкости за счет увеличения поверхностной твердости (цементация, азотирование, цианирование, борирование и др. процессы) весьма эффек­тивны для повышения сопротивления абразивному изнашиванию. Для улучшения противозадирных свойств создаются (посредством сульфиди - рования, сульфо-цианирования, селенирования, азотирования) тонкие поверхностные слои, обогащенные химическими соединениями, пред­отвращающими схватывание и задир при трении.. Большой эффект полу­чается при использовании метода карбонитрации. Широко применяются электрохимические методы нанесения покрытий А1, Pb, Sn, Ag, Au и др. При восстановлении деталей (в ремонте) используется электролитическое хромирование, никелирование, железнение и др. Значительная часть техно­логических задач, связанных с необходимостью повышения износостойкос­ти, коррозионной стойкости, жаропрочности, восстановительного ремонта и др. решается при использовании методов металлизации напылением, включающих газоплазменную металлизацию, электродуговую, плазменную, высокочастотную индукционную металлизацию и детонационное напыление покрытий — наносятся металлы и сплавы, оксиды, карбиды, бориды, стек­ло, фосфор, органические материалы. Плазменное напыление используют для нанесения тугоплавких покрытий: окиси алюминия, вольфрама, молиб­дена, ниобия, интерметаллидов, силицидов, карбидов, боридов и др. Дето­национное напыление имеет преимущество в связи с незначительным нагре­вом покрываемой детали и распыляемых частиц. В последнее время актив­но развиваются методы нанесения износостойких покрытий в вакууме: катодное распыление, термическое напыление, ионное осаждение. В зави­симости от реакционной способности газовой среды методы напыления могут быть физическими и химическими. Химические методы напыления в вакууме применяются для нанесения окислов, карбидов, нитридов, бо- ридов и др.

Весьма перспективно применение вакуумных ионно-плазменных мето­дов — с ионным распылением и азотированием, методов КИБ, ПУСК, РЭП, распыление моноэнергетическими пучками ионов, с помощью магнетрон - ных распылительных систем. Износостойкие покрытия из нитридов, кар­бидов, окислов, сложных соединений, алмаза и др., а также антифрикцион­ные покрытия из халькогенидов металлов, полимеров и других материалов наносятся при помощи реактивных методов с участием плазмо-химических реакций. Особенно перспективно применение указанных методов к пре­цизионным парам, насосам, топливной аппаратуре, газовым подшипникам, гидроприводу, точным направляющим и устройствам. Для обработки поверхностного слоя материала в целях повышения износостойкости ис­пользуется ускоренный поток ионизированных атомов с энергией 100— 200 кЭВ в вакууме, с глубиной проникновения ускоренных ионов 0,1 мкм. Ионная имплантация применяется также для изменения триботехнических свойств, повышения коррозионной стойкости и прочности сцепления по­крытия с основой.

При лазерной обработке имеют место высокие скорости нагрева (до 10s) и охлаждения (до 5 • 10®град/с), образование метастабильных фаз, сверхтонкой структуры вещества, пересыщенных твердых растворов, а также может возникнуть аморфная структура. Поверхность можно также насыщать упрочняющими легирующими добавками с высокой скоростью диффузии в жидкой фазе, в отличие от твердой фазы при химико-термичес­кой обработке.

Широким фронтом идут работы в области твердых смазочных материа­лов и антифрикционных покрытий, обеспечивающих уменьшение трения и повышение износостойкости. К твердым смазочным покрытиям отно­сятся твердые вещества: графит, нитрид бора, сульфиды, селениды, тел - луриды, хлориды, фториды, иодиды металлов, окислы металлов, мягкие металлы, органические вещества, пластмассы ПТФЭ, ПЭ, полиамиды и др. Наибольшее распространение получили неорганические слоистые покрытия типа MoS2 и графита.

Наряду с ненаполненными пластмассами (ПЭ, ПТФЭ, полиамиды и др.) в узлах трения широко используются антифрикционные самосмазываю - щиеся пластмассы, содержащие в своем составе антифрикционные, арми­рующие и дисперсные наполнители, широкое применение получили комби­нированные самосмазывающиеся материалы: металлофторопластовые лен­ты, различные ленточные металлопласты, ленты на основе антифрикцион­ных тканей. При помощи методов порошковой металлургии разрабатыва­ются новые классы материалов и покрытий, имеющие повышенную изно­состойкость, жаропрочность, твердость, коррозионную стойкость.

Очень перспективным является использование диселенидов вольфрама, молибдена и ниобия, получаемые при помощи методов порошковой метал­лургии, а также спеченного порошкового материала ВАМК. Эти материалы разработаны в содружестве с отраслевыми институтами и институтами Минвуз СССР.

Разработанные само смазывающиеся материалы нашли применение в ма­шиностроении, приборостроении в виде сепараторов подшипников качения в подшипниках скольжения, шестерен редукторов сухого трения, в виде покрытий для направляющих станков с программным управлением (по­вышение износостойкости станин, снижение автоколебаний, улучшение класса частоты обрабатываемой детали), в виде подмазывающих элемен­тов при горячей прокатке тугоплавких металлов в вакууме. Высокая тех­нологичность разработанных материалов особенно ЭДМА и НАСПАН, а также то, что для изготовления деталей трения не требуется специальных линий, сложной технологической оснастки, все больше привлекает внима­ние промышленности.

Математическое моделирование, закон поверхностного разрушения твер­дых тел при трении в общем случае должны учитывать физические, хими­ческие, механические явления, контактную ситуацию, изменение геометри­ческих характеристик твердых тел во времени, кинематику движения, структуру и состав поверхностных и приповерхностных слоев, образование химических поверхностных соединений, состояние смазочного слоя. Полу­чение уравнений, характеризующих в общем случае процесс поверхностного разрушения при трении, должно базироваться на синтезе эксперимента и математических моделей, учитывающих физико-химические процессы, механику сплошных сред, термодинамику и материаловедческий аспект проблемы. Разрабатываемый теоретико-инвариантный метод расчета по­верхностного разрушения твердых тел при трении основывается на урав­нениях эластогидродинамической и гидродинамической теории смазки, химической кинетики, контактной задачи теории упругости, кинетической теории прочности и учитывает теплофизику трения, адсорбционные и диф­фузионные процессы. Цель данных исследований —в получении из анализа и обобщений экспериментальных результатов критериальных уравнений с широкой физической информативностью структурных компонентов, полезных для решения широкого класса практических задач и необходи­мых для ориентации в направлении постановки последующих экспери­ментальных работ. Исследования в данной области будут углубляться и расширяться по мере развития знаний о физико-химических процессах, протекающих при трении, получения количественных характеристик и развития математических методов, которые обобщают опытные наблю­дения.

Разрабатываемый теоретико-инвариантный метод позволит получить расчетные уравнения, имеющие определенную физическую информатив­ность, раскрывающие качественное и количественное влияние действую­щих факторов физической, химической и механической природы при поверхностном разрушении твердых тел. Дальнейшая задача заключается в обобщении экспериментальных данных и поиске новых информативных критериальных структур на основе экспериментальных и теоретических исследований свойств поверхности на микро - и макроуровнях.

Для различных типов и классов машин должны быть уточнены фактичес­кие нагруженности узлов трения (силовая, тепловая, вибрационная, акус­тическая), научно обоснованы назначения оптимальных зазоров, допускае­мых величин износа сопряжений, разработаны научные основы моделирова­ния, методы и средства, машины, приборы, аппаратура для ускоренных испытаний. Представляется полезной разработка и реализация комплексной программы обеспечения надежности узлов трения на стадии проектирова­ния, включающая создание конструкций, выбор конструкционных и сма­зочных материалов, оптимальной технологии производства и эксплуатации. Для повышения надежности безопасности, экономичности необходимо раз­вивать методы многопараметрической диагностики, состояния, дефекто­скопию узлов трения, особенно для автономных автоматизированных систем. Глубокое изучение механизмов возникновения и кинетики разви­тия отказов, обеспечение систематического регистрирования, накопления фактического материала, выявление причин отказов должны сочетаться с оперативной информацией создателей машин и учитываться при эксплуа­тации.

Большое внимание должно быть уделено организации на ведущих пред­приятиях и в конструкторских бюро специальных служб по триботехнике, ответственных за обеспечение работоспособности и надежности узлов тре­ния машин на всех стадиях проектирования, изготовления и эксплуатации. Для этой цели должны быть выдержаны все аспекты подготовки специа­листов по триботехнике, а также для решения проблемы трения, износа и смазки в машинах [14, 27,35].

Широкое использование ЭВМ для хранения информации, передачи трибо­логических сведений конструкторам, технологам, эксплуатационникам, автоматизированного проектирования узлов трения для гибких автомати­зированных производств, систем технического обслуживания позволит ускорить оперативное и эффективное внедрение достижений трибологии в практику.

Представленный материал не охватывает, естественно, все аспекты влия­ния трибологии (триботехники) на надежность машин. Например, не рас­смотрена трибология в технологических процессах, абразивное изнашива­ние в потоке, несущем твердые частицы и др., однако актуальность реше­ния указанных проблем будет усиливать исключительно важную роль три­бологических (триботехнических) исследований в создании и освоении машин и оборудования.