автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.02, диссертация на тему:Оптимизация трибопараметров подшипниковых узлов и зубчатых передач путем создания новых смазочных материалов, модифицированных ультрадисперсными добавками

доктор технических наук
Терентьев,
Валерий Федорович
город
Красноярск
год
2004
специальность ВАК РФ
05.02.02
Автореферат по машиностроению и машиноведению на тему «Оптимизация трибопараметров подшипниковых узлов и зубчатых передач путем создания новых смазочных материалов, модифицированных ультрадисперсными добавками»

Автореферат диссертации по теме "Оптимизация трибопараметров подшипниковых узлов и зубчатых передач путем создания новых смазочных материалов, модифицированных ультрадисперсными добавками"

На правах рукописи

ТЕРЕНТЬЕВ Валерий Федорович

ОПТИМИЗАЦИЯ ТРИБОПАРАМЕТРОВ ПОДШИПНИКОВЫХ УЗЛОВ И ЗУБЧАТЫХ ПЕРЕДАЧ ПУТЕМ СОЗДАНИЯ НОВЫХ СМАЗОЧНЫХ МАТЕРИАЛОВ, МОДИФИЦИРОВАННЫХ УЛЬТРАДИСПЕРСНЫМИ ДОБАВКАМИ

05.02.02 - Машиноведение, системы приводов и детали машин

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Красноярск 2004

Работа выполнена в Красноярском государственном техническом университете и Научно-исследовательском институте систем управления, волновых процессов и технологий Министерства образования Российской Федерации.

Научный консультант: доктор технических наук, профессор Николай Васильевич Василенко

Официальные оппоненты:

- академик Россельхозакадемии, доктор технических наук, профессор Иван Павлович Ксеневич;

- доктор технических наук, профессор Валерий Дмитриевич Лаптенок;

- доктор технических наук, профессор Владимир Федорович Полетайкин

Ведущая организация: - Научно-производственное объединение

ОАО Корпорация «Компомаш», г. Москва

Защита состоится «Л/ » ¿У .2004 г. в 14-00 на заседании

диссертационного совета Д 212.046.01 в Научно-исследовательском

институте систем управления, волновых процессов и технологий

Министерства образования Российской Федерации по адресу: 660028, г. Красноярск, ул. Баумана, 20-в

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Научно-исследовательского института систем управления, волновых процессов и технологий.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах с подписью составителя, заверенные гербовой печатью организации, просим направлять в адрес диссертационного совета.

Автореферат разослан » 2004 г.

Ученый секретарь __-яя/ '

кандидат технических наук, доцент Н. А. Смирнов

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность исследований. Надежность и работоспособность машин и агрегатов обеспечивается во многом безотказной работой передаточных механизмов и их опор, создающих конструктивное оформление технических устройств. Теории создания и практическому воплощению вращающихся опор и передаточных механизмов посвящено достаточно много работ. Они касаются выбора геометрии зацепления, расчетов и конструкторских решений по созданию зубчатых, червячных, винтовых, волновых и других видов передач. Не меньшее место в исследованиях отводится подшипниковым опорам скольжения и качения, успешная эксплуатация которых обеспечивается оптимальным выбором типа подшипника, научно обоснованными расчетами на прочность и долговечность. Объединяющим началом в этих двух группах деталей машин является выбор смазочного материала и режима смазки, особенно для устройств, работающих в запыленных условиях эксплуатации, и в машинах одноразовой смазки.

Вместе с тем, при эксплуатации подшипников скольжения возникают проблемы, связанные, прежде всего, с созданием условий смазывания, обеспечивающих гидродинамический режим смазки на всех периодах работы. Так как подшипники качения недостаточно долговечны и надежны при высоких скоростях и динамических нагрузках, то они весьма чувствительны к условиям смазки и видам смазочного материала. Работа зубчатых передач сопровождается проскальзыванием контактирующих профилей зубьев, это приводит к возрастанию сил трения скольжения, повышению температуры, уменьшению толщины слоя смазочного материала, вызывает повышенный износ рабочих поверхностей.

Отсюда вытекает основное назначение смазочных материалов, применяемых в вышеназванных опорах и передачах, - снижение сил трения между контактирующими поверхностями, уменьшение износа, оптимальное распределение контактных напряжений, снижение температуры. Вопросам улучшения работоспособности пар трения за счет рационального использования смазочных материалов посвящено также большое количество исследований, касающихся, в частности, разработки материалов с повышенными антифрикционными, противоизносными и противозадирными свойствами.

Однако, в последнее время распространение получили новые смазочные композиции (жидкие и пластичные), в состав которых вводятся ультрадисперсные порошки углерода, алмазографита, металлов и их соединений, полимеров и др., способных создавать в зоне контакта разделительный слой между соприкасающимися поверхностями. Кроме того, твердые и сверхтвердые частицы, входящие в состав смазочных материалов,

РОС, НАЦИОНАЛЬНАЯ I БИБЛИОТЕКА I

могут изменить микрорельеф контактной зоны, что уменьшает давление в них. Все это повышает нагрузочно-скоростные диапазоны работы механизмов, при одновременном снижении интенсивности изнашивания.

Вместе с тем, практически отсутствуют исследования, содержащие рекомендации по теории и практике использования ультрадисперсных добавок в смазочных материалах для опор вращения и передаточных механизмов. В связи с чем, вопросы методики расчета, методологии получения, создания и применения модифицированных смазочных композиций в указанных механизмах являются новыми и актуальными.

Актуальность диссертационной работы определяется тем, что показатели надежности и долговечности работы подшипниковых узлов и зубчатых передач могут быть улучшены на стадии проектирования оптимизацией их трибопараметров (моментов и сил трения, коэффициентов трения, износостойкости и интенсивности изнашивания) путем создания и применения новых смазочных материалов с ультрадисперсными добавками.

Цель диссертационной работы. Повышение функциональных и эксплуатационных характеристик узлов механизмов и машин, содержащих подшипники качения и скольжения, а также зубчатые передачи, применением новых смазочных материалов, модифицированных ультрадисперсными добавками.

Задачи исследований.

Разработать аналитико-численные методы оценки состояния смазочного слоя и расчета подшипников скольжения в стационарном и нестационарном режимах, которые позволят на стадии проектирования и последующей эксплуатации оценить влияние условий смазки и создать смазочные материалы, улучшающие функциональные параметры машин, особенно в опасных режимах работы.

Получить аналитико-эмпирические уравнения долговечности и момента трения подшипников качения с учетом влияния смазочного материала, модифицированного добавками ультрадисперсных наполнителей.

Оценить влияние добавок ультрадисперсных материалов в смазочные композиции на трибопараметры подшипниковых узлов (моменты и силы трения, коэффициенты трения, износ и интенсивность изнашивания).

Выполнить исследования по сравнительной' оценке процесса усталостного разрушения и износа поверхностных слоев профилей зубьев зубчатых передач при применении смазочных композиций с улучшенными антифрикционными и эксплуатационными свойствами, содержащих ультрадисперсные углеродосодержащие добавки.

Создать новые жидкие и пластичные смазочные композиции с угле-родосодержащими ультрадисперсными добавками для подшипниковых узлов и зубчатых передач и выполнить комплекс испытаний по оценке их эксплуатационных свойств в модельных, стендовых и реальных условиях работы.

Исследовать механизм качественного и количественного влияния добавок на основе порошков ультрадисперсных материалов, на трибо-процессы, протекающие в зонах контакта поверхностей деталей подшипниковых узлов и зубчатых передач в условиях, граничной и смешанной смазки.

Научная новизна работы состоит в том, что:

- разработан аналитико-численный метод анализа работы подшипников скольжения, учитывающий реологические свойства смазочного материала, упругие деформации и топографию поверхностей деталей подшипника, конструктивное исполнение и характер нагружения, что позволило получить уравнения движения смазочного материала и уравнения стационарного и нестационарного движений вала подшипника, численным моделированием которых найдены характеристики Схмазочного слоя и установлены траектории движения и смещения оси вала в зависимости от времени;

- предложен метод аналитико-эмпирической оценки долговечности и трибопараметров подшипников качения в зависимости от свойств смазочных материалов, модифицированных ультрадисперсными добавками, позволивший прогнозировать изменение трибопараметров и рабочих характеристик подшипников;

- разработана методика расчета напряжений, давлений и износа в зонах контакта зубчатых передач, учитывающая упруго-пластические деформации поверхностей, покрытых слоем смазочного материала;

- сформулированы концептуальные подходы к созданию новых смазочных материалов, модифицированных ультрадисперсными добавками, включающие в себя рекомендации по материалу ультрадисперсных добавок, размерному диапазону частиц, оптимальной концентрации, технологии изготовления и областям применения;

- созданы новые жидкие и пластичные смазочные материалы с повышенными антифрикционными, противоизносными и противозадир-ными свойствами для применения в подшипниковых узлах и зубчатых передачах в качестве средства, способного улучшить триботехнические и эксплуатационные характеристики;

- получены функциональные зависимости эксплуатационных характеристик созданных смазочных композиций, дающие возможность осуществлять оценку рабочих параметров подшипниковых узлов и зубчатых передач при вариациях скоростных и нагрузочных факторов;

- исследован механизм действия ультрадисперсных добавок в базовых смазочных материалах, что позволило сформулировать рекомендации по улучшению их свойств, обеспечивающих повышенные антифрикционные, противоизносные и противозадирные параметры узлов трения.

Практическая значимость работы. Разработаны методы математического и численного моделирования динамики работы подшипников скольжения и оценки долговечности подшипников качения, которые позволяют на стадии конструкторских решений выработать обоснованные рекомендации по выбору смазочных материалов, обеспечивающих повышенную трибонадежность подшипниковых узлов и зубчатых передач. Созданы пластичные смазочные композиции, содержащие добавки на основе порошков ультрадисперсных материалов, прошедшие широкий спектр испытаний по оценке эксплуатационных, антифрикционных и противоизносных свойств и апробированные в производственных условиях. Получены жидкие смазочные материалы с добавками из порошков ультрадисперсных материалов, показавшие высокие триботехнические и эксплуатационные свойства в ходе лабораторных, модельных и натурных испытаний. Разработаны оригинальные методики и оборудование по исследованию эксплуатационных и трибо-технических свойств смазочных материалов, а также оценке работы подшипниковых узлов и зубчатых передач. Результаты работы внедрены на ряде промышленных предприятий.

На защиту выносятся:

Методы аналитико-численного анализа поведения слоя смазочного материала, стационарного и нестационарного движений вала подшипника скольжения, позволяющие учесть конструктивные особенности подшипниковых узлов, характер нагружения, свойства смазочного материала, упругие характеристики и состояние контактирующих поверхностей.

Методики расчета и прогнозирования долговечности работы подшипников качения в присутствии смазочных материалов, модифицированных добавками порошков ультрадисперсных материалов, а также алгоритмы оценки изменения важнейшей трибохарактеристики подшипников качения - момента трения - в зависимости от свойств модифицированных ультрадисперсными добавками смазочных материалов.

Результаты комплексных исследований по оценке эксплуатационных и триботехнических параметров цилиндрических зубчатых передач посредством применения разработанных смазочных материалов с ультрадисперсными добавками.

Рекомендации по созданию жидких и пластичных смазочных материалов, модифицированных ультрадисперсными добавками, а также результаты исследований по установлению их реологических, эксплуатационных и триботехнических свойств.

Результаты экспериментальных оценок трибопараметров подшипниковых узлов и зубчатых передач, работающих в смазочных материалах, модифицированных ультрадисперсными добавками, в условиях модельных стендовых и эксплуатационных испытаний.

Данные исследований механизма количественно-качественного действия добавок на основе порошков ультрадисперсных материалов по улучшению триботехнических свойств смазочных композиций, применяемых в подшипниковых узлах и зубчатых передачах общего назначения.

Достоверность результатов исследований по оценке трибопараметров подшипников качения, динамике движения вала подшипников скольжения, рабочих характеристик зубчатых передач, коэффициентов трения, сил и моментов трения, износостойкости материалов достигается за счет использования испытательного и регистрирующего оборудования, позволяющего с достаточной точностью осуществлять измерения требуемых параметров в процессе испытаний, а также обработки , полученных результатов с применением современных средств вычислительной техники и программного обеспечения.

Методы исследований. Были использованы положения теории гидродинамической смазки, теории и методов расчета долговечности подшипников качения, теории износостойкости и выносливости зубчатых зацеплений, теории трения, износа и смазки, методов экспериментальной механики, теории экспериментов, теории дифференциальных уравнений, методов и средств аналитико-численного моделирования.

Апробация • работы. Основные положения работы рассматривались на XI Международном симпозиуме по механохимии и механоэмиссии твердых тел (Чернигов, 1990 г.), 6-й международной конференции - выставке «Технология ремонта, восстановления, упрочнения и обновления машин, механизмов, оборудования и металлоконструкций (Санкт-Петербург, 2004)», международной научно-технической конференции «Проблемы обеспечения качества изделий в машиностроении» (Красноярск, 1994 г.), второй международной конференции «Износостойкость машин» (Брянск, 1996 г.), межрегиональной конференции с международным участием «Ультрадисперсные порошки, наноструктуры, материалы» (Красноярск, 1999 г.), Всероссийской научно-технической конференции «Перспективные материалы, технологии и конструкции» (Красноярск, 1999 г.), Всероссийской научно-технической конференции «Ультрадисперсные порошки, наноструктуры, материалы» (Красноярск, 2003 г.), Всероссийской научно-практической конференции «Инновации в машиностроении» (Пенза, 2003 г.), научно-технических семинарах по машиноведению и триботехнике в Красноярском государственном техническом университете (1998-2003 гг.).

Работа выполнялась в рамках федеральной целевой программы «Интеграция науки и высшего образования России на 2002-2006 гг.», проект № Б 0017/850 «Развитие интеграции академической и вузовской науки в рамках Красноярского научно-образовательного центра высоких технологий»; комплексной межвузовской программы «Алмазные

нанотехнологии» (1992-1994 гг.); региональной научно-технической программы «Экология, новые технологии и материалы Красноярского края» (1993-1994 гг.); межвузовской программы «Университеты России», раздел «Фундаментальные исследования в технических университетах», подраздел 2.6 «Проблемы создания спецтехники» (1994-1995 гг.).

Результаты исследований внедрены во ФГУП «Красноярский машиностроительный завод», ОАО «Красноярский завод лесного машиностроения», ОНО «Красноярский опытный завод ГОСНИТИ», ФГУП «Красноярская железная дорога», ОАО «Красноярская ГРЭС-2», ОАО «РОЛТОМ», ЗАО «Томские трансмиссионные системы», ОАО «Верхневолжские магистральные нефтепроводы», ОАО «Хакасэнерго», ОАО «Березовский угольный разрез».

Научные разработки используются в учебном процессе при подготовке специалистов специальности «Триботехника», а также при преподавании дисциплин, связанных с конструкторской подготовкой студентов механического профиля. По результатам научных исследований под руководством соискателя защищено 3 диссертации на соискание ученой степени кандидата наук по тематике, совпадающей с научными исследованиями, представленными в данной работе.

Личный вклад автора. Автору принадлежит постановка проблемы и задач данного исследования, обоснование, формулировка и разработка всех положений, определяющих значимость работы, формулировка задач теоретических и экспериментальных исследований, участие в экспериментальных исследованиях, анализ и обобщение результатов, формулировка выводов и заключений для принятия решений.

При решении отдельных задач принимали участие работающие под научным руководством автора С. Г. Докшанин и А. Е. Митяев (защищены кандидатские диссертации). Автор выражает признательность за помощь и поддержку сотрудникам кафедры «Теоретическая механика и триботехника» Красноярского государственного технического университета; лично д-ру физ.-мат. наук, проф. Н. В. Еркаеву, доц., канд. техн. наук С. И. Щелканову, проф., канд. техн. наук В. Е. Редькину, проф., канд. техн. наук Б. И. Ковальскому.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 50 научных работ, в том числе 2 монографии, 1 справочное пособие, 1 патент и 1 авторское свидетельство.

Объем и структура диссертации. Материалы диссертационных исследований представлены на 407 страницах основного текста, включающих 102 рисунка и 26 таблиц. Работа состоит из введения, 7 разделов, основных выводов, библиографического списка из 386 наименований, 17 приложений.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении дана общая характеристика работы, обоснована ее актуальность, поставлены цели и задачи исследований. Сформулированы основные положения, выносимые на защиту, научная новизна и практическая значимость полученных результатов.

Первый раздел посвящен анализу исследований, направленных на определение путей и возможностей повышения надежности и долговечности работы подшипниковых узлов и зубчатых передач за счет оптимизации трибопараметров улучшением условий смазки и характеристик смазочных материалов модифицированием их ультрадисперсными добавками.

С этой целью выполнен анализ работ, касающихся обоснования гидродинамического режима смазки подшипников скольжения, как непременного условия их успешной работы. Проблемами теории гидродинамической смазки занимались Н. Е. Жуковский, А. Зоммерфельд, Н. П. Петров, О. Рейнольде, С. А. Чаплыгин и др., которыми в результате ряда допущений была рассмотрена линейная задача. В последующем они были развиты в нелинейных задачах работами Е. М. Гутьяра, М. В. Коров-чинского, Л. С. Лейбензона, Н. И. Мерцалова, А. К. Никитина.

Результаты многочисленных исследований показали, что уточнение гидродинамической теории смазки требует учета упругих характеристик и состояния поверхностей деталей подшипников скольжения. В этом направлении можно отметить работы К. С. Ахвердиева, А. Г. Бургвица, М. А. Галахова, А. М. Гуткина, А. К. Дьячкова, Д. С. Коднира, М. В. Коровчинского, В. Н. Константинеску, И. В. Сайчука, И. Я. Токаря, П. П. Усова, С. А. Чернавского и др.

В целом, можно констатировать, что уточнение теории гидродинамической смазки позволит оценить в экстремальных условиях работы подшипников скольжения возможность существования траничной смазки, негативные последствия которой можно нейтрализовать соответствующим подбором смазочных материалов, универсально работающих в нескольких режимах.

Далее представлен анализ работ по оценке ресурса подшипников качения с учетом влияния смазочного материала. Показано важнейшее значение смазочных материалов, условий смазки. Этой точки зрения придерживаются К. Г. Ган, Л. М. Заитов, О. П. Леликов, ведущие фирмы -производители подшипников качения - SKF (Швеция), FAG (Германия), NSK (Япония). Вместе с тем, расчеты на долговечность нуждаются в уточнении, особенно с позиций прогнозирования долговечности работы подшипников качения в зависимости от свойств смазочных материалов, модифицированных добавками.

Смазочные материалы в зубчатых зацеплениях весьма существенно влияют на основные показатели их работы: изгибную и контактную прочность, износостойкость, явления заедания и задира. На это указывают А. И. Петрусевич, Д. Н. Решетов, Г. К. Трубин, Л. Д. Часовников и другие ученые. Рационально подобранные смазочные материалы способствуют снижению сил трения между контактирующими поверхностями, уменьшению износа, оптимальному распределению контактных напряжений.

Проблеме улучшения эксплуатационных свойств смазочных материалов посредством введения функциональных добавок посвящено большое число исследований. В этом направлении широко известны ученые ' Н. А. Буше, Д. Н. Гаркунов, Д. Кламан, Р. М. Матвеевский, В. В. Синицын, И. Г. Фукс, которыми выполнены многочисленные и - разносторонние исследования влияния присадок различной природы на эксплуатационные и триботехнические свойства базовых смазочных материалов. Вместе с тем оказалось, что традиционные добавки в смазочные материалы не всегда оказывают положительное действие, проявляя чаще всего избирательный эффект.

В этой связи в настоящее время внимание исследователей привлекли ультрадисперсные добавки, которые придают смазочным материалам улучшенные антифрикционные и противоизносные свойства, не меняя существенно их реологические характеристики. В этом направлении широко известны работы таких исследователей, как П. А. Витязь, Б. М. Гинзбург, И. О. Деликатная, В. М. Кремешный, М. И. Люты, Г. В. Сакович, Д. Г. Точильников и др. Однако, в известной нам литературе не приведено системных исследований по оценке триботехнических свойств жидких и пластичных смазочных материалов, модифицированных добавками на основе порошков ультрадисперсных материалов, применительно к подшипниковым узлам и зубчатым передачам.

Во втором разделе диссертационной работы исследуется гидродинамический режим работы цилиндрических подшипников скольжения методами аналитико-численного моделирования поведения смазочного слоя и движения вала подшипника с учетом реологических свойств смазочного материала, упругих характеристик материала, волнистостей поверхностей и конструктивных особенностей подшипникового узла, условий его эксплуатации. Существующие методы расчета таких подшипников основаны на интегрировании уравнений Рейнольдса, полученных из уравнений Навье -Стокса. Здесь обосновывается возможность применения реологии смазочных материалов, подчиняющихся гипотезе Ньютона.

Общие уравнения динамики несжимаемой жидкости в ньютоновской реологии имеют вид

ЗУ - - - -Р~ +рУ-УУ + УР = Р + <Иу(1лУУ), сНУ(К) = О,

где р - плотность жидкости;

V- вектор скорости единицы объема; t - время;

Г— вектор внешней силы, действующей на единицу объема.

Из уравнения (1) следует уравнение, определяющее изменение удельной кинетической энергии движущегося смазочного материала:

р—(У2/2) + рУ-У(У2/2) =Г-У +6м(Р) У . дг

Баланс полной энергии определяется дифференциальным уравнением

где и— удельная внутренняя энергия;

д — распределенный по объему источник тепла. Выполнив ряд преобразований, получаем уравнение баланса тепла:

ц 5 (дГ, ЭГЛ2 1 .. .

д1 2рст дх1) рст

где ^ температура;

- удельная теплоемкость;

— коэффициент теплопроводности.

Уравнения (1)-(4) позволяют описать течение тонких слоев смазочного материала между заданными цилиндрическими поверхностями в полугеодезических криволинейных координатах Ь, 8, И, связанных с одной из цилиндрических поверхностей.

Если далее выполнить процедуру перехода к безразмерным величинам введением нормировочных коэффициентов, то удается получить уравнения движения смазочного слоя в форме, пригодной для последующих процедур численного моделирования:

где Re - число Рейнольдса;

и, V, — проекции безразмерных скоростей; и, / и 5 - текущие координаты;

- параметр длины; П - безразмерное давление;

Рп — безразмерные компоненты внешней силы; ц - безразмерная вязкость; gs — метрический коэффициент. Дополнив уравнения (5) уравнением неразрывности и использовать закон сохранения потока массы, можно перейти к известному уравнению Рейнольдса в безразмерных параметрах, удобному для численного моделирования гидродинамических процессов в подшипнике скольжения:

а>) сфгр 81) аЛ ' ег ' 81

В ходе исследования была выполнена оценка гидродинамического контакта в подшипнике скольжения с учетом упругого слоя. При этом предполагалось, что смазочный материал имеет постоянную плотность, вал подшипника и его опора абсолютно жесткие, вкладыш подвержен упругой деформации. Кроме того, вал близок по форме к круговому цилиндру радиуса Ло, а тонкий упругий слой характеризуется постоянной толщиной а и заданным радиусом кривизны его внутренней поверхности. Был введен также параметр А„ равный разности радиусов кривизны: в предположении, что . Расчеты целесообразно

выполнять в полярных координатах с центром, расположенным на оси вала.

Учитывая упругую деформацию 4 вкладыша, толщина зазора между цилиндрическими поверхностями равна

где - переменная величина, характеризует радиальные упругие перемещения поверхности вкладыша; г - есть расстояние от точки пересечения осей ХУ.

В цилиндрическом подшипнике скольжения в качестве масштаба длины можно принять радиус внешнего цилиндра Я. Скорость течения, смазочного материала целесообразно нормировать к линейной скорости вращения точек вала на его поверхности. Тогда уравнение (6) принимает вид

Удельное давление д определится интегрированием уравнения (8) по параметру и дальнейшим использованием нулевого граничного условия для производной давления.

При численном решении уравнения (8) удобнее перейти к новой переменной s, которая изменяется в фиксированном интервале от нуля до единицы по зависимости

Л = Д0 - г + % = Н0 - Л, - лсоз(ф) + ^ +Л,0(л2 /Л,2), (7)

Тогда из уравнения (8) с учетом (9) получим:

3? _ ^ г ^ X(соэСу + д (9+у))) - соБру)) - а д 05 (1-Х. собОУ + з(9+у)) + ад)3

На рисунке 1 представлены результаты численного решения по определению безразмерного давления д и толщины смазочного слоя Н

при относительном смещении вала X = —0,1, нормированном коэффициенте податливости вкладыша а = 0,1 при полном заполнении зазора. Следует отметить, что толщина смазочного слоя носит переменный характер, достигая критических величин, при которых возможен его разрыв.

Результаты численного моделирования стационарного режима работы подшипника скольжения при неполном заполнении- зазора смазочным материалом представлены на графике (рисунок 2). Характер кривых при других значениях Я, а, Л сохраняется. Однако максимальные значения давления возрастают с увеличением коэффициента заполнения.

Рисунок 1 - Распределение безразмерного давления и толщины слоя смазочного материала при

1,5-1-1-1-1-1-1-г

Рисунок 2 - Распределение безразмерного давления и толщины слоя смазочного материала при

Оценку траекторий движения вала произведем на основе асимптотического анализа его нестационарных движений вала в зазоре цилиндрического подшипника скольжения с учетом тонкого упругого вкладыша при постоянной внешней нагрузке.

Расчетная схема показана на рисунке 3. Здесь декартова система координат ХУ неподвижна, а Х'Т может менять ориентацию в зависимости от смещения вала. Начала подвижной и неподвижной систем координат предполагаются совпадающими.

Рисунок 3 - Гидродинамический подшипник скольжения с упругим вкладышем

Нестационарное уравнение Рейнольдса в подвижной системе координат принимает следующую форму:

Дифференциальные уравнения движения оси вала в проекциях на оси X, У имеют вид

где и - масса вала и постоянная внешняя сила, отнесенные к единице длины вала. Переходя к безразмерному давлению д, получаем выражения:

Коэффициенты F'x, F'f зависят от параметров, характеризующих

положение вала к, 8, а также от скоростей dkl dt и dS/dt. Линеаризуя зависимости (13), можно записать:

бцсоЛр3

1 , dk ,, d5 dt dt)

F' = 1 у

^^c^k + b^ —+ Ъък — .(14)

Коэффициенты в правых частях равенств (14) определяются из решения уравнений Рейнольдса. Расчеты показывают, что коэффициенты Ь& и d\ малы по сравнению с Ъ\ и <4. Последние будем называть коэффициентами радиального и азимутального демпфирования, а параметры С5 и С\ - коэффициентами жесткости.

Смещения центра вала вдоль осей X, У связаны с относительным радиальным перемещением к и азимутальным углом 5 соотношениями:

Х-~А >.sin(5), У = -Д Xcos(S).

Дифференцируя равенства (15) по времени и преобразуя их, находим уравнения, определяющие радиальное и азимутальное ускорения оси вала:

d2\ ,{d а]2

= -схк -K^f + Fcos(5).

Здесь F - безразмерная внешняя сила, связанная с размерной силой /*о соотношением нормировки: Fo = бцоЛ^/Д2; е — безразмерный малый

параметр,

Уравнения (16) содержат сингулярный малый параметр е при старших производных. Решение такой системы можно представить в виде суммы двух асимптотических рядов, где первые слагаемые представляют собой регулярные части асимптотики, а вторые содержат пограничные функции, описывающие быстрые движения. В нулевом приближении после преобразований удается получить систему уравнений по определению коэффициентов асимптотических рядов, из которых после приведения системы к нормальному виду и исключения времени следуют уравнения, определяющие траекторию движения оси вала.

Их решение производится применением формулы разложения Тейлора в окрестности точки покоя и использованием собственных значений матрицы Якоби правых частей квадратных уравнений. Численное интегрирование статических уравнений Рейнодьдса позволяет определить коэффициенты жесткости ( с&, сх) и демпфирования (Ьх., смазочного слоя.

Расчеты выполнялись в предположении ньютоновской реологии смазочных материалов, отсутствия турбулентных явлений в смазочном слое, средних значений нагрузочно-скоростных режимов (параметры Р и РУ). На рисунке 4 показаны траектории движения оси вала для различных начальных условий при постоянной внешней силе Ж и абсолютной жесткости вала и подшипника. Координаты нормированы к параметру Д, равному разности радиусов цилиндров.

1,01-Г|-1-1-1-

Рисунок 4 - Траектории перемещения оси вала в отсутствие вкладыша при постоянной внешней силе /"= 3 и начальном положении оси вала Ко = 0

Результаты численного моделирования движения оси вала позволяют утверждать, что в процессе работы подшипника скольжения, будут иметь место области опасного сближения сопряженных поверхностей цапфы вала и подшипника, в которых возможен разрыв смазочного слоя с переходом режима гидродинамической смазки в контактно-гидродинамическую и далее в граничную. В этом случае модифицированный смазочный материал с функциональными добавками, работает в режиме граничной смазки при возможном фрикционном контакте подшипниковой пары трения, обеспечивая ее защиту.

Y -:-1-:-1--Г

Рисунок 5 - Траектории перемещения оси вала при наличии вкладыша а = 0,005., постоянных силах и У0 = 0

На рисунке 5 приведены результаты численного моделирования траектории движения оси вала при наличии упругого вкладыша (а = 0,005). Переход к стационарному состоянию происходит в режиме колебаний с затуханием. При достаточно большой нагрузке переходный процесс становится апериодическим.

Весьма важное влияние на состояние смазочного слоя оказывает волнистость поверхности вала. Для ее оценки на основании уравнения Рейнольдса, в котором волнистость описывается функцией

£(<P) = /o-cos(»v<p)>

следует уравнение для толщины и давления смазочного слоя

|i =(0-V)x

X (cos (4/ + j (G - v))) - cos(v)) - а? + - • /0 (cos m0 • (V + i(ö- v))) - cos(m„ • у))

•'x_:_ffi_;_,

(1 - X cos (y + s (0 - у)) + a q+/0 cos m0 • (y + s (в -у)))5

где fo — допуск на овальность детали; то - отклонения от цилиндричности.

Решение уравнения методом Рунге - Кутта представлено на графике (рисунок 6).

Как видно, толщина смазочного слоя заметно меняется. Ее колебания около базовой кривой составляют величины порядка 10 %.

Рисунок 6 - Изменение толщины смазочного слоя

Представленный анализ подтвердил предположения о возможности разрыва смазочного слоя, что может привести к явлениям задира. Разрыв смазочного слоя, приводящий к режиму граничной смазки, можно компенсировать модифицированными смазочными материалами, присадки и добавки которых образуют граничные пленки на' контактирующих поверхностях вала и подшипника, способные предотвратить указанные вредные явления.

В третьем разделе диссертационной работы предложено обоснование оптимизации трибопараметров подшипников качения за счет применения смазочных материалов, модифицированных ультрадисперсными порошками.

Применение ультрадисперсных материалов различной природы в базовых смазочных материалах может заметно - повлиять на значение коэффициента смазки и материала, а также величину момента трения. В качестве ультрадисперсного материала брался порошок ультрадисперсного алмазографита. Его оптимальное содержание определялось по оценке величины момента трения качения в подшипниковых узлах качения различной конструкции. В общем подходе кривые зависимости момента трения от концентрации порошка ультрадисперсного алмазографита имеют вид, представленный на рисунке 7. Кроме того, они сохраняются при использовании других ультрадисперсных материалов в смазочных композициях.

К.Н.м06 |_

0,5 1,0 2,0 3,0 40 5,0 к~%

Рисунок 7 — Зависимость момента трения в подшипнике качения от концентрации порошка ультрадисперсного алмазографита

Системная оценка влияния смазочных композиций может быть подкреплена моделированием трибопараметров подшипников качения в присутствии смазочных композиций с порошками ультрадисперсных материалов. Процесс подбора аппроксимирующей зависимости основывался на результатах экспериментов и осуществлялся в два этапа. На первом выбирался ее вид, на втором определялись параметры. Правильность подбора и возможность ее применения для описания экспериментальных зависимостей проверялась методом выравнивания.

Для подтверждения высказанного предположения о взаимосвязи момента трения с процентным содержанием алмазографита, а также ее рассмотрения в виде совокупности условий работы подшипников качения была найдена эмпирическая зависимость для пластичного

смазочного материала Литол-24 с добавками ультрадисперсного алмазографита. Определение коэффициентов, входящих в уравнение, аппроксимирующее зависимость , возможно на основе обработки

результатов экспериментальных данных методом выбранных точек.

Тогда в общем случае уравнение примет вид

Определение этих параметров производится по известным выражениям:

/(а, Ь,с) = а-— +

Уравнение (18) в общем подходе позволяет производить оценку влияния порошков ультрадисперсного алмазографита на закономерность изменения момента трения при рассмотрении различных вариаций входящих в него коэффициентов.

Увеличение значения коэффициента а при неизхменных Ь и с повышает величину момента трения и наоборот. Такое изменение момента трения наблюдается при варьировании частоты вращения внутреннего кольца подшипника качения. При снижении величины коэффициента Ь при неизменных коэффициентах а и с значение момента трения при минимальной концентрации резко возрастает. Повышение коэффициента Ъ вызывает обратный эффект. При этом в зонах, отвечающих оптимальной концентрации порошка ультрадисперсного алмазографита, его дальнейшее увеличение практически не изменяет величины момента трения. При уменьшении коэффициента с в случае неизменных коэффициентов а и Ъ происходит снижение момента трения до минимального значения при оптимальной концентрации и, наоборот, при увеличении коэффициента с.

Основываясь на результатах экспериментов и математической оценке полученной зависимости, рассматриваемую формулу можно охарактеризовать следующим образом. Если изменения коэффициентов представить параметрами работы подшипникового узла, то надо полагать, что коэффициент а определяет зависимость смазочного материала от его вязкости Ду), коэффициент Ь — зависимость от температуры ДТ), коэффициент с - зависимость от контактной нагрузки в зоне контакта тел качения.

Исходя из представленных объяснений о влиянии концентрации порошка ультрадисперсного алмазографита в пластичном смазочном материале на момент трения в подшипнике качения уравнение (18) может быть представлено в виде

где - концентрация порошка ультрадисперсного алмазографита в пластичном смазочном материале;

^2) ^з - коэффициенты пропорциональности;

Ду) - функция вязкости смазочного материала;

- функция изменения температуры;

- функция нагрузки в зоне контакта.

Наличие коэффициентов пропорциональности обусловлено выполнением условий существования кривой, описывающих рассматриваемую зависимость М-^ —

Уравнение (20) в общем подходе является функцией четырех переменных. Однако, если рассматривать конкретные условия эксплуатации подшип-

никовых узлов, то можно в первом приближении полагать функции вязкости ДУ)., температур ы/[Т):, нагрузки До) величинами постоянными. Это позволяет осуществить оптимизацию значения момента трения варьированием одной переменной - концентрацией ультрадисперсной добавки.

В работе выполнен процесс оптимизации численным методом поиска оптимума на базе подходов, предложенных Фибоначчи. Была установлена область минимальных значений момента трения. которая соответствовала данным экспериментов и отвечала концентрациям ультрадисперсных материалов в интервале 0,2-0,8 % по массе.

Для оценки ресурса работы подшипников качения с учетом действия модифицированных смазочных материалов, в основу была положена концепция возможного выхода из строя подшипников качения, которая базируется на контактно-гидродинамической теории смазки. Было целесообразно проведение скорректированного расчета ресурса работы подшипников качения с учетом уровня требуемой надежности, свойств смазочного материала и конкретных условий эксплуатации посредством известной формулы долговечности.

Для пластичных смазочных материалов в расчетах на долговечность предлагается учитывать вязкость дисперсной фазы. Было установлено, что внесение порошка ультрадисперсного алмазографита в масла и масляные смеси приводит к повышению их кинематической вязкости на 5-7 %.

С учетом высказанного найдено отношение фактической вязкости масляной смеси V, к необходимой для создания контактно-гидродинамического режима V). Аналитическая зависимость имеет вид

где Кп — концентрация добавки.

Аппроксимирующая аналитическая зависимость изменения корректирующего коэффициента смазки а23 может быть представлена выражением

Подбирая процентное содержание добавки порошков ультрадисперсных материалов в смазочной композиции, можно говорить о корректировке ресурса работы подшипникового узла, следуя зависимостям по определению ресурса работы и момента трения в подшипнике качения:

ЛТ = — = 0,82 • е0,036*"

а2з = 1,285 -е

0,0534 лг.

Таким образом, в третьем разделе диссертационной работы нами обоснована оценка долговечности работы подшипников качения с учетом свойств смазочного материала, показана целесообразность применения смазочных композиций с добавками на основе порошков ультрадисперсного алмазографита, представлены результаты математического моделирования влияния предлагаемых добавок на эксплуатационные и триботехнические характеристики подшипников качения.

В четвертом разделе диссертации рассматривается аналитическое определение напряжений давлений и износа в зоне контакта зубьев зубчатых зацеплений с учетом упругопластических деформаций контактирующих поверхностей в присутствии смазочного материала. Расчетная схема для определения напряжений представлена на рисунке 8.

Рисунок 8 - Расчетная схема качения тела по вязкоупругому основанию

Расчетная формула имеет вид

где Е - модуль упругости;

/ — длина площади контакта;

х - расстояние до точки приложения равнодействующей силы; Р - действующая сила;. Ф - угол наклона к нормали; V - коэффициент Пуассона; - текущий радиус кривизны.

Распределение контактных напряжений, согласно приведенной формуле, представлено на рисунке 9.

Рисунок 9 - Распределение напряжений и сил трения по длине контакта

Максимальное растягивающее напряжение ар находится в точке а и может быть получено из выражения

где / ■- коэффициент трения.

Силы трения направлены по общей касательной к контактирующим поверхностям. Усталостные разрушения начинаются с поверхностей трения. Их можно уменьшить применением смазочных композиций, которые, снижая силы трения, модифицируют поверхности, уменьшая контактные нагрузки, а, следовательно, и напряжения в материале.

В работе были определены усилия, действующие по линии зацепления зубчатой передачи. Их распределение представлено на графике (рисунок 10).

Рисунок 10 - Изменение касательных усилий по длине контакта

Можно отметить, что наибольшие касательные усилия Т наблюдаются в зонах, расположенных в окрестностях концов линии контакта. Их величина определяется при фиксированной действующей нагрузке главным образом коэффициентом трения скольжения в зоне контактирующих поверхностей. В свою очередь значение коэффициента трения скольжения- можно корректировать действием смазочного материала.

Оценка интенсивности изнашивания зубчатых колес в общем подходе может быть произведена по предложенной Ю. Н. Дроздовым зависимости

где - коэффициенты регрессионных зависимостей смазочного

Сн - нормальное контактное напряжение;

НВ - твердость материала зубчатого колеса по Бринелю;

Рс - давление окружающей газовой среды;

Ры> - давление насыщенных паров при критической температуре;

Тк - максимальная температура в контакте;

Ткр - критическая температура для рассматриваемого смазочного материала.

Построенные кривые регрессии и поля корреляции дают возможность на стадии проектирования осуществлять выбор смазочного материала со свойствами, обеспечивающими минимальный износ при заданных нагрузочно-скоростных режимах.

В пятом разделе диссертационной работы обосновано применение пластичных смазочных композиций с добавками на основе ультрадисперсных порошков. Представлен комплекс их испытаний по оценке эксплуатационных и триботехнических свойств, применительно к подшипниковым узлам.

Наиболее употребительными являются углеродосодержащие ультрадисперсные порошки, фуллерены и фуллероноподобные структуры, ультрадисперсные металлы и их оксиды, ультрадисперсные керамики на основе нитридов и оксинитридов переходных металлов и т. д. Их применение в смазочных материалах, как правило, сопровождается положительным эффектом.

Для эффективного применения ультрадисперсных материалов на основе порошков ультрадисперсного алмазографита необходимо определить оптимальную концентрацию их в смазочных композициях. Она оценивалась по величине момента трения, являющегося интегральным показателем триботехнических характеристик. Полученные данные (рисунок 7) свидетельствуют о том, что при концентрации порошка от 0,25 до 2,5 % момент трения достигает минимума, дальнейшее повышение концентрации ведет к плавному росту момента трения. В результате выполненных исследований создан смазочный материал с улучшенными противоизносными и антифрикционными свойствами, новизна которого защищена патентом РФ.

материала;

Далее были исследованы триботехнические и эксплуатационные свойства пластичных смазочных композиций в условиях, моделирующих работу подшипников качения и скольжения. Прежде всего, оценивались антифрикционные свойства смазочных композиций. Для выявления влияния добавки на антифрикционные свойства была выбрана смазочная композиция Литол-24 с добавкой 1 % порошка ультрадисперсного алмазографита от массы смазочного материала.

Значения момента трения, полученные при различных нагрузках для пластичного смазочного материала Литол-24 и смазочной композиции Литол-24 + 1 % УДПАГ, представлены на графиках (рисунок 11). Одновременно определены зависимости коэффициента трения /ТТ от изменения нагрузки на образцы, показанные на рисунке 12.

По нашему мнению, в зоне контакта при незначительных нагрузках преобладает трение, обусловленное контактированием поверхностей, не модифицированных смазочным материалом. По мере, возрастания нагрузки в зоне контакта интенсифицируется процесс модификации контактирующих поверхностей и трение основного материала заменяется трением защитных пленок. Значение коэффициента трения снижается в 2-3 раза.

В ходе испытаний были оценены противоизносные свойства смазочных композиций. На рисунке 13 показаны закономерности зависимостей линейного износа. от нормальной нагрузки. Анализ свидетельствует, что добавка порошка ультрадисперсного алмазографита в пластичный смазочный материал уменьшает величину износа, снижает интенсивность изнашивания контактирующих поверхностей на 20-40 % в идентичных условиях эксперимента.

■|Ц.р,Н-мо,46 0,45 0,44 0,43 0,42 0,41 0,40

1 - 980 об/мин; 2 - 1880 об/мин; 3-2860 об/мин; 4- Литол-24, л = 1880 об/мин Рисунок 11 - Зависимость момента трения в подшипнике качения от нагрузки

¡.| ; : ; 1

Ч \ \\ \\ --------— ■ • ' ! : ' ] 1

; .1 ! 1 1 : ........-4.........-■■•■!

1 - смазочная композиция; 2 - Лигол-24 Рисунок 12 - Изменение коэффициента трения от нагрузки

1 - смазочная композиция; 2 - Литол-24 Рисунок 13 - Зависимость износа от нагрузки

Поверхности образцов, испытанных в различных силовых режимах нагружения, были подвергнуты металлографическим исследованиям. Установлено, что добавки порошка ультрадисперсного алмазографита оказывают значительное влияние на состояние микрорельефа поверхностей трения. Наблюдается заметное снижение количества раковин, царапин, следов адгезионного износа. Шероховатости поверхностей, полученных при трении в присутствии смазочной композиции, соответствуют более высокому классу чистоты, нежели поверхностей, полученных в тех же условиях в присутствии чистого базового смазочного материала Литол-24.

Температурный режим оценивался по рабочей температуре на поверхности наружного кольца подшипника качения. На рисунке 14 представлен график изменения температуры от времени работы для режима нагружения Г„ = 1 кН. Как видно, применение смазочных композиций снижает рабочие температуры. Основной причиной следует полагать влияние частиц графита, который обладает довольно низким коэффициентом трения, уменьшая силы трения между деталями подшипника качения и, как следствие, температуру саморазогрева подшипника.

Износ подшипников качения оценивался по массовому износу внешнего кольца. Испытания проводились с коническим роликовым подшипником серии 7208. Они показывают (рисунок 15), что добавка порошка ультрадисперсного алмазографита приводит к снижению износа наружного кольца в сравнении со смазочным материалом Литол-24 в 1,5—2,2 раза. Эта тенденция сохраняется и при ужесточении эксплуатационных режимов.

1 — Литол-24; 2 - смазочная композиция Рисунок 14 - Графики изменения рабочей температуры подшипника от времени работы

И, МГ 4,5 --------

30 60 90 120

Время, Ч

/ - Литол-24; 2 - смазочная композиция Рисунок 15 - Зависимость износа от наработки в коническом роликоподшипнике при радиальной нагрузке = 1 кН

В заключение раздела рассмотрен механизм действия порошков ультрадисперсного алмазографита в пластичных смазочных композициях. Отмечается, что действие ультрадисперсных добавок эффективно в условиях граничного и смешанного трения, когда во взаимодействии с базовым смазочным материалом и материалом контактирующих поверхностей деталей подшипника образуются пленки первичных и вторичных структур, снижающие силы трения и величину износа деталей подшипников. Кроме того, наличие алмазных включений ускоряет процесс приработки поверхностей в зонах контакта, оптимизируя его микрорельеф, что приводит к равномерному распределению давления по контурным площадям контакта. Не следует исключать самоорганизацию защитных пленок на базе ультрадисперсных материалов в зонах фрикционного контакта.

В шестом разделе диссертации рассматривается применение разработанных жидких смазочных композиций в подшипниковых узлах и зубчатых передачах.

Смазочные композиции были подвергнуты комплексу триботехничес-ких испытаний. Определение коэффициента трения выполнялось на приборе ГП-1. Результаты представлены на рисунке 16.

0 0,2 0,4 0,6 0,8 УДПАГ, %

1 -ТМ-5-18; 2-ТМ-3-18; 3 -М-8-13 Рисунок 16 — Зависимость коэффициента трения скольжения от процентного содержания ультрадисперсного порошка в масле

Установлено, что минимальное значение коэффициента трения скольжения наблюдается при содержании порошка в пределах от 0,4 до 0,6 % по массе.

Противоизносные свойства смазочного материала оценивались на машине трения 2070СМТ-1 по потере массы образца во время испытаний. В качестве смазочного материала было взято трансмиссионное масло ТМ-3-9. Установлено, что износостойкость контактирующих поверхностей в присутствии смазочных композиций возрастает в 1,5-1,6 раза.

При исследованиях оценивалось влияние ультрадисперсного порошка на температурный режим: Измерения температуры проведены при испытаниях трансмиссионного масла ТМ-3-9. Данные изменения температуры в зоне трения приведены на рисунке 17.

1-Р = 250Н; 2-P = 500Н Рисунок 17 - Изменение температуры в зоне контакта от содержания порошка ультрадисперсного алмазографита

В ходе исследований жидких смазочных композиций оценивались наиболее важные эксплуатационные и реологические характеристики.

Определено влияние давления в объеме жидкого смазочного материала на триботехнические характеристики посредством сравнения пятен фрикционного контакта, измеряемых в условиях использования существующих смазочных материалов и разработанных смазочных композиций. Установлено, что в целом повышенное гидродавление меняет смазочные свойства, жидких смазочных материалов по сложной зависимости, характер которой определяет как вид смазочного материала, так и величина давления. Однако внесение добавок из порошков ультрадисперсного алмазографита не оказывает в объеме смазочного материала существенного влияния на его свойства.

Важное значение в работоспособности смазочных материалов имеет их термоокислительная стабильность и температурная стойкость. В работе была предложена и проведена оценка термоокислительной стабильности фотометрическим методом, заключающимся в том, что испытуемый смазочный материал оценивается по оптической, плотности в сравнении с исходным состоянием. Результаты испытаний некоторых, смазочных материалов и предлагаемой смазочной композиции состава ТМ-3-18 + 0,5 % добавки в зависимости от температурного режима и времени показали, что добавки порошка ультрадисперсного алмазографита не снижают термоокислительной стабильности предлагаемых смазочных композиций.

Для оценки температурной стойкости смазочного материала было взято за основу положение о том, что при критической температуре наблюдается разрыв граничного слоя смазочного материала или его удаление из зоны фрикционного контакта. Исходя из этого, была предложена, разработана и использована методика определения температурной стойкости по нагреву слоя, смазочного материала в локальном месте, при которой наступает испарение смазочного материала, что соответствует разрыву смазочного слоя в условиях трибоконтакта. Отмечено, что добавки на основе порошков

ультрадисперсного алмазографита влияют незначительно на температурную стойкость в объеме смазочного материала, что, по-видимому, объясняется их химической пассивностью, незначительным количеством в объеме смазочного материала и устойчивостью при указанных температурах исследований.

При* оценке вязкостных характеристик смазочных композиций теоретические и экспериментальные исследования свидетельствуют о том, что изменение вязкости находится в интервале значений вязкости базовых смазочных материалов, на основе которых разработаны смазочные композиции с добавками из порошка ультрадисперсного алмазографита применительно к подшипниковым узлам.

Наряду с оценкой свойств смазочных композиций были исследованы трибопараметры подшипниковых узлов в их присутствии, а также испытаны роликовые подшипники качения на базе конического подшипника качения ГПЗ-7204 на машине трения МТ.

На рисунке 18 представлены зависимости момента трения конического подшипника от нагрузки при различном содержании порошка ультрадисперсного алмазографита в базовом масле. Полученные результаты исследований показывают, что с увеличением нагрузки величина момента трения возрастает для всех составов смазочного материала. Однако смазочная композиция с оптимальной концентрацией добавки обеспечивает снижение момента трения на 30 % по сравнению с базовым материалом.

При испытаниях конического подшипника замерен массовый износ наружного кольца. Определение износа проводили при нагрузке 1000 Н. Испытывали масло ТМ-3-9 и композиции: ТМ-3-9 + 1,5 % УДПАГ и ТМ-3-9 + 5 % УДПАГ. Выявлено, что износ в присутствии 1,5 % по массе добавки порошка УДПАГ снижается на 30-80 %.

0 200 400 600 800 1000 Р, Н

1 - ТМ-3-9 + 1,5 % УДПАГ; 2 - ТМ-3-9 + 0,5 % УДПАГ;

3 - ТМ-3-9; 4 - ТМ-3-9 + 4 % УДПАГ Рисунок 18 - Зависимость момента трения конического подшипника от нагрузки

В ходе работы для оптимизации трибопараметров зубчатых передач была разработана новая смазочная композиция на базе масла ТМ-5-18 с добавкой ультрадисперсной модифицированной технической сажи. Было установлено, что наибольшую эффективность имеют смазочные композиции с процентным содержанием порошковой добавки от 0,5 до 2, % от массы смазочного материала. Дальнейшие испытания проводились при содержании добавки в размере 1 % по массе.

На рисунке 19 представлены результаты модельных испытаний по определению момента трения в зависимости от нагрузки для базового материала и смазочной композиции. Как видно, снижение момента трения составило 40-45 %.

0,70 0,65 0,60 0,55 0,50 0,45 0,40 0,35 0,30 0,25 0,20 0,15 0,10 0,05

0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 550 600

1 - базовое масло ТМ-5-18; 2 - ТМ-5-18 + 1 % УДП-МТС Рисунок 19 - Зависимость момента трения от нагрузки

Также были оценены противоизносные свойства. Полученные результаты представлены на графике (рисунок 20). Здесь снижение износа составляет 50-70 %.

Модифицированные смазочные композиции были подвергнуты эксплуатационным испытаниям на стенде КИ-5540 применительно к коробке перемены передач грузового автомобиля ЗИЛ-130. При этом оценивалась величина передаваемого вращающего момента. Выявлено, что в присутствии модифицированного смазочного материала наблюдается снижение потерь на 7-10 % по сравнению с базовым смазочным материалом.

. ... ... ....

^ : ! : | 1

1 1 1 _1 1 А—----}

— } ■ ;

1 - базовое масло ТМ-5-18; 2 - ТМ-5-18 + 1% УДП-МТС Рисунок 20 - Зависимость износа образцов от величины нагрузки

В заключение раздела предложен механизм действия жидких смазочных композиций с ультрадисперсными добавками.

Введение в масло присадки из ультрадисперсных порошков изменяет условия контактирования поверхностей. Отдельные частицы порошка, обладающие высокой энергетической активностью, заполняют участки между площадками фактического контакта, уменьшая объем полостей между неровностями. Под действием нагрузки при фильтрации масла частицы, имеющие малые размеры, абсорбируются на контактирующих поверхностях, образуя прочные слои на площадках контакта.

В случае трения скольжения уменьшение коэффициента трения связано с дополнительным ростом несущей способности масляного клина, образованного за счет суммарного действия микроклиньев на неровностях поверхности трения. Образованию таких микроклиньев способствует низкая скорость фильтрации масла на площади макроконтакта, обусловленная сокращением объема межконтактных полостей в результате заполнения их ультрадисперсными частицами. Кроме того, увеличение толщины масляной пленки способствует образованию полислоев на поверхностях контакта и, как следствие, облегченному скольжению поверхностных слоев в смазочном материале.

В разделе семь представлено практическое применение результатов исследований.

Разработанные смазочные композиции составов Литол-24 + 1,5% УДПАГ, ЦИАТИМ-201 + 1,5 % УДПАГ, ТМ-5-18 + 1 % УДП-МТС, ИСп-65 + 1 % УДП-МТС, И-Л-А-22 + 1,5 % УДПАГ, Тп-22 + 1 % УДПАГ прошли испытания в производственных условиях в подшипниках качения трансмиссий автомобилей, в подшипниках скольжения приводов насосов нефтеперекачивающего оборудования, в коробках перемены передач автомобилей,

РОС. НАЦИОНАЛЬНАЯ БИБЛИОТЕКА С. Петербург _ 09 300 шкт

в приводах гидронасосов лесопогрузчиков и приводах станочного оборудования, в роликоопорах ленточных угольных конвейеров, при производстве подшипников качения.

Результаты производственных испытаний подтвердили данные выполненных исследований. Так, отмечено снижение момента трения на 20-70 %, снижение износа в 1,5-2 раза, зафиксированы более ранняя стабилизация температурных режимов, снижение уровня шума и вибраций работающих приводов и трансмиссий, продолжительное сохранение смазочными материалами эксплуатационных свойств.

По результатам испытаний новые смазочные материалы внедрены в производство на ФГУП «Красноярский машиностроительный завод», ФГУП «Красноярская железная дорога», ОАО «РОЛТОМ» (Томский ГПЗ № 5), ОАО «Верхневолжские магистральные нефтепроводы», ОАО «Красноярский завод лесного машиностроения», ОАО «Красноярская ГРЭС-2», ОНО «Красноярский опытный завод Россельхозакадемии», ОАО «Хакасэнерго», ОАО «Березовский угольный разрез» и др., о чем имеются соответствующие акты внедрения.

ОСНОВНЫЕ НАУЧНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Разработаны математические модели для исследования, работы подшипников скольжения, учитывающие реологические свойства смазочного материала, упругие деформации и топографию поверхностей деталей, конструктивное исполнение и характер нагружения, позволившие выполнить анализ стационарных и нестационарных движений элементов подшипника, в результате чего определены характеристики смазочного слоя и получены траектории движения с возможным смещением оси вала в зависимости от времени и нагрузки. Установлено существование зон с нарушаемыми режимами гидродинамической смазки.

2. Предложен метод аналитико-эмпирического исследования функциональных характеристик подшипников качения в зависимости от СВОЙСТВ смазочных материалов, модифицированных ультрадисперсными добавками, давший возможность прогнозировать изменение трибопараметров и рабочих характеристик подшипников, что позволило производить уточненную оценку ресурса работы. Показано, что только за счет применения модифицированного углеродосодержащими ультрадисперсными добавками смазочного материала возможно увеличение ресурса подшипниковых узлов на 20-30 %.

3. Представлены методики аналитического расчета напряжений, давлений и износа в зонах контакта зубчатых передач, учитывающие упруго-пластические деформации поверхностей, покрытых слоем смазочного материала. Показана возможность их оптимизации применением смазочных материалов с ультрадисперсными добавками.

4. Сформулированы концептуальные подходы к созданию новых смазочных материалов, модифицированных ультрадисперсными добавками, включающие в себя рекомендации по составу материала ультрадисперсных добавок, размерному диапазону их частиц, оптимальной концентрации, технологий изготовления и областям применения. Найдена оптимальная концентрация в пределах от 0,25 до 2,5 % по массе ультрадисперсных добавок в базовых жидких и пластичных смазочных материалах, при которой наблюдается существенное повышение антифрикционных и противо-износных показателей смазочных композиций без ухудшения реологических и эксплуатационных свойств.

5. Созданы новые смазочные материалы с повышенными антифрикционными, противоизносными и противозадирными свойствами для применения в подшипниковых узлах и зубчатых передачах в качестве средства, способного улучшить триботехнические и эксплуатационные характеристики (патент Российской Федерации № 2163921).

6. Получены функциональные зависимости эксплуатационных характеристик созданных смазочных композиций, дающие возможность осуществлять анализ состояния подшипниковых узлов и зубчатых передач при вариациях скоростных и нагрузочных факторов. Установлено, что применение разработанных смазочных материалов приводит к уменьшению моментов и сил трения на 15-75 %, наблюдается снижение коэффициента трения в 1,5-2 раза, показатели износа и интенсивности изнашивания улучшаются на 20-80 %, зафиксирована ранняя стабилизация температурного режима с тенденцией понижения объемной температуры на 10-15 %.

7. Исследован механизм действия ультрадисперсных добавок в индустриальных, трансмиссионных и моторных маслах, в пластичных смазочных материалах типа Солидол, Литол-24, ЦИАТИМ-201, ВНИИ НП-220, что позволило сформулировать рекомендации по улучшению их свойств, обеспечивающих повышенные антифрикционные, противоизносные и противозадирные параметры узлов трения. Установлено, что присутствие 0,5-1,5 % ультрадисперсных добавок в типовых смазочных материалах улучшают указанные показатели на 20-80 %.

8. Новые смазочные материалы прошли успешные промышленные испытания в подшипниковых узлах и зубчатых передачах и внедрены в трансмиссионных механизмах автомобильного транспорта, приводах технологического оборудования на ряде промышленных предприятий: ФГУП «Красноярский машиностроительный завод», ОАО «Красноярский завод лесного машиностроения», ОНО «Красноярский опытный завод ГОСНИТИ», ФГУП «Красноярская железная дорога», ОАО «Красноярская ГРЭС-2», ОАО «Верхневолжские магистральные нефтепроводы», ОАО «РОЛТОМ», ОАО «Хакасэнерго», ОАО «Березовский угольный разрез».

Основное содержание диссертационной работы отражено в публикациях:

1. Терентьев, В. Ф. Трибонадежность подшипниковых узлов в присутствии модифицированных смазочных композиций: Монография /

B. Ф. Терентьев, Н. В. Еркаев, С. Г. Докшанин. Новосибирск: Наука, 2003. 142 с.

2. Терентьев, В. Ф. Смазка и смазочные материалы в трибосистемах Монография / В. Ф. Терентьев, В. Е. Редькин, С. И. Щелканов. Новосибирск: Изд-во СО РАН, 2002. 188 с.

3. Терентьев, В. Ф. Триботехническое материаловедение: Справочное пособие. Красноярск: КГТУ, 2000.296 с.

4. Терентьев, В. Ф. Применение смазочных композиций в подшипниках качения / В. Ф. Терентьев //Машиностроитель. 2003. № 12. С. 32-34.

5. Терентьев, В. Ф. Применение жидких смазочных композиций в подшипниковых узлах качения и скольжения / В. Ф. Терентьев // Техника машиностроения. 2003. № 6. С. 90-94.

6. Терентьев, В. Ф. О расчете ресурса работы подшипников качения со смазочными композициями, содержащими порошок ультрадисперсного алмазографита / В. Ф. Терентьев // Изв. вузов. Машиностроение. 2003. № 5.

C. 27-32.

7. Терентьев, В. Ф. Нестационарное движение вала в подшипниковом узле скольжения / В. Ф. Терентьев, Н. В. Еркаев, Н. А. Нагайцева // Изв. вузов. Машиностроение. 2003. № 11. С. 3-11.

8. Терентьев, В. Ф. Применение смазочных композиций с углеродо-содержащими ультрадисперсными добавками в приводах и трансмиссиях транспортных машин и технологического оборудования / В. Ф. Терентьев // Приводная техника. 2004. № 2. С.

9. Терентьев, В. Ф. Аналитико-численное моделирование параметров смазочного слоя в роликовых подшипниках качения / В. Ф. Терентьев // Изв. вузов. Машиностроение. 2004. № 4. С.

10. Терентьев, В. Ф. О возможности активации твердых порошков в макетах трибоустройств / В. Ф. Терентьев // Механохимия и механоэмиссия твердых тел. Междунар. симпозиум. Чернигов, 1990. С. 73.

11. Терентьев, В. Ф. Влияние размера и состава порошков на противо-износные свойства масел / В. Ф. Терентьев // 2-я междунар. конф. «Износостойкость машин». Брянск, 1996. С. 104.

12. Терентьев, В. Ф. Влияние формы частиц дисперсных материалов на коэффициент трения при граничной смазке / В. Ф. Терентьев // Проблемы обеспечения качества изделий в машиностроении. Междунар. науч.-техн. конф. Красноярск, 1994. С. 86-87.

13. Терентьев, В. Ф. Модифицированные смазочные материалы как средство повышения долговечности пар трения / В. Ф. Терентьев, С. Г. Докшанин, И. И. Докшанина // Инновации в машиностроении: Сб. ст. III Всерос. НПК. Пенза, 2003. С. 27-28.

14. Василенко, Н. В. Научные основы выбора материалов пар трения, элементов зацепления и опор волновых механизмов движения высоковакуумного оборудования / Н. В. Василенко, Г. Г. Назаров, В. Ф. Терентьев // Депон. научн. работы. ВИНИТИ: 26(188). М., 1987. 115 с.

15. Василенко, Н. В. Диагностика состояния поверхностных слоев материалов изнашиваемых систем / Н. В. Василенко, В. В. Летуновский, Э. А. Петровский, В. Ф. Терентьев // В кн. «Неразрушающий контроль и диагностика свойств композитов и изделий из них». Междунар. конференция. Рига. 1991. С. 273-276.

16. Василенко, Н. В. Анализ трибообъектов методами внутреннего трения и акустической эмиссии / Н. В. Василенко, В. В. Летуновский,

B. Ф. Терентьев и др. // Междунар. научно-практ. семинар «Триболот»-10М, Рыбинск. 1993. С. 101-104.

17. Василенко, Н. В. Проблемы качества и контроль процессов в машиностроении // Н. В. Василенко, В. В. Летуновский, В. Ф. Терентьев и др. // Сб. трудов междунар. конференции. Словакия, Братислава. 1993.

C. 45-49.

18. Василенко, Н. В. Создание торцевой зубчатой передачи дезинтегратора для мелкодисперсного измельчения разнородных материалов / Н. В. Василенко, И. П. Бернацкий, В. Ф. Терентьев и др. // Сб. трудов междунар. конгресса «Зубчатые передачи-95». Болгария, София. 1995. С. 93-98.

19. Василенко, Н. В. К вопросу о влиянии фрикционных факторов на усталостные разрушения поверхностей зубчатых зацеплений / Н. В. Василенко, В. Ф. Терентьев, А. Е. Митяев // Вест. НИИ СУВПТ. Вып. 14: НИИ СУВГТТ. Красноярск, 2003. С. 212-218.

20. Василенко, Н. В. Применение жидких смазочных композиций в зубчатых механизмах / Н. В. Василенко, В. Ф. Терентьев, А. Е. Митяев // Вест. НИИ СУВПТ. Вып. 14: НИИ СУВПТ. Красноярск, 2003. С. 201-211.

21. Василенко, Н. В. Повышение работоспособности подшипниковых опор роликов ленточных конвейеров / Н. В. Василенко, Н. А. Смирнов, В. Ф. Терентьев // Вест. НИИ СУВПТ. Вып. 14: НИИ СУВПТ. Красноярск, 2003. С. 267-271.

22. Селютин, Г. Е. Применение металлоорганических и металлокерами-ческих материалов для восстановления и увеличения ресурса поверхностей трения / Г. Е. Селютин, В. Ф. Терентьев, С. И. Щелканов, Г. М. Яковлев // Наука - производству. 2003. № 1. С. 135-136.

23. Селютин Г. Е. Влияние ультрадисперсных твердых добавок на триботехнические характеристики пар трения скольжения / Г. Е. Селютин,

B. Ф. Терентьев, А. А. Шаронов, А. С. Щелканов // 6-я междунар. конференция — выставка «Технология ремонта, восстановления, упрочнения и обновления машин, механизмов, оборудования и металлоконструкций». С-Петербург. 2004. С.

24. Селютин, Г. Е. Применение металлоорганических и метало-керамических материалов для восстановления и увеличения ресурса поверхностей трения / Г. Е. Селютин, С. И. Щелканов В. Ф. Терентьев и др. // Машиностроитель. 2004. № 3. С. 24-25.

25. Козырев, С. А. Дезинтегратор / С. А. Козырев, В. Ф. Терентьев // Информ. листок № 162-95. Красноярск: ЦНТИ, 1995. 2 с.

26. Щелканов, С. И. Пластичная смазка / С. И. Щелканов, В. Е. Редь-кин, В. Ф. Терентьев и др. // Информ. листок № 29-388-01. Красноярск: ЦНТИ, 2001.2 с.

27. Вагнер, В. Ф. Триботехнические испытания материалов: Техническое издание / В. Ф. Вагнер, Б. И. Ковальский, В. Ф. Терентьев,

C. И. Щелканов//Красноярск, 2000. 104 с.

28. Вагнер, В. Ф. О расчете температурного режима фрикционного контакта при трении образцов в условиях гидростатического давления / В. Ф. Вагнер, В. Ф. Терентьев // Вест. Краснояр. гос. техн. ун-та. Вып. 7: Машиностроение и транспорт. Красноярск, 1997. С. 52-55.

29. Вагнер, В. Ф. О некоторых критериях оценки граничной смазки / В. Ф. Вагнер, Б. И. Ковальский, В. Ф. Терентьев // Вестн. Краснояр. гос. техн. ун-та. Вып. 8: Машиностроение и транспорт. Красноярск. 1998. С. 19-23.

30. Вагнер, В. Ф. Влияние гидростатического давления среды на интенсивность теплообмена в трибосистеме / В. Ф. Вагнер, Б. И. Ковальский,

B. Ф. Терентьев // Вест. Краснояр. гос. техн. ун-та. Вып. 8: Машиностроение и транспорт. Красноярск. 1998. С. 23-27.

31. Вагнер, В. Ф. Методика лабораторных триботехнических испытаний рабочих жидкостей / В. Ф. Вагнер, В. Ф. Терентьев // Вест. Краснояр. гос. техн. ун-та. Вып. 15: Машиностроение. Красноярск, 1999. С. 23-28.

32. Ковальский, Б. И. К вопросу о выборе материалов фрикционной пары / Б. И. Ковальский, В. Ф. Терентьев // Вест. Краснояр. гос. техн. ун-та. Вып. 7: Машиностроение и транспорт. Красноярск, 1997. С. 206-212.

33. Ковальский, Б. И. Оценка механизма загрязнения масел в трущихся парах двигателей внутреннего сгорания / Б. И. Ковальский, В. Ф. Терентьев,

C. Б. Ковальский // Вест. Краснояр. гос. техн. ун-та. Вып. 15: Машиностроение. Красноярск, 1999. С. 39-46.

34. Ковальский, Б. И. Способ определения температурной стойкости смазочных материалов на основе природных органических соединений /

Б. И. Ковальский, В. Ф. Терентьев // Вест. Ассоциации выпускников КГТУ. Вып. 2. Красноярск, 1999. С. 123-126.

35. Меновщиков, В. А. Механизм разрушения игольчатого подшипника в условиях качательного движения / В. А. Меновщиков, В. Ф. Терентьев, С.И.Щелканов // Вест. Краснояр. гос. техн. ун-та. Вып. 24. Транспорт. Красноярск, 2002. С. 78-83.

36. Меновщиков, В. А. Механизм разрушения поверхности шипа карданного шарнира / В. А. Меновщиков, В. Ф. Терентьев, С. И. Щелканов, А Е. Митяев // Вест. Краснояр. гос. техн. ун-та. Вып. 29. Машиностроение. Красноярск, 2002. С. 173-176.

37. Терентьев, В. Ф. Повышение долговечности подшипников качения за счет твердых присадок к трансмиссионным маслам / В. Ф. Терентьев, С. И. Щелканов, А. Е. Митяев // Вест. Краснояр. гос. техн. ун-та. Вып. 21. Машиностроение. Красноярск, 2000. С. 59-62.

38. Терентьев, В. Ф. Методология выбора элементов трибосистем /

B. Ф. Терентьев, Б. И. Ковальский // Вест. Краснояр. гос. техн. ун-та. Вып. 22. Машиностроение. Красноярск, 2001. С. 149-154.

39. Терентьев, В. Ф. Размерный анализ твердой фракции в отработанных моторных маслах, легированных порошками / В. Ф. Терентьев, К. А. Редкоус, С. И. Щелканов // Молодежь и наука - третье тысячелетие. Межвуз. конф. аспирантов, соискателей и студентов. Красноярск, 1996. С. 83.

40. Терентьев, В. Ф. Антифрикционные свойства смазок с твердыми присадками / В. Ф. Терентьев, С. И. Щелканов, С. Г. Докшанин // Всерос. НТК «Перспективные материалы, технологии и конструкции». Красноярск, 1999. С. 55-56.

41. Терентьев, В. Ф. О целесообразности применения смазочных материалов с ультрадисперсными наполнителями в подшипниках скольжения / В. Ф. Терентьев, Н. В. Еркаев // Ультрадисперсные порошки, наноструктуры, материалы. Всерос. НТК с междунар. участием. Красноярск, 2003. С.

42. Терентьев, В. Ф. Влияние процессов в контактной зоне зубчатого зацепления на усталостное разрушение / В. Ф. Терентьев, А. Е. Митяев // Сб. тез. докл. на региональной конф. «Красноярский край, освоение, развитие, перспективы». Красноярск: КрасГАУ, 2003. С. 126-127.

43. Щелканов, С. И. Поглощающая способность высокодисперсных порошков / С. И. Щелканов, В. Ф. Терентьев, В. Е. Редькин // Межрегион, конф. с междунар. участием «Ультрадисперсные порошки, материалы и наноструктуры». Красноярск, 1996. С. 191-192.

44. Щелканов, С. И. Распределение усилий по длине зуба зубчатого зацепления / С. И. Щелканов, В. Ф. Терентьев, А. Е. Митяев // Вест. Краснояр. гос. техн. ун-та. Вып. 32. Машиностроение. Красноярск, 2003.

C.177-180.

45. Щелканов, С. И. Влияние твердых добавок к моторным маслам на коэффициент трения в подшипнике скольжения / С. И. Щелканов,

B. Ф. Терентьев, А. А. Шаронов // Ультрадисперсные порошки, наноструктуры, материалы. Всерос. НТК с междунар. участием. Красноярск, 2003. С. 148.

46. А. с. № 1738335 СССР. В 02 С 13/22 Дезинтегратор / О. А. Козырев,

C. А. Козырев, В. Ф. Терентьев (СССР). - № 4875636/33; заявл. 30.07.90; опубл. 7.06.92. Бюл. №21. .

47. Пат. № 2163921 РФ, С 10 М 125/00. Пластичная смазка / С. И. Щелканов, В. Е. Редькин, В. Ф. Терентьев, С. Г. Докшанин, А. И. Лямкин. Заявл. 19.05.1999; опубл. 10.03.2001. Бюл. № 7.

Подписано в печать 26.03.2004

Тираж 100 экз. Заказ

Отпечатано в ИПЦ КГТУ. 660074, г. Красноярск, ул. Киренского, 28

Оглавление автор диссертации — доктор технических наук Терентьев, Валерий Федорович

Введение 2004 год, диссертация по машиностроению и машиноведению, Терентьев, Валерий Федорович

Заключение диссертация на тему "Оптимизация трибопараметров подшипниковых узлов и зубчатых передач путем создания новых смазочных материалов, модифицированных ультрадисперсными добавками"

БиблиографияТерентьев, Валерий Федорович, диссертация по теме "Машиноведение, системы приводов и детали машин"