автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.14, диссертация на тему:Обеспечение эксплуатационных свойств пар трения приборов, работающих в экстремальных условиях

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования

"САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ИНФОРМАЦИОННЫХ П^'ОЛОГИЙ, МЕХАНИКИ И ОПТИКИ"

ОБЕСПЕЧЕНИЕ ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ СВОЙСТВ ПАР ТРЕНИЯ ПРИБОРОВ, РАБОТАЮЩИХ В ЭКСТРЕМАЛЬНЫХ УСЛОВИЯХ

Специальность 05.11.14- Технология приборостроения

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук

ЦИМБАЛ Игорь Романович

Санкт-Петербург 2009

003467140

Работа выполнена в Санкт-Петербургском государственном университете информационных технологий, механики и оптики и ЦКБ Машиностроения

Научный руководитель:

доктор технических наук,

профессор Медунецкий Виктор Михайлович

Официальные оппоненты:

доктор технических наук,

профессор Войнов Кирилл Николаевич кандидат технических наук,

ст. научный сотрудник Сологубов Дмитрий Николаевич

Ведущая организация : ОАО «Техприбор» (Санкт-Петербург)

Защита состоится 19 мая 2009 г. в 15 часов 30 минут на заседании диссертационного совета Д212.227.04 при Санкт-Петербургском государственном университете информационных технологий, механики и оптики по адресу: 197101, Санкт-Петербург, Кронверский пр., д.49, аудитория 2.3 О

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке СПбГУ ИТМО.

Автореферат разослан_ _ 2009г.

Учёный секретарь диссертационного совета, кандидат технических наук, доцент / . Киселёв С.С.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность работы.

Интенсивное развитие приборостроения в космонавтике, ракетной технике, в ядерной энергетике, в рентгеновской технике и в ряде других областях выдвигают задачу обеспечения надёжной работы подвижных узлов исполнительных механизмов приборов в экстремальных условиях (вакуум, высокая температура, интенсивное излучение, высокие контактные нагрузки и т.д.).

Проблема повышения надёжности исполнительных механизмов приборов в таких условиях тесно связана с вопросами триботехники, с исследованиями контактного взаимодействия взаимно перемещающихся твёрдых тел, в результате которого в зоне контакта возникают силы трения.

Современная трибология располагает рядом фундаментальных теоретических и экспериментальных закономерностей, которые, безусловно, могут позволить в ближайшие годы успешно решать задачи в области сухого трения, которые реализуются в различных узлах приборов при скольжении, качении или качении со скольжением.

На сегодняшний день особое внимание уделяется таким разделам и направлениям трибологии и триботехники как:

разработка научных основ и практических рекомендаций, необходимых для создания износостойких антифрикционных материалов, новых технологий упрочнения и нанесения покрытий;

создание и оптимальное использование универсальных и целевых установок машин трения при исследованиях по трибологии и в практических задачах триботехники для оценки и выбора оптимальных материалов в конкретных служебных условиях.

В связи с указанными выше направлениями на передний план выдвигаются следующие проблемы:

повышение работоспособности материалов и узлов трения в широком диапазоне температур;

обеспечение минимального сопротивления движению деталей подшипников скольжения;

- обеспечение экономически целесообразной долговечности узлов трения или, по возможности, равной износостойкости по сравнению с другими частями приборов при работе в различных средах;

- обеспечение минимальной разницы коэффициентов трения покоя и движения, уменьшение их величины до минимума в конкретных парах трения.

Для преодоления этих проблем необходимо решить весьма важную задачу триботехники - повысить, в частности, несущую способность и долговечность подшипников скольжения (как одного из ответственных элементов исполнительных механизмов приборов) за счёт новых

технологий и материалов, а также обеспечить оптимизацию формы и качества поверхностей трения.

При решении такой актуальной задачи необходимо проведение следующих исследований:

тонких поверхностных слоев при трении скольжении; новых самосмазывающихся твёрдьгх и порошковых смазочных материалов;

оптимального использования новых технологических способов упрочнения поверхностей трения;

нанесения антифрикционных покрытий, в том числе с использованием способа вибронакатывания.

Цель и задачи исследования.

Целью работы является экспериментальное исследование пары трения, работающей в вакууме при высокой температуре, с заданными улучшенными эксплуатационными свойствами за счет регулярности микрорельефа и применения специального смазочного покрытия. Для достижения цели были поставлены следующие задачи: 1) провести анализ достигнутого уровня науки и техники в трибологическом плане в рамках выдвинутой цели исследования; 2) оценить влияние качества поверхностей трения на работоспособность сопряжений типа "вал -втулка"; 3) разработать методику физических экспериментов с материалами при создании на их поверхностях регулярного микрорельефа; 4) для проведения комплексных модельных экспериментов и исследований разработать установку и оснастку; 5) провести сравнительный анализ полученных результатов по отношению к типовым способам упрочнения поверхностных слоев материалов.

Научная новизна.

1) Исследовано влияние микрорельефа на адгезию твёрдосмазочного покрытия к подложке. 2) Выявлено, что регулярный микрорельеф увеличивает адгезию покрытия с подложкой в несколько раз. 3) Исследовано влияние регулярного микрорельефа поверхностей трения на эксплуатационные свойства при работе пар трения в вакууме при высокой температуре, в частности, в период приработки. 4) Обоснованы и рассчитаны параметры регулярного микрорельефа оптимальной по износостойкости пары трения с низким коэффициентом трения для работы в экстремальных условиях, а именно, в вакууме при высокой температуре. 5) Предложена методика, на основе которой разработана специальная технология получения требуемого микрорельефа на поверхностях трения.

Обоснованность и достоверность полученных результатов.

Основные результаты и выводы настоящей работы являются обоснованными и достоверными, так как с одной стороны опираются на методы расчётов с обработкой статистических данных, а с другой -обеспечены физическими экспериментами на базе разработок

реализованных на практике и защищенных авторскими свидетельствами.

Методы исследования. Применялись экспериментальные методы с использованием научно обоснованных статистических методов обработки данных, а также измерители момента. трения, силоизмерительные устройства, вакуумная камера и соответствующая вакуумная система, кварцевые нагреватели и датчики приборов ПСР1-02, ВМБ-8, ПММ-32, М-201 и др.

Личный вклад автора. 1) Детализация разработки и проведения исследований, включая выполнение новых физических экспериментов. 2) Создание комплексной методики испытаний. 3) Анализ и обработка данных наблюдений о влиянии регулярного микрорельефа на эксплуатационные свойства подшипников скольжения при работе в вакууме и высокой температуре. 4) Разработка и изготовление специального стенда и оснастки. 5) Разработка рекомендаций для промышленной реализации научных достижений в приборостроении.

Апробация работы. Основные результаты исследований, вошедших в диссертацию, были представлены на: 1) Всесоюзном семинаре "Методы упрочнения поверхностей пар трения" (Москва, 1981 г.), 2) Всесоюзном семинаре "Обеспечение роста производительности труда и качества деталей на основе применения прогрессивной технологии, оснастки и инструмента" (Ленинград, 1982 г.), 3) Всесоюзном семинаре "Технологическое обеспечение, контроль и нормирование микрорельефа в машиностроении" (Ленинград, 1984 г.), 4) Всесоюзном научно-техническом семинаре "Современное состояние вибронакатанных поверхностей" (Ленинград, 1985 г.), 5) Всесоюзном семинаре "Повышение качества и надёжности машин и приборов регуляризацией микрогеометрии поверхностей деталей" (Ленинград, 1989 г.), 6) 9-ой международной конференции "Физико-химические процессы в неорганических материалах" (Кемерово, 2004 г.), 7) 6-ой международной практической конференции-выставки "Технологии ремонта, восстановления, упрочнения и обновления машин, механизмов, оборудования и металлоконструкций" (Санкт-Петербург, 2004 г.), 8) 8-ой международной научной школы "Фундаментальные и прикладные проблемы надёжности и диагностики машин и механизмов" (Санкт-Петербург, октябрь 2007 г.), 9) 8-ой международной конференции «Трибология и надёжность» (Санкт-Петербург, ПГУПС, 2008 г.),

Практическая ценность. Выявлена зависимость и сделан расчёт параметров микрорельефа пар трения при конструировании исполнительных механизмов приборов, работающих в вакууме при высокой температуре; предложена и успешно апробирована технология обеспечения регулярного микрорельефа на поверхностях трения; разработана оснастка для получения требуемых триботехнических характеристик на исходном этапе приработки параметров при изготовлении пары трения подвижных узлов исполнительных

механизмов приборов, работающих в экстремальных условиях; получены графические зависимости, позволяющие точнее понимать характер развития износа ответственных пар трения в специфических условиях эксплуатации; разработан стенд, позволяющий исследовать и оценивать работоспособность пары трения подвижных узлов исполнительных механизмов приборов, работающих при температуре до 700 °С и в вакууме до ью-5мм рт. ст.

Внедрение результатов работы. Результаты экспериментальных исследований - увеличение адгезии твёрдоплёночного покрытия к подложке подшипника скольжения, снижение коэффициента трения, увеличение износостойкости покрытия за счёт регулярности микрорельефа поверхности трения были использованы при конструировании изделий в организациях ЦКБ Машиностроения и в ВИАМе.

Практические результаты исследований влияния регулярного микрорельефа на адгезию твёрдоплёночных покрытий и на эксплуатационные свойства пар трения, работающих в вакууме при высокой температуре, были защищены авторскими свидетельствами (авторские свидетельства - "Устройство для нанесения регулярного микрорельефа", "Способ получения износостойкого покрытия", "Способ контроля качества покрытия" и "Машина трения"), а для практического использования разработаны технологические инструкции: "Выглаживание поверхностей трения тел вращения", "Вибронакатывание поверхностей трения с покрытием ВНИИНП-229".

Публикации. По материалам диссертации получены 4 авторских свидетельства, опубликовано 18 работ, из них 9 работ в центральных журналах и сборниках научных трудов международных и всесоюзных конференций.

Структура и объём работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырёх глав, выводов, списка литературы и приложений. Работа содержит 110 страниц текста, 13 таблиц, 29 рисунков и 18 страниц приложений. Список литературы включает 99 наименований.

Новые положения, выносимые на защиту. Методика формообразования микрорельефа ответственных поверхностей трения подвижных деталей исполнительных механизмов приборов из сплавов ЭИ-828 и ВЖЛ-16.

Создание регулярного микрорельефа на поверхностях трения с твёрдоплёночным покрытием путём вибронакатывания в несколько раз увеличивает адгезию покрытия к подложке и обеспечивает в период приработки их высокую работоспособность в вакууме при температуре до 700 °С.

Регулярярность микрорельефа поверхностей трения деталей с твёрдосмазочным покрытием ВНИИНП-229 при работе в вакууме при высокой температуре снижает коэффициент пары трения и увеличивает износостойкость смазочного покрытия.

Определены количественные триботехнические характеристики, получены зависимости и построены графики для исследованных материалов пар трения в специфических условиях эксплуатации.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении показана актуальность выбранного направления -обеспечение эксплуатационных свойств пар трения, работающих в экстремальных условиях (вакуум, высокая температура, интенсивное излучение, высокие контактные нагрузки и т.д.), обусловленная необходимостью повышения надёжности подвижных узлов исполнительных механизмов приборов, машин и механизмов. Сформулированы основные задачи по исследованию влияния микрорельефа на эксплуатационные свойства пар трения, на адгезию твёрдосмазочного покрытия к подложке в подшипниках скольжения.

В первой главе на основе технической литературы анализируются модели пар трения, работающие в вакууме при высокой температуре, показано влияние вакуума на трение металлов при отсутствии смазки. Отмечено, что отработка технологий покрытий и материалов применительно к условиям вакуума и высокой температуре ведётся с использованием различных методик, оборудования, с отработкой различного ресурса и степенью имитации как самих пар трения, так и эксплуатационных условий, что не позволяет сделать однозначных выводов о работоспособности пары в конкретно заданных условиях их работы. На основании обзора можно сделать следующие выводы: - • сухое трение следует рассматривать как взаимодействие трущихся поверхностей с твёрдыми и газообразными смазывающими веществами, образующими на поверхностях трения плёнки (третье тело);

основное сопротивление при сухом трении обусловлено адгезионным взаимодействием между вторичными структурами, образовавшимися на контактируемых поверхностях в результате их механохимического взаимодействия между собой и с окружающей средой;

адгезия при трении имеет гетерогенный характер и чаще всего в том или ином соотношении образуются молекулярные (Ван-дер Ваальсовы), промежуточные (водородные), химические (металлические, ионные, ковалентные) и электрические связи;

основное влияние вакуума на поведение пар трения проявляется в том, что поверхности трения твёрдых тел освобождаются от покрывающих их обычно плёнок, вступают в непосредственный контакт друг с другом, образуя недопустимо прочные связи;

низкое трение слоистых твёрдых тел обусловлено переносом материала смазки на поверхность сопряжённого тела и образование структур на обеих поверхностях, отличающихся заметной ориентацией

кристаллов плоскостями наименьшей стойкости вдоль направления скольжения;

низкое трение тугоплавких неорганических соединений объясняется малым количеством образующихся адгезионных связей;

коэффициент трения металлических пар уменьшается пропорционально увеличению твёрдости хотя бы одного из металлов пары.

В главе на основе анализа литературных данных показано, что все контактные явления в той или иной степени определяются состоянием их поверхностного слоя. При этом под поверхностным слоем понимается объём материала, лежащего непосредственно под границей раздела двух сред и обладающего совокупностью геометрических и физико-химических характеристик, отличающихся от основного материала.

В условиях эксплуатации детали начинают функционировать с реальной поверхностью, то есть именно поверхность деталей подвергается внешним воздействиям как при контакте с другими деталями, так и при контакте с внешней средой. Причём, именно на поверхности и в поверхностном слое материала протекают процессы износа деталей трущихся пар, зарождаются трещины усталости. В этой связи эксплуатационные свойства деталей, как и качество машин и оборудования, то есть обеспечение оптимального уровня их надёжности и точности, в значительной степени зависят от качества рабочих поверхностей.

В этой же главе также раскрывается понятие качества поверхности как совокупность геометрических (волнистость, шероховатость, форма и взаиморасположение поверхностей) и физико-химических (микротвёрдость, остаточные напряжения, структура, присутствие кислорода, окислов, нитридов и т.д.) характеристик и влияние их на эксплуатационные свойства деталей машин.

Показано, что предельная неоднородность значений всех параметров качества шероховатых поверхностей как органическое негативное свойство, формирующееся в результате применения традиционных, наиболее широко используемых в промышленности способов обработки и, в первую очередь, основанных на резании металлов, затрудняет решение круга задач, определяющих проблему качества поверхностей. Успешное же решение этих задач возможно на основании использования поверхностей с принципиально новым свойством микрогеометрии - регулярностью.

Во второй главе дана методика исследования микрорельефа, определяющего работу пар трения с твёрдоплёночным покрытием подвижных узлов исполнительных механизмов приборов, работающих в вакууме при высокой температуре, включающая:

определение влияния микрорельефа на адгезию твёрдоплёночного покрытия;

исследование влияния регулярного микрорельефа на эксплуатационные свойства пары трения, работающей в вакууме при высокой температуре;

определение расчётных зависимостей параметров регулярного микрорельефа для проектирования пары трения.

Для определения влияния регулярного микрорельефа на адгезию твёрдоплёночного покрытия на поверхность образца, подготовленную по существующей технологии - шлифование и последующая пескоструйная обработка, наносят покрытие. Затем рабочую поверхность образца подвергают вибронакатыванию деформирующим элементом с помощью специально разработанной вибрационной головки. Образец закрепляют в патроне токарного станка и ему придаётся вращательное движение; деформирующий элемент закрепляется в резцедержателе станка и совершает осцилляционное движение и движение подачи.

Усилие прижатия <2 деформирующего элемента к поверхности образца определяется формулой:

д>К,К2К,-Р, (1)

где Кх- коэффициент, характеризующий сопротивление материала образца проникновению в него деформирующего элемента (определяется экспериментально); К2- коэффициент, характеризующий сцепляемость покрытия с поверхностью (определяется экспериментально); к,— коэффициент, характеризующий траекторию движения деформирующего элемента (определяется экспериментально); Р - усилие вибронакатывания - определяется эмпирически полученной формулой:

где И - глубина впадин микрорельефа поверхности; ¡1Ш— диаметр деформирующего элемента; <1- диаметр образца; С„С2,С3,С4- постоянные коэффициенты (находятся для каждого материала экспериментально).

Сложная кинематика деформирующего элемента, двигающегося по закону синусоиды, заставляет частицы антифрикционного материала ориентироваться плоскостями скольжения параллельно поверхности трения, вступать в зону молекулярных связей. В зависимости от типа рельефа через каждую точку поверхности деформирующий элемент может проходить неоднократно и чем сложнее кинематика движения, тем сильнее последствие обработки - молекулярное сцепление (адгезия).

Для проверки адгезии покрытия к подложке испытания проводились на вибростенде, а по взвешиванию образца до и после испытаний определялась величина ссыпаемости покрытия. Величина осыпаемости сравнивалась с величиной у образцов, изготовленных по существующей технологии. Испытания показали, что величина ссыпаемости твёрдосмазочного покрытия у вибронакатанных образцов с образованием регулярного микрорельефа уменьшилась в 25 раз.

В настоящей работе подробные исследования выполнены с использованием второго и четвёртого вида регулярного микрорельефа (по классификации Ю.Г. Шнейдера Образование регулярных рассчитываемый и достаточно просто технологически воспроизводимый, микрорельефов на деталях и их эксплуатационные свойства. Л.: Машиностроение, 1972). При обработке по второму виду микрорельефа канавки касаются и между ними остаются участки исходной шероховатости с нерегулярным микрорельефом. При этом площадь канавок была достигнута 25%, размер канавок составил 0,6... 1,0 мкм. При обработке по четвёртому виду микрорельефа поверхность образца полностью перекрыта канавками и образуется сетчатый микрорельеф, так называемый полностью регулярный микроререльеф (ПРМР), каждый элемент которого имеет форму, близкую к четырёхугольной или шестиугольной. В отличие от нерегулярного микрорельефа, создаваемого способом резания и поверхностно-пластического деформирования (ППД), полностью новый регулярный микрорельеф обладает рядом отличительных особенностей и качеств. В частности, такие стандартизованные параметры, как 5, так и нестандартизованные параметры: Л'„- число выступов, N^lt - число впадин, г,с - радиус выступов, гт - радиус впадин, определяющие многие эксплуатационные свойства поверхностей, аналитически рассчитываемы и технологически обеспечиваемы с заданной точностью. Для исследования выбран регулярный микрорельеф сетчатого типа (рис.1), как наиболее легко рассчитываемый и достаточно просто технологически воспроизводимый

Рисунок 1- Схемы формирования сетчатого регулярного микрорельефа

При расчёте режимов образования ПРМР использовалась следующая методика:

г выбирается регулярный микрорельеф - четырёхугольный или шестиугольный;

- выбирается угол расположения неровностей и соответственно ближайшее целое значение индекса п ( п - индекс канавки) по одной из следующих формул: п = - для четырёхугольного типа микрорельефа и

-Уз - ¡я(у-\)

п =-—>. . для шестиугольного типа;

- определяется дробная часть отношения числа двойных ходов к числу оборотов обрабатываемой заготовки - {/} по формулам:

{¡} = —^--для четырёхугольного типа микрорельефа и

л" +1

{'} = / + 1—т - Для шестиугольного типа; 2{п~ + п + 1 )

- подсчитывается величина подачи инструмента:

^ = I—Г1—\ " для четырёхугольного типа и

3 ~ / ^—I - для шестиугольного типа;

Ч 2 [п- + п +1)

- рассчитывается величина ¡' - отношение числа двойных ходов осциллирующего инструмента к числу оборотов заготовки: / = N ■ л ■ ¡1 ■ £;

- определяется размах осцилляции - р из формулы: 5 <2р(1-{/});

- подсчитывается радиус сферы деформирующего инструмента - г, задаваясь приближённым значением высоты выступов ПРМР - по

формуле: г = где 5 - наибольшая величина регулярного элемента

2

- ^ - для четырёхугольного типа, = ■ 5Г - для

■уЗ

шестиугольного типа, где 5;, - шаг в направлении угла у , определяемый

по формуле: = + р1 , (при выборе радиуса сферы

инструмента необходимо учитывать как величину усилия вдавливания, так и жёсткость заготовки, ограничивающую возможную область применения усилий);

- определяется величина усилия вдавливания методом пробных проходов.

Третья глава посвящена подбору, разработке оборудования для экспериментальных испытаний, выбору образцов для исследований.

Испытания были разбиты на три этапа - исследования и ускоренные испытания на образцах, испытания на штатных деталях на стендах и испытания в изделии.

Для ускоренных испытаний образцов, работающих в вакууме при высокой температуре, был спроектирован стенд (рис. 2), который представляет собой вакуумную камеру, внутри которой расположены два установленных соосно держателя образцов. Один держатель размещён в корпусе с возможностью вращения и кинематически связан с приводом вращения. Другой держатель установлен в корпусе с возможностью поворота; он кинематически связан с механизмом осевого нагружения. Внутри вакуумной камеры размещены ламповый нагреватель и защитные экраны. Кроме того, для предотвращения передачи тепла через держатель, он выполнен полым и снабжён системой охлаждения. Стенд содержит также измеритель момента трения, выполненный в виде коромысла, которое установлено на оси диска, закреплённого на коромысле и соединённого с помощью сильфона с вакуумной камерой.

1 - вакуумная камера

2 - вращающийся образец

3 -экраны

4 - нагреватель

5 - неподвижный образец

6 - система охлаждения

7 - рычаг механизма нагружения

8 - коромысло измерителя момента трения

9 - привод

Технические характеристики:

- максимальная степень вакуума -

1-107 мм рт.ст.

- температура в камере - +20 °С

...+800 °С

- скорость шпинделя —до 1000 об/мин

- удельная нагрузка - до 2 Н/см2

- время испытания -1,10,20 час

- емкость камеры -1 л

Рисунок 2 - Стенд для ускоренных испытаний образцов

При работе стенда с помощью специальной регулирующей аппаратуры постоянными поддерживаются на протяжении всего цикла испытаний

температура +650 °С и давление 1-10"^ мм рт.ст. Колебания этих величин записываются приборами, которые также выдают сигнал на отключение установки при достижении температуры и давления критических величин. Критическими величинами являются: для

температурного предела - +630 °С...+670 "С, для давления - 1-10"^ мм рт.ст.

После отбора и проверки материалов на стенде для ускоренных испытаний технология и режимы используются при конструировании изделия. Окончательную проверку детали проходят на специальной установке, имитирующей условия работы изделия.

В качестве образцов были выбраны втулки (рис. 3) с коэффициентом перекрытия 1,0. Контакт втулок по торцам создаёт условия наиболее приближенные к условиям работы пары трения в изделии и позволяет наиболее быстро её оценить.

Образцы помещаются в вакуумную камеру стенда, где их нагружают определённым осевым усилием, а одному образцу придают вращательное движение. Испытания проводятся в течение часа, десяти и двадцати часов. Испытания в течение часа - сравнительные базовые и служат для быстрой предварительной оценки работоспособности пары. Десятичасовым испытаниям подвергаются образцы, прошедшие часовые испытания и показавшие удовлетворительные результаты - низкий и стабильный коэффициент трения (не выше 0,3), малый износ. Двадцатичасовым испытаниям подвергаются образцы, прошедшие десятичасовые испытания и показавшие удовлетворительные результаты - низкий и стабильный коэффициент трения (не выше 0,2), малый износ.

С помощью тензодатчиков и точных регистрирующих приборов производится запись момента трения, возникающего при вращении подвижного образца относительно неподвижного. После обработки записанной диаграммы момента трения получаем зависимость коэффициента трения от времени.

Для определения износа образцов они взвешиваются непосредственно перед установкой в камеру и сразу же после остановки стенда и вскрытия камеры.

Для сопоставления результатов опытов по износостойкости материала, полученных при других схемах испытаний, определялась важная характеристика - путь трения: 5 = х-Дср-п-Т, где 5 - путь трения в метрах, Дср - средний диаметр образцов в метрах, п -скорость вращения «подвижного» образца в об/мин, т - время испытаний в минутах. Для данной установки: Дср = 0,024 м, л = 1000

об/мин; путь трения: при часовых испытаниях - 5 = л -0,024 1000-60 = 4524 м, при десятичасовых испытаниях - 5 = 45238 м, при двадцатичасовых испытаниях - 5 = 90475 м.

На основании литературных данных, опыта конструирования изделий, работающих в аналогичных условиях, в России и рекомендаций Всесоюзного института авиационных материалов (ВИАМ), в частности, занимающегося разработкой специальных материалов, для исследований были выбраны следующие конструкционные жаропрочные сплавы -ЭИ-828 и ВЖЛ-16. На поверхности образцов наносилось твёрдосмазочное покрытие на основе дисульфида молибдена - смазка ВНИИНП-229. Актуальной также является задача оценки качества покрытия, которая здесь также решалась. Создание регулярного микрорельефа на поверхности трения деталей с твёрдоплёночным покрытием позволяет осуществлять 100% неразрушающий контроль его качества.

Для воспроизведения способа образования ПРМР на наружных и внутренних цилиндрических, сферических и торцовых поверхностях разработанно устройство - виброголовка.

Четвёртая глава посвящена исследованиям влияния регулярного микрорельефа на эксплуатационные свойства пары трения, работающей в вакууме при высокой температуре. Исследования проводились в два этапа.

На первом этапе определялось влияние регулярного микрорельефа на коэффициент трения. Для создания регулярного микрорельефа на поверхностях трения посредством операции вибронакатывания была разработана специальная виброголовка, позволяющая варьировать усилием вдавливания деформирующего элемента, рисунком и размерами выдавливаемых канавок - регулярным микрорельефом. В результате экспериментальных исследований выявлено, что для работы с жидкой

смазкой оптимальным является частичный регулярный микрорельеф (ЧРМР) - рельеф первого вида - с не касающимися канавками. Для работы же в вакууме при температуре требуется поверхность, где большая площадь подверглась бы обработке с образованием регулярного микрорельефа.

Образцы испытывались в различном сочетании по нанесению покрытия и обработки вибронакатыванием в две серии. Состояние поверхности испытуемых образцов приведено в таблице 1.

Таблица 1 - Состояние поверхности испытуемых образцов

Номер пары трения Вид обработки поверхности образца

Вращающегося Неподвижного

1 ВП 0

2 ВГУ 0

3 0 П

4 внп 0

5 В1УП 0

6 ПВН 0

7 ПВ1У 0

8 ВП п

9 вл/ п

10 п п

11 пвп п

12 ПВ1У п

Обозначения к таблице 1: О - образцы после механической обработки - шлифованием - без покрытия и вибронакатывания, П -образцы после механической обработки и последующего нанесения твёрдоплёночнсй смазки ВНИИНП-229, ВН, ВIV - образцы вибронакатанные по II и ГУтипам рельефа соответственно, ПВН, ПВ1У -образцы с нанесенной твёрдоплёночной смазкой ВНИИНП-229 и последующего вибронакатывния по II и IV типам рельефа соответственно, В1УП - образцы вибронакатанные по IV типу рельефа и последующего нанесения твёрдоплёночной смазки ВНИИНП-229.

В первой серии испытаний контртелом служил образец без покрытия с поверхностью после шлифовки - с нерегулярной микрошероховатостью. Анализ результатов часовых испытаний позволил установить следующее:

образцы с нерегулярным микрорельефом - шлифованные -схватываются на первых же минутах работы;

образцы, упрочнённые регулярным микрорельефом, способны работать в вакууме при температуре, но с высоким коэффициентом трения 0,7...0,8 (рис. 4, графики 1 и 2);

создание регулярного микрорельефа на поверхности перед нанесением смазки ВНИИНП-229 обеспечивает оптимальную шероховатость для удержания твёрдосмазочного покрытия; коэффициент трения остаётся высоким 0,58-0,38 (рис.4, графики 3,4);

0.8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0

ШЩ1

-1 ВИ-0

1 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 |,МИН

0,8 0,7 0,6 0.5 -0,4 0,3 0,2 0,1 0

- * ПИП п

- а

-

;

1 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 1, МИН

0.8 0.7 0.6 0,5 •-0,4 : П —5ПВП - О гт

\

0.2 0.1 0

1 5 10 15 20 25 1, МИ 30 35 н 40 45 50 55 60

Рисунок 4 - Зависимость коэффициента трения от регулярности микрорельефа поверхности трения

вибронакатывание только одной поверхности трения после нанесения твёрдосмазочного покрытия недостаточно эффективно, вероятно, из-за малой толщины оставшегося смазочного покрытия (рис. 4, графики 4, 5).

Вторая серия испытаний проводилась с образцами в различном сочетании вибронакатывания и покрытия. Анализ результатов часовых испытаний позволил установить следующее:

регулярный микрорельеф имеет такое количество микровпадин, заполняемых смазкой ВНИИНП-229, при котором эффективность смазки наиболее высокая;

низкие значения коэффициента трения наблюдаются при нанесении твёрдоплёночного покрытия ВНИИНП-229 на обе рабочие поверхности и вибронакатывание одной из них с созданием полностью регулярного микрорельефа (ПРМР) - микрорельефа четвёртого типа; коэффициент трения в этом случае снижается до 0,08...0,11 (рис.4, график 6).

На втором этапе исследовалось также влияние регулярности микрорельефа поверхностей трения деталей приборов на износостойкость. За основу была взята пара, показавшая наименьший и стабильный коэффициент трения при часовых испытаниях (рис.4, график 12) - (покрытие - покрытие с последующим вибронакатыванием).

Для сравнения испытывались также пары с образцами, где покрытие наносилось на одну или обе трущиеся поверхности образцов после шлифования. Испытания продолжались 10 часов. При этом было установлено (рис.5), что:

- при нанесении твёрдосмазочного покрытия только на одну из трущихся поверхностей трения с последующим вибронакатыванием коэффициент трения непрерывно растёт и через 7 часов достигает величины 0,7 (график 1);

- плёнки твёрдых смазок на основе дисульфида молибдена обладают хорошими противоизносными и антифрикционными свойствами в течение 4 часов работы (графики 2, 3, 4).

Однако, по мере увеличения продолжительности испытания, вследствие полного истирания покрытия и вступления в контакт поверхностей с нерегулярным микрорельефом, коэффициент трения увеличивается до значения 0,28 для одностороннего покрытия (график 2) и 0,22 для двустороннего покрытия (график 3). Причём просматривается тенденция к его дальнейшему увеличению. Создание регулярного микрорельефа хотя бы на одной из трущихся поверхностей с твёрдосмазочным покрытием (график 5) обеспечивает низкий 0,06...0,08 коэффициент трения.

Для подтверждения факта увеличения износостойкости твёрдосмазочного покрытия при наличии регулярного микрорельефа на поверхности трения были проведены натурные испытания. Для этого были взяты подшипниковые цилиндрические и сферические втулки, изготовленные из материала ЭИ-828 и покрытые твёрдоплёночной смазкой ВНИИНП-229. Одну из контактируемых поверхностей пары трения подвергали вибронакатыванию для создания на поверхности регулярного микрорельефа рельефа IV типа - ПРМР. Испытания подтвердили факт увеличения износостойкости и запланированный ресурс в эксперименте был превышен в шесть раз.

1 - пара трения О - ПВ1У, 2 - пара трения О - П, 3 - пара трения П - П, 4 - пара трения ВГУ - П, 5 - пара трения П - ПВ1V

О - образец после шлифовки, П - образец с покрытием, В1У - образец после вибронакатывания с образованием регулярного микрорельефа IV типа, ПВ1У - образец с покрытием и вибронакатанный с образованием регулярного микрорельефа IV типа

Рисунок 5 - Влияние регулярности микрорельефа на износостойкость

Основные результаты и выводы

1. Экспериментально исследованы параметры регулярного микрорельефа, оптимальные по износостойкости и с достаточно низким коэффициентом трения подвижных деталей исполнительных механизмов приборов для работы в экстремальных условиях - в вакууме и высокой температуре; разработана технология получения рационального микрорельефа поверхности трения.

2. Исследовано влияние регуляризации микрорельефа на адгезию покрытия с подложкой. Выявлено, что вибронакатывание поверхности с твёрдоплёночным покрытием с образованием регулярного микрорельефа увеличивает адгезию покрытия к подложке в несколько раз. Предложен и апробирован способ нанесения твёрдоплёночного покрытия на основе дисульфида молибдена с образованием на поверхности регулярного микрорельефа.

3. Установлено, что для пар трения с твёрдосмазочным покрытием, работающих в вакууме 1-10 "5 мм рт.ст. при температуре 650 °С ,

регулярный микрорельеф обеспечивает снижение коэффициента трения до 0,08 и увеличение износостойкости покрытия в 2,5 раза.

4. Предложены критерии оценки антифрикционных свойств и износостойкости пар трения, работающих в вакууме при высокой температуре. Разработана технология изготовления пар трения путём нанесения твёрдоплёночного покрытия ВНИИНП-229 на обе трущиеся поверхности и создания на одной из них полного регулярного микрорельефа (ПРМР) - регулярного микрорельефа четвёртого типа.

5. Разработана экспериментальная методика подбора пар трения, работающих в вакууме при высокой температуре, получены уравнения в оболочке МаЛсас!, описывающие рабочие триботехнические характеристики пар трения.

СПИСОК РАБОТ, ОПУБЛИКОВАННЫХ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. A.c. № 1085380, МКИ В 24 В 39/04. Способ получения износостойкого покрытия образца материала // И.Р.Цимбал, Ю.Г.Шнейдер, Василенко В.Г. (СССР). - № 3362411/28; заявл. 08.12.81; опубл.03.07.88 - бюл.№19.

2. A.c. № 1220243, МКИ В 24 В 39/04. Устройство для нанесения регулярного микрорельефа // И.Н. Дмитриева, И.Р. Цимбал, Ю.Г.Шнейдер (СССР). - № 3742610/25-27; заявл. 02.04.84; опубл. 29.02.88 - бюл.№8.

3. A.c. № 1019296, МКИ G 01 № 19/04. Способ контроля качества покрытия Н В.Г. Василенко, И.Р. Цимбал (СССР). - № 2982392/25-28; заявл. 12.09.80; опубл. 23.05.83 - бюл. №19.

4. A.c. № 1021993, МКИ G 01 № 3/56. Машина трения // И.Р. Цимбал, Л.А. Чатынян, Т.А. Соловьёва. (СССР). - № 3350804/25-28; заявл. 04.11.81; опубл. 06.07.83 - бюл. №21.

5. A.c. № 1106651, МКИ В 25 В 29/02. Устройство для сборки резьбовых соединений II О.В. Вайн, A.C. Кузнецов, И.Р. Цимбал, (СССР). - № 3451009/25-28; заявл. 07.06.82; опубл. 07.08.84 -бюл. №29.

6. Цимбал И.Р. Способ повышения износостойкости твёрдосмазочных покрытий - Л., Ленинградский ЦНТИ, информ. листок, № 89-2770,1989,2 с.

7. Цимбал И.Р. Устройство для нанесения регулярного микрорельефа - Л., Ленинградский ЦНТИ, информ. листок, № 89-0894, 1989,4 с.

8. Цимбал И.Р. Стенд для исследования пар трения. - Л., Ленинградский ЦНТИ, информ. листок, №85-0500, 1984, 4 с.

9. Цимбал И.Р. Способ контроля качества покрытия. - Л., Ленинградский ЦНТИ, информ. листок, № 84-2318,1984,4 с.

11. Цимбал И.Р. Технологический процесс нанесения регулярного микрорельефа на поверхности трения подшипников скольжения. -Опубл. в MPC «ТТЭ», серия «Т», выпуск 01,1983,5 с.

12. Цимбал И.Р. Исследование влияния регулярного микрорельефа на работоспособность пары трения с покрытием ВНИИНП-229. - В кн.: Технологическое обеспечение, контроль и нормирование микрорельефа в машиностроении. - Л.: ЛДНТП, 1984, с. 57.

13. Беляков A.B., Задябина Т.Б., Цимбал И.Р., Соловьёва Т.А., Чатынян Л.А. Поверхностное упрочнение сплавов типа ВЖЛ с целью повышения их антифрикционных свойств // Авиационные материалы. Научно-тех.сб, ВИАМ, 1981, с. 38-46.

14. Цимбал И.Р., Горяев М.А. Повышение адгезии и прочности твёрдоплёночных покрытий. - В кн.: Физико-химические процессы в неорганических материалах. - Т.1. - Кемерово: Кузбассвузиздат, 2004, с. 659.

15. Цимбал И.Р. Метод и устройство для повышения надёжности, качества и износостойкости поверхностей трения. - В кн.: Технологии ремонта, восстановления, упрочнения и обновления машин, механизмов, оборудования и металлоконструкций. - СПб.: Издательство СПбГТУ, 2004, с. 458-459.

16. Цимбал И.Р., Кузьмин Ю.П. Повышение износостойкости пар трения приборов, работающих в экстремальных условиях // Металлообработка. - 2007 - №3 (39), с. 35-37.

17. Цимбал И.Р. Исследование влияния регуляризации микрорельефа на адгезию и прочность твёрдоплёночного покрытия // Сб. трудов VII Международной конференции «Трибология и надёжность», СПБ, ПГУПС, 4-6 октября 2007, с. 138-143.

18. Цимбал И.Р., Медунецкий В.М. Экспериментальное исследование влияния регуляризации микрорельефа на работоспособность пар трения приборов, работающих в экстремальных условиях // Труды 8-ой Международной научной школы «Фундаментальные и прикладные проблемы надежности и диагностики машин и механизмов», СПб, октябрь 2007г.

19. Медунецкий В.М., Цимбал И.Р. Исследование эксплуатационных свойств пар трения приборов, работающих в экстремальных условиях, // Сб. трудов 8-ой Международной научной конференции «Трибология и надёжность», СПБ, ПГУПС, 23-25 окт. 2008 , с. 296-306.

20. Цимбал И.Р., Медунецкий В.М. Обеспечение эксплуатационных свойств пар трения приборов, работающих в экстремальных условиях, с образованием регулярного микрорельефа // Металлообработка. - 2009 - (принято в печать).

Тиражирование и брошюровка выполнены в учреждении

«Университетские телекоммуникации»

197101, Санкт-Петербург, Саблинская ул., 14

Тел. (812) 233 4669 объем 1 пл.

Тираж 100 экз.

ВВЕДЕНИЕ.

Глава I. Пары трения, работающие в вакууме при высокой температуре.

1.1. Модели пар трения, работающих в вакууме.

1.2. Трение металлов при отсутствии смазки.

1.3. Качество поверхностей и его влияние на эксплуатационные свойства деталей приборов.

1.3.1. Влияние качества поверхностей на эксплуатационные свойства деталей приборов.

1.3.2. Проблема качества поверхностей.

1.3.3. Регуляризация микрорельефов поверхностей.

Выводы к главе I.

Глава II. Методика расчёта микрорельефа для пар трения узлов приборов, работающих в вакууме при высокой температуре.

2.1. Определение расчётных зависимостей параметров микрорельефа.

2.2. Определение влияния микрорельефа на адгезию твёрдоплёночного покрытия.

Выводы к главе II.

Глава III. Методика экспериментальных исследований. Технологическая оснастка, оборудование и инструмент.

3.1. Методика экспериментальных исследований.

3.2. Стенд для ускоренных испытаний пар трения, работающих в вакууме при высокой температуре.

3.3. Выбор образцов.

3.4. Технология, оборудование и инструмент для образования регулярного микрорельефа на поверхностях деталей приборов.

3.5. Технология, оборудование и инструмент для нанесения твёрдосмазочного покрытия.

3.6. Установка для испытания деталей и узлов приборов в вакууме при высокой температуре.

Выводы к главе III.

Глава IV. Экспериментальные исследования по обеспечению эксплуатационных свойств деталей приборов, работающих в вакууме при высокой температуре.

4.1. Исследование влияния регулярного микрорельефа поверхностей трения деталей приборов на коэффициент трения.

4.2. Исследование влияния регулярного микрорельефа на износостойкость и коэффициент трения пар трения при продолжительных испытаниях.

4.3. Металлографические исследования образцов после испытаний на трение скольжения.

4.4. Исследование влияния регулярного микрорельефа на износостойкость и коэффициент трения при натурных испытаниях.

Выводы к главе IV.

В основных направлениях экономического и социального развития России большое внимание отводится вопросам совершенствования технологии производства, применению базовых прогрессивных технологий, указывается на то, что необходимо более полно использовать при разработке новой техники и технологии возможности материалов с заранее заданными свойствами, особенно прогрессивных конструкционных, композиционных, сверхчистых и других материалов, обусловливающих высокий экономический эффект в народном хозяйстве, повысить надёжность и ресурс работы техники, комплексно исследовать строение Мирового океана и атмосферы, космического пространства, а также Вселенной.

Повышение надёжности машин, приборов, технологического оборудования и инструмента непосредственно связано с повышением износостойкости. Решение этой актуальной и практически необходимой задачи возможно только на базе глубоких научно обоснованных решений.

В этой связи исключительное значение приобретают работы в области триботехнического материаловедения (сплавов, полимеров, композитов, покрытий, упрочнения поверхностей трения и т.д.), а также теоретические и экспериментальные исследования в области физико-химической механики процессов трения и изнашивания с использованием новейших испытательных средств и измерительной техники, которые могут раскрыть и подсказать новые способы снижения потерь на трение и повышения износостойкости машин, приборов и оборудования.

Интенсивное развитие космонавтики, ракетной техники, ядерной энергетики, рентгеновской техники и ряда других областей выдвинули задачу обеспечения надёжной работы подвижных узлов механизмов приборов и аппаратов в экстремальных условиях (вакуум, высокая температура, интенсивные излучения разного рода, высокие контактные нагрузки и т.д.).

Проблема повышения надёжности приборов, машин и механизмов в таких условиях тесно связана с вопросами триботехники, с исследованиями контактного взаимодействия взаимно перемещающихся твёрдых тел, в результате которого в зоне контакта возникают силы трения.

Современная трибология располагает рядом фундаментальных теоретических и экспериментальных закономерностей, которые, безусловно, могут позволить в ближайшие годы успешно решать задачи в области сухого и граничного трения, газодинамической, гидродинамической и эластогидродинамической смазки, которые реализуются в различных узлах машин при трении скольжении, качении или качении со скольжением [1.8].

Принципиально новые конструктивные и смазочные материалы создаются один раз в 10. 15 лет, а то и реже.

На сегодняшний день академик МИА и РИА, президент Ассоциации инженеров-трибологов России, лауреат Большой золотой медали по трибологии, доктор технических наук А.В.Чичинадзе выделяет разделы и направления трибологии и триботехники [9], на которые необходимо особо обращать внимание, такие как:

- создание и оптимальное использование универсальных и целевых машин трения в исследованиях по трибологии и в практических задачах триботехники для оценки и выбора оптимальных материалов для конкретных служебных условий;

- разработка научных основ и практических рекомендаций, необходимых для создания износостойких антифрикционных материалов, новых технологий упрочнения и нанесения покрытий и др.

В связи с указанными выше направлениями трибологии и триботехники на передний план выдвигаются следующие проблемы:

- обеспечение экономически целесообразной наибольшей долговечности узлов трения или, по возможности, равной износостойкости по сравнению с другими частями машины при работе в различных средах;

-6- повышение работоспособности материалов и узлов трения в широком диапазоне температур (отрицательных и положительных);

- обеспечение минимального сопротивления движению.

Для преодоления этих проблем необходимо решить конкретную задачу триботехники - повысить несущую способность и долговечность массовых по изготовлению деталей (например, подшипников) за счёт новых технологий и материалов, а также оптимизации формы поверхностей трения.

При решении такой актуальной задачи необходимо проведение следующих исследований:

- тонких поверхностных слоёв при трении скольжения и качения, в том числе при использовании эффекта избирательного переноса; новых самосмазывающихся твёрдых и порошковых смазочных материалов;

- по оптимальному использованию новых технологических способов упрочнения поверхностей трения и нанесения антифрикционных и фрикционных покрытий.

Проблемами трения и смазки в различных условиях занимались отечественные и зарубежные исследователи: И.Я. Алыииц, Дж. Бойд, Е.Р. Брейтуейт, А.Г. Брегг, В.Э. Вайнштейн, И.В. Крагельский, Г.В.Курилов, А.А. Кутьков, К.Н. Войнов, И.М. Любарский, P.M. Матвеевский, М. Матеунага, Т. Накагава, К.С. Оливер, JI.H. Петрова, Б.П. Робетсон, JI.H. Сентюрихина, А.Д. Халтнер, К. Хоишлюто, А.А. Силин, Б.Н. Веркин, И.Н. Францевич, В.Е. Шиевский, B.JI. Тальрозе, JI.A. Чатынян и др.

Наиболее экстремальными условиями для работы пар трения создаются в космическом пространстве как в процессе прохождения ракетой плотных слоёв атмосферы, так и в условиях космического полёта.

Наибольшее влияние [10] при этом оказывают следующие факторы: - давление в диапазоне от атмосферного до 1-10 ~13 мм рт.ст.;

-7- температура с перепадом от -100 °С до +1000 °С при необходимости длительной работы при температуре порядка 500 °С и кратковременных возрастаниях температур свыше 1000 °С;

- скорости вращения в диапазоне от малых периодических до непрерывных, доходящих до 30000 об/мин. и выше;

- большие удельные нагрузки, связанные с необходимостью уменьшения веса и габаритов механизмов;

- наличие значительных вибраций и в связи с этим большие контактные нагрузки;

- воздействие окружающих магнитных полей и индуктивных электрических токов;

- активное воздействие космической среды на поверхности контакта, в первую очередь, излучение солнца, а также довольно интенсивная бомбардировка поверхностей потоками активных частиц;

- воздействие химически активных веществ (рабочих жидкостей в системах подачи топлива, горячих газов и т.д.);

- невесомость;

- собственное излучение ядерных космических объектов.

По усталостной теории И.В. Крагельского [11], поверхность трения разрушается от многократно повторяющегося процесса передеформирования поверхностных слоев [11, 12]. Эта теория предполагает наличие на поверхности тел плёнки, которая разделяет их и обеспечивает положительный градиент механических свойств по глубине тела.

Основное влияние вакуума на поведение пар трения проявляется в том, что поверхности твёрдых тел в вакууме освобождаются от покрывающих их обычно адсорбированных и хемосорбированных плёнок, вступают в непосредственный контакт друг с другом и образуют недопустимо прочные связи [14]. Силы адгезии при соприкосновении ювенильных поверхностей огромны, в результате чего возрастает коэффициент трения и, в конечном счёте, поверхности могут свариваться в холодном состоянии [15].

Большое внимание в нашей стране и за рубежом уделяется изучению вопросов изыскания материалов для пар трения, работающих в вакууме при высокой температуре. По литературным данным в различных конструкциях вакуумных систем широкое применение получили нержавеющие жаропрочные материалы с покрытием на основе дисульфида молибдена, диселенида молибдена, графита и других неметаллических материалов, срок службы которых определяется прочностью их сцепления с материалом основы.

Плёнки препятствуют глубинному вырыванию нижележащих слоёв, однако, не защищают от деформации, возникающей при скольжении выступов микрошероховатости поверхности.

Б.П. Лобашев и Ю.В. Макаров предложили [21] модель трения, позволяющую дать объяснение механизма смазочного действия твёрдых тел различной природы (слоистых, полимеров, мягких металлов, твёрдых соединений) на единой теоретической основе. В соответствии с нею механизм трения материалов рассматривается с точки зрения характера вторичных структур, природы и количества вероятных адгезионных связей.

С этих позиций низкое трение слоистых твёрдых тел (графита, дисульфида молибдена, других дихалькогенидов) и большей части полимеров обусловлено переносом материала — смазки на поверхность сопряжённого тела и образования вторичных структур на обеих поверхностях, отличающихся заметной ориентацией кристаллов плоскостями наименьшей стойкости вдоль направления скольжения.

Эффективную работоспособность в условиях вакуума и высоких температур сохраняют наиболее твёрдые материалы.

Эксплуатационные свойства деталей, как и качество приборов, машин, механизмов и оборудования, то есть обеспечение оптимального уровня их надёжности и точности в целом и в значительной степени зависят от качества рабочих поверхностей.

Качество поверхностей деталей определяется совокупностью геометрических и физико-химических характеристик.

Перед технологами стоят актуальные задачи в формировании в производственных условиях характеристик качества обрабатываемых поверхностей, отвечающих заданным эксплуатационным требованиям. Однако, в условиях современных темпов повышения требований к качеству контактирующих сопрягаемых поверхностей деталей машин и приборов подобные задачи не могут быть эффективно решены только применением традиционных методов механической обработки, основанных на резании материалов.

Успешное решение указанных задач возможно при использовании поверхностей с принципиально новыми свойствами микрогеометрии — регулярностью на основе установления связей характеристик качества с условиями обработки.

Достоинство и перспективность поверхностей с регулярными микрорельефами безусловны, поскольку практически впервые используется микрорельеф, все геометрические параметры которого (высотные, шаговые, площадные) могут быть рассчитаны аналитически как функции режимов вибронакатывания - операции, при которой образуется регулярный микрорельеф.

Актуальной является и задача получения прочного износостойкого покрытия и оценки качества покрытия. При этом одним из основных вопросов исследования пар трения, работающих в вакууме при высокой температуре, является создание в наземных вакуумных установках условий, приближённых к космическим и соответственно перенесение результатов экспериментов на механизмы, работающие в условиях космического пространства.

-10В соответствии с изложенным выше материал диссертации разбит на четыре главы.

В первой части первой главы на основе анализа литературы обсуждаются модели пар трения подвижных узлов исполнительных механизмов, работающих в вакууме при высокой температуре.

Вторая часть посвящена влиянию качества поверхностей на эксплуатационные свойства деталей. В ней также рассмотрены проблемы качества поверхностей. Основное внимание уделено регулярному микрорельефу поверхностей как один из путей решения этой проблемы.

Во второй главе обоснован выбор и дана методика расчёта микрорельефа, определяющего успешную работу пар трения узлов приборов в вакууме при высокой температуре, включающие: определение влияния микрорельефа на адгезию твёрдоплёночного покрытия; исследование влияния регулярного микрорельефа на эксплуатационные свойства пары трения, работающей в вакууме при высокой температуре; определение расчётных зависимостей параметров микрорельефа для проектирования пары трения приборов, работающих в вакууме при высокой температуре.

Третья глава описывает методику экспериментальных исследований пар трения, работающих в вакууме при высокой температуре. Представлены разработанные автором технология, оснастка, инструмент для нанесения и контроля твёрдоплёночного покрытия для формирования регулярного микрорельефа, используемое оборудование. Подробно описан разработанный при участии автора стенд для ускоренных испытаний пар трения, работающих в вакууме при высокой температуре. Рассмотрена установка для ресурсных испытаний деталей и узлов приборов в вакууме при высокой температуре.

Четвёртая глава посвящена исследованию влияния регулярного микрорельефа на эксплуатационные свойства пар трения, работающих в вакууме при высокой температуре. Глава содержит результаты экспериментальных исследований влияния регулярного микрорельефа поверхностей трения деталей приборов на коэффициент трения, на износостойкость. Проведены как ускоренные испытания на образцах - для быстрой оценки результата и отбора наилучших сочетаний трущихся пар, так и ресурсные испытания на штатных деталях. В главе также приведены результаты исследований влияния регулярного микрорельефа на износостойкость и коэффициент трения пар трения при натурных испытаниях, а также практические рекомендации. Кроме того, в оболочке компьютерной программы Mathcad получены соответствующие уравнения, описывающие экспериментальные триботехнические характеристики.

Положения, выносимые на защиту диссертации

Получение регулярного микрорельефа ответственных поверхностей трения деталей из сплавов ЭИ-828 и ВЖЛ-16, обеспечивающего в период приработки их высокую работоспособность в вакууме при температуре до 700 °С.

Создание регулярного микрорельефа на поверхностях трения с твёрдоплёночным покрытием путём вибрпонакатывания в несколько раз увеличивает адгезию покрытия к подложке, что реализовано с помощью созданного стенда, виброголовки и специальной оснастки.

Регулярный микрорельеф поверхностей трения деталей с твёрдосмазочным покрытием ВНИИНП-229 при работе в вакууме при высокой температуре снижает коэффициент трения пары и увеличивает износостойкость смазочного покрытия. Установлен общий вид поверхностей трения с ПРМР (полностью регулярный микрорельеф).

Определены количественные триботехнические характеристики, получены формулы и построены графики для исследованных материалов пар трения в специфических условиях эксплуатации.

Разработанные автором технологическая инструкция и технологический процесс для нанесения и контроля твёрдоплёночного покрытия на основе дисульфида молибдена, создание на поверхностях трения регулярного микрорельфа позволили конструкторам создать надёжный узел трения в изделии, работающем в вакууме при высокой температуре.

Основные результаты и выводы

1. Теоретически обоснованы, рассчитаны параметры регулярного микрорельефа оптимальной по износостойкости с низким коэффициентом трения пары трения узлов приборов для работы в экстремальных условиях - в вакууме при высокой температуре и отработана технология её изготовления.

2. Исследовано влияние регуляризации микрорельефа на адгезию покрытия. Показано, что регуляризация микрорельефа поверхности с плёночным покрытием увеличивает адгезию покрытия в несколько раз. Предложен способ и технология нанесения твёрдоплёночного покрытия на основе дисульфида молибдена с образованием на поверхности регулярного микрорельефа.

3. Установлено, что для пар трения с твёрдосмазочным покрытием, работающих в вакууме при высокой температуре, регуляризация микрорельефа обеспечивает снижение коэффициента трения и увеличение износостойкости покрытия.

-1024. Предложены критерии оценки антифрикционных свойств и износостойкости пар трения, работающих в вакууме при высокой температуре. Разработана технология изготовления пар трения путём нанесения твёрдоплёночного покрытия ВНИИНП-229 на обе трущиеся поверхности и создания на одной из них полного регулярного микрорельефа (ПРМР) - регулярного микрорельефа IV типа.

5. Разработана методика подбора пар трения, работающих в вакууме при высокой температуре. Выработаны критерии оценки работоспособности пар трения.

Заключение.

Создание и отработка пар трения для изделия, работающего в вакууме при высокой температуре, явилось сложнейшей научно-технической задачей. Она решалась поэтапно и в различных направлениях в течение длительного времени, что было связано с комплексом проблем по выбору пары трения - материалом, смазки, способу нанесения её и с большим ресурсом испытания изделия.

Наибольшее распространение среди твёрдых смазочных покрытий для работы в вакууме при высокой температуре нашло покрытие на основе дисульфида молибдена. Существующие методы нанесения покрытия — натирание, напыление, электрофоретическое - обладают существенными недостатками - слабая адгезия покрытия к подложке, малая толщина покрытия и трудность выдерживания необходимых размеров в сопрягаемых трущихся деталях. Регуляризация микрорельефа увеличивает адгезию в несколько раз.

Впервые исследовано влияние регуляризации микрорельефа поверхностей пар трения приборов, работающих в вакууме при высокой температуре, на коэффициент трения и износостойкость.

Впервые теоретически обоснованы, рассчитаны параметры регулярного микрорельефа, позволяющего получить пару трения с низким коэффициентом трения и высокой износостойкостью для работы в экстремальных условиях - в вакууме, при высокой температуре и отработана технология её изготовления.

Разработанные автором и в соавторстве «Устройство для нанесения регулярного микрорельефа», технологические инструкции - «Выглаживание поверхностей трения тел вращения» и «Вибронакатывание поверхностей трения с покрытием ВНИИНП-229» позволяют создавать пары трения с твёрдоплёночным покрытием на основе дисульфида молибдена с регулярным микрорельефом. Устройство защищено авторским свидетельством [83].

Разработанные для исследований — «Способ получения износостойкого покрытия» [96] и «Способ контроля качества покрытия» [97] защищены авторскими свидетельствами и внедрены в производство. Изготовленные и проверенные с помощью этих способов около 100 изделий проработали свыше 10 ООО часов и ни в одном случае не показали отслоения покрытия, а потеря массы (осыпаемость) уменьшилась в 10 раз по сравнению с образцами, изготовленными по прежней технологии -нанесение твёрдоплёночного покрытия на шлифованную и пескоструйно обработанную поверхность.

Для проверки научных предположений и результатов многолетних поисков по подбору пар трения был спроектирован, изготовлен и успешно использован в исследованиях стенд. Стенд позволяет достаточно быстро дать оценку работоспособности пары, работающей при температуре до 700°С и в вакууме не ниже 1-Ю"6 мм рт.ст. Стенд защищен авторским свидетельством [99].

Для проверки работоспособности деталей и узлов изделия в условиях близких к натурным была спроектирована и изготовлена установка. Установка позволяет испытывать детали и узлы по определённому закону движения в течение не менее 10 ООО часов при температуре до 600°С и в вакууме не ниже 1-Ю"5 мм рт.ст.

Автор благодарен доктору техн. наук Ю.Г.Шнейдеру, по предложению и под руководством которого были начаты настоящие исследования - «Влияние регуляризации поверхностного слоя на эксплуатационные свойства пар трения, работающих в вакууме при высокой температуре», доктору техн. наук Л.А.Чатыняну, кандидату техн.наук Т.А. Соловьёвой за предоставленную возможность испытания первых образцов на стенде и помощь при создании собственного стенда, доктору техн. наук М.А.Горяеву за постоянный интерес к работе и плодотворное сотрудничество в области адгезии и прочности твёрдоплёночных покрытий.

1. Богданович П.Н., Прушак В.Я. Трение и износ в машинах. Минск: Высшая школа, 1999. -374с.

2. Гаркунов Д.Н. Триботехника. М.: Машиностроение, 1989. -328с.

3. Крагельский И.В. Трение и износ. М.: Машиностроение, 1968. -480с.

4. Мур Д. Основы и применение триботехники. М.: Мир, 1987. -487 с.

5. Мышкин Н.К., Петроковец М.И. Принципы и приложения. Гомель: ИММС НАШ, 2002. -310с.

6. Основы трибологии / Под ред. А.В.Чичинадзе М.: Машиностроение, 2001.-664с.

7. Практическая трибология (мировой опыт) / Под ред. А.В.Чичинадзе. М.: Центр « Наука и техника », 1994. Т. 2. -204с.

8. Словарь-справочник по трению,износу и смазке машин / В.Д.Зозуля и др. Киев : Наукова думка, 1990. -264с.

9. Трение, износ и смазка ( трибология и триботехника ) / А.В.Чичинадзе, Э.М.Берлинер, Э.Д.Браун и др.; Под общ. ред. А.В.Чичинадзе. М.: Машиностроение, 2003. 576.; ил.

10. Крагельский И.В. Приближённый расчёт износа сопряжений. // Вестник машиностроения, 1974, №4. С.36-38.

11. Ахматов А.С. Молекулярная физика граничного трения. М.: Физматгиз,1963. -472с.

12. Джафф Л.Д., Ритенхауз Дж. Б. Расчёт на трение и износ // Ракетная техника, 1962, №3. С.24-28.

13. Веркин Б.И., Кравченко Е.Л., Люличев А.Н. О природе схватывания твёрдых тел. М.: Наука, 1968. -178с.

14. Боуден Ф.П., Тейбор Д. Трение и износ твёрдых тел. М.: Машиностроение, 1968. -563с.

15. Крагельский И.В. Трение и износ. М.: Машиностроение, 1962. 383с.

16. Костецкий Б.И. Трение, смазка и износ в машинах. Киев: Техника,1970. -395с.

17. Семенов А.П. Схватывание металлов.- М.: Машгиз, 1958. -280с.

18. Любарский И.М., Покатник Л.С. Металлофизика трения. М.: Металлургия, 1976. -176с.

19. Диплом №121. Открытие эффекта аномального низкого трения.- Опубл. Б.И.,1973, №13.

20. Holjnskj R. Экспериментальное изучение механизма смазочного действия дисульфида молибдена. Доклад на международной конференции по твёрдым смазкам 24-27 августа 1971 .г. Денвер (штат Коларадо). С. 46-50.

21. Ермаков А.Т., Матвеевский P.M., Силин А.А. Исследование сверхнизкого трения диффузионного покрытия М-801 при высокой температуре / В кн.: Современные методы и средства исследования и измерения внешнего трения, М.:ВНИИФТРИ, 1980. С. 33-38.

22. Гаркунов Д.Н., Поляков А.А. Повышение износостойкости деталей конструкций самолётов. М.: Машиностроение, 1974. -200с.

23. Дмитриев Б.С., Зиновьев В.М. и др. Использование эффекта избирательного переноса для повышения долговечности судовых узлов трения. Л.: Технология судостроения, ЦНИИТС, 1973, №8. С.14-19.

24. Rjttenhouse J.B., Jaffe L.D., Nagler R.G., Marteus H.E. / Results of Randger 1 Flight Frictjon Experiment, AIAA , Journal 1, №8, 1963. P.1913-1915.

25. Ham John Cohesion of Copper and Steel Repeatedly Fractured and Rejoined in Vacuum, SAE, Preptints, Nr.632 . D. 1963.

26. Barnes D.I. at all Surpace Physics, Cavendish Laboratory, University of Cambridge (England).

27. Алексеев В.И., Ковальченко М.С. Износостойкость переходных металлов, их тугоплавких соединений и твёрдых сплавов при трении в вакууме без смазки // Вестник машиностроения, 1974, №11. С.39-41.

28. Королёв Б.И., Кузнецов В.И., Пипко А.И., Плисковский В.Я. Основы вакуумной техники. М.: Энергия, 1975. -415с.

29. Bruescke Е.Е., Ecerman В. Device for the measurement of friction at ultrahigh vacuum// Scient. Instruments, vol. 34, Nr.9, 1963. P. 978-980.

30. Вайнштейн В.Э., Трояновская Г.Н. Сухие смазки и самосмазывающие материалы. М.: Машиностроение, 1968. -178с.

31. Алексеев П.Г. Машинам быть долговечными. Тула, Приокское книжное изд-во, 1973.

32. Балтер М.А. Упрочнение деталей машин. М.: Машиностроение, 1978. -184с.

33. Боуден Ф.П., Тейбор Д. Трение и смазка твёрдых тел. М.: Машиностроение, 1968. -543с.

34. Букин Б.И. Исследование образования регулярных микрорельефов поверхностей с заданными физико-механическими свойствами.- Дис.канд. техн. наук.- JI.,1975.

35. Бунга Г.М. Исследование процесса вибрационного накатывания.- Дис. канд. техн. наук.- Л., 1965.

36. Бурков Г.М. Исследование процесса обработки поверхностей инструментом ударного действия с вращающейся эксцентриковой массой. Дис. канд. техн. наук.- Ростов-на-Дону, 1972.

37. Витенберг Ю.Р. Шероховатость поверхности и методы ее оценки.-Л.: Судостроение, 1971. С. 107.

38. Георгиев Д.С. Исследование процесса отделочного вибронакатывания нежёстких валов типа штоков гидроцилиндров.- Дис. канд. техн. наук. Киев, 1978.

39. Гузок Я.В. Повышение эксплуатационных свойств малых герметичных холодильникокомпрессоров за счёт оптимизации микрорельефа поверхностей деталей трущихся пар.- Дис. канд. техн. наук. Л., 1972

40. Дальский A.M. Технологическое обеспечение надёжности высокоточных деталей машин. М.: Машиностроение, 1975. -224с.

41. Забродин В.А. Исследование технологического обеспечения качества неподвижных соединений. Автореф. Дис. канд. техн. наук.- Брянск, 1981.-25с.-10649. Кащеев В.Н. Процессы в зоне фрикционного контакта металлов.- М.: Машиностроение, 1978, -215с.

42. Коновалов Е.Г.,Сидоренко В.А. Чистовая и упрочняющая ротационная обработка поверхностей. Минск: Высшая школа, 1968. -276 с.

43. Костецкий Б.И., Колесниченко Н.Ф. Качество поверхностей и трение в машинах. Киев: Техник, 1969. -216с.

44. Кравцов А.Н. Исследование влияния микрорельефа деталей трущихся пар на их эксплуатационные свойства.- Дис. канд. техн. наук.- JL, 1968.

45. Маккавеев Е.П. Использование многошарикового накатника для образования регулярных рельефов.- JL, Ленинградский ЦНТИ, Информационный листок №959-80, 1980.

46. Маккавеев Е.П. Управление степенью наклепа поверхностей с регулярным микрорельефом. Л.: Ленинградский ЦНТИ, Информационный листок №741-81, 1981.

47. Металин А.А. Качество поверхностей и эксплуатационные свойства деталей машин. М.: Машгиз, 1956. -47с.

48. Назиров Р.У. Исследование процесса образования регулярного микрорельефа (4-го вида), его геометрические характеристики и их связи с некоторыми эксплуатационными свойствами поверхностей.- Дис.канд. техн. наук.- Л., 1974.

49. Папшев Д. Д. Отделочно-упрочняющая обработка поверхностей пластическим деформированием. М.: Машиностроение, 1978. -158с.

50. Построение номограмм полиноминальных моделей с помощью ЭВМ. Методические указания по дисциплине "Основы научных исследований"-для студентов специальности 0501. Киев, 1980.

51. Рыжов Э.В., Суслов А.Г., Улашкин А.П. Комплексный параметр для оценки свойств поверхностей трения деталей машин // Трение и износ, т.1, 1980, №3.-350с.

52. Суслов А.Г. Технологическое обеспечение параметров качества поверхностей деталей машин, определяющих их контактное взаимодействие / В кн.: Контактная жёсткость в приборо и машиностроении: Тез. докл. всесоюзной конф, Рига, 1979. С. 114-120.

53. Улашкин А.П. Исследование зависимости износостойкости от комплексного параметра свойств поверхностного слоя.- В кн.: Технологическое обеспечение повышение качества и долговечности деталей машин и инструментов, Тула, ТЛИ, 1980. С. 12-28.

54. Фридман Я.Б. Механические свойства металлов. Часть 2. Механические испытания, конструкционная прочность. М.: Машиностроение, 1974. -368с.

55. Шнейдер Ю.Г. Образование регулярных микрорельефов на деталях и их эксплуатационные свойства. JL: Машиностроение, 1972. -240с.

56. Улашкин А.П. Технологическое управление комплексом параметров свойств поверхностного слоя деталей машин, определяющих их износостойкость, при отделочно-упрочняющей обработке.- Дис.канд. техн. наук.- Брянск, 1981.

57. Демкин Н.Б., Рыжов Э.В. Качество поверхности и контакт деталей машин. М.: Машиностроение, 1981. -244с.

58. Комбалов B.C. Влияние шероховатости твёрдых тел на трение и износ. М.: Наука, 1974. -111с.

59. Рыжов Э.В., Суслов А.Г., Федоров В.П. Технологическое обеспечение деталей машин.- М.: Машиностроение, 1979. -176с.

60. Торбило В.М. Алмазное выглаживание. М.: Машиностроение, 1972. ' 104с.

61. Уортехауз Р.Б. Фретинг-коррозия. Л.: Машиностроение, 1976. -272с.

62. Хусу А.П. и др. Шероховатость поверхностей. М., Наука, 1975. -198с.

63. Костецкий Б.И. Трение, смазка и износ в машинах. Киев, Техника, 1970. -395с.

64. Трение, изнашивание и смазка. Спр. в 2-х кн. Под ред. Крагельского И.В., АлисинаВ.В. М.: Машиностроение, 1979, т.2. -358с.

65. Балакшин Б.С. Основы технологии машиностроения. М.: Машиностроение, 1969. -560с.

66. Крылов Е.И. Исследование точности процесса образования регулярных микрорельефов.- Дис.канд. техн. наук.- Чита, 1981.

67. Петросов В.В. Гидродробеструйное упрочнение деталей и инструмента. М.: Машиностроение, 1977. -167с.

68. Проскуряков Ю.Г. Технология упрочняюще-калибруюгцей обработки металлов. М.: Машиностроение, 1971. -208с.

69. Спиридонов А.А., Соколов В.М. Факторы режима центробежно-шариковой обработки / В кн.: Вопросы технологии машиностроения.-Машгиз, УПИД956, №63. С.13-19.

70. Федоров В.Б. Исследование процессов динамического и статического упрочнения сталей шариками.- Дис.канд. техн. наук.- Свердловск, 1961.

71. А.с. №191382 СССР, МПК В 44 с. Способ декоративной обработки/ Ю.Г.Шнейдер. (СССР). -№783667/25-8; Заявл.21.06.62; Опубл. 14.01.67. -Бюл. №3.

72. А.с. №203713 СССР, МПК С 21 d . Устройство для обработки плоских линейчатых поверхностей деталей/ Ю.Г.Шнейдер, А.Н.Кравцов, И.Я.Персин, Г.Г.Теннисон. (СССР). №1125636/22-1; Заявл. 05.01.67; Опубл. 09.10.67.-Бюл. №21.

73. А.с. №313647 СССР, МПК В 24 b 39/02. Способ упрочнения поверхности металлических изделий/ Ю.Г.Шнейдер, Г.Г.Лебединский. (СССР). -№1442838/25-27; Заявл.25.05.70; Опубл. 07.09.71; Бюл. № 27.

74. А.с. №319455 СССР, МПК В 24 b 39/00. Устройство для обработки плоских поверхностей виброобкатыванием/ Ю.Г.Шнейдер, Ю.И.Мулин (СССР). № 1309524/25-8; Заявл. 21.02.69; Опубл. 02.11.71; - Бюл. № 33.

75. А.с. №321543 СССР, МПК С 21 d 7/04. Устройство для обработки шариком внутренних цилиндрических поверхностей деталей/ Ю.Г.Шнейдер, Ю.С.Дворянов, В.П.Гамагин. (СССР). №1264770/25-8; Заявл. 29.07.68; Опубл. 19.11.71; - Бюл. №35.

76. А.с. №500833 СССР, МПК В 21 b 27/02 . Валок для холодной прокатки/ Ю.Г.Шнейдер, Ю.Л.Баранов (СССР). №2043794/22-2; Заявл. 16.07.74; Опубл. 30.01.76; - Бюл. №4.

77. А.с. №538794 СССР, МПК В 21 Н 3/06. Устройство для обработки винтовых профилей/ Ю.Г.Шнейдер, С.А.Дубиняк, С.Г.Рожук, П.Д.Кривый, А.Г.Рудник. (СССР). №2180054/25-27; Заявл. 30.09.75; Опубл. 15.12.76; -Бюл. №46.

78. Крагельский И.В. и др. Трение и износ в вакууме. М.: Машиностроение, 1973. -216с.-11093. Лакокрасочные покрытия в машиностроении / Справочник. Под ред. Гольдберга М.М., М.: Машиностроение, 1974 . -450 с.

79. Рекомендации по созданию регулярных микрорельефов на поверхностях деталей машин и приборов способом вибрационного накатывания. Горький: ВНИИНМАШ, 1977. -72с.

80. А.с. № 1106651 СССР, МКИ В 25 В 29/02 . Устройство для сборки резьбовых соединений/ О.В.Вайн, И.Р.Цимбал, А.С.Кузнецов. (СССР). -№ 3451009/25-28; Заявл. 07.06.82; Опубл. 07.08.84. -Бюл.№29.

81. А.с. № 1019296 СССР, МКИ G 01 N 19/04. Способ контроля качества покрытия/ В.Г.Василенко, И.Р.Цимбал. (СССР). № 2982392/25-28; Заявл. 12.09.80; Опубл. 23.05.83. - Бюл.№19.

82. А.с. № 1085380, МКИ В 24 В 39/04. Способ получения износостойкого покрытия образца материала // И.Р.Цимбал, Ю.Г.Шнейдер, Василенко В.Г. (СССР). -№ 3362411/28; заявл. 08.12.81; опубл.03.07.88 бюл.№19.

83. А.с. № 991259 СССР, МКИ G 01 N 3/56. Устройство для испытания на износ и трение при высоких температурах/ М.И.Ланда и др. (СССР).

84. А.с. № Ю21993 СССР, МКИ G 01 N 3/56. Машина трения/ И.Р.Цимбал, Л.А.Чатынян, Т.А.Соловьёва (СССР). -№ 3350804/25-28; Заявл. 04.11.81; Опубл. 07.06.83. Бюл.№19.