автореферат диссертации по химической технологии, 05.17.08, диссертация на тему:Трибохимические исследования процессов диагностики и сервиса технологического оборудования

На правах рукописи

ГОДИН ВЛАДИМИР МИХАЙЛОВИЧ

ТРИБОХИМИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ---

ПРОЦЕССОВ ДИАГНОСТИКИ И СЕРВИСА ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ОБОРУДОВАНИЯ

05.17.08 - Процессы и аппараты химических технологий

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Москва 2004

Работа выполнена на кафедре технической механики Московского государственного университета сервиса

Научный консультант:

доктор технических наук, профессор

Лукашев Евгений Алексеевич

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор,

лауреат Государствешой премии СССР

Попов Юрий Петрович

доктор технических наук, профессор, лауреат премии Правительства РФ

Путилов Александр Валентинович

доктор технических наук, профессор, лауреат премии Правительства РФ

Пузряков Анатолий Филиппович

Ведущая организация- Федеральное государствежгае унитарное предприятие Научно-исследовательский институт «Геодезия»

НС

Защита состоится_

в аудитории _

2004г в чв

на заседании диссертационного совета

Д.212 1 50.05 при Московском государствешом университете сервиса по адресу 141220, Московская обл., Пушкинский р-н, Черкизово, ул. Главная, 99

С диссертщией можно ознакомиться в библиотеке Московского государственного университета сервиса.

Автореферат разослан

2001 года.

Ученый секретарь диссертационного совета, / "Ч —

Пашковский Игорь Эдуардович

13&9

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Диссертация посвящена трибохимическим исследованиям процессов трения и водородного износа. Результаты исследований положены в основу диагностики узлов трения и методов борьбы с водородным износом в процессе эксплуатации и сервисного сопровождения машин и агрегатов на предприятиях бытового обслуживания, легкой и деревообрабатывающей промышленности, автомобильного, железнодорожного и авиационного транспорта

Работа выполнялась по координационному плану стандар гизащ« по проблеме «Обеспечение износостойкости деталей машин и механизмов» на 1976 - 80 г, коорди-нациошюму плану НИР АН СССР по проблеме «Трение и износ твердых тел» на 198186 г, координационному плану НИР АН СССР по проблеме «Трение и механика использования энершаккумулирующих веществ, в том числе гидридов и восстановления окислов» на 1986 - 90 г, Постановлениями Совета министров СССР № 359 от 26.03.87 и ГКНТ ССС № 349 от 3 07.85 и № 193 от 3 06 86 и приказами по министерству бытового обслуживания РСФСР № 178 от 21.М.86 и № 365 от 31.0787

Исследования и конструкторские разработки, представленные в диссертации, выполнены под руководством автора в лаборатории «Водородного изнашивания» при МТИ, в научно-исследовательском секторе МТИ, в научно-производственном предприятии «Трибо», а также при выполнении диссертационных работ на соискание ученой степени кандидата технических наук Ставровским М Е и CaeainyK Р В

АКТУАЛЬНОСТЬ ПРОБЛЕМЫ Трибохимия водородного износа определяет надежность и срок службы оборудования и машин, имеющих в своем составе узлы тремя. Износ, в особенности водородный износ, является наиболее существенным фактором, который должны учитывать разработчики новой техники и специалисты, занимающиеся ее эксплуатацией и обслуживанием Материаловедение в настоящее время является бурно развивающейся областью Однако вовлечение новых конструкционных материалов в процесс создания новой техники, технологий диагностики и сервиса технологического оборудования зачастую сдерживается отсутствием методов испытаний в заданных условиях эксплуатации Прогресс триботехники в настоящее время определяется решением задач, возникших на стыке механики и химии, которые являютсяпред-метом исследования специальных дисциплин механохимии и трибохимии

В понятие сервис вкладывается весь комплекс мероприятий, позволяющих обеспечить безопасность, надежность и функциональную работоспособность машин, агрегатов и входяшрх в них узлов и деталей Развит дссята-

РОС'библиотека 1

летая в различных отраслях производства, коммунального и сельского хозяйства, торговли стало насущной проблемой в силу расширения конкуренции и быстрой смены номенклатуры товаров Это развитие стало возможным благодаря совершенствованию технологий сервиса Высокотехнологичсская продукция машиностроения (автомобили, холодильники, пылесосы, кухонные комбайны и т п), промышленности электронной техники (телевизоры, видеомагнитофоны, персональные компьютеры) стала необходимым элементом современного быта

Активная техническая политика в области высокотехнологической продукции требует особого внимания к трем ее элементам (1) разработке и выпуску высокотехнологической продукции, (2) экономической составтающей политики, обеспечивающей выход данной продукции на потребительские рынки, и, наконец, (3) сервису продукции от стадии информирования потребителя вплоть до стадии утилизации, т е обеспечение полного жизненного цикла изделия Развитие технологий сервиса и диа! ностики технологического оборудования требует повышенного внимания к проблемам износа Российская научная школа является одной из передовых в этой области Большой прогресс достигнут блаюдаря работам российских ученых Крагсльского И В , Гаркунова ДII, Ахматова А С, Ипшинского А.Ю , Полякова А А , Костецкого Б И, Дерягина Б В., Ре-биндера IIА и многих других В последнее время многообещающие практические и теоретические результаты получены в работах Кужарова А С, Лукашева Е.А, Прокопенко В.А и других

ЦЕЛЬ РАБОТЫ - разработка триботехнического измерительного комплекса для исследования трибохимии водородного износа, разработка методик для определения водорода в материалах деталей узлов трения, исследование триботехнического наводо-роживания и его связь с износом материалов, применение разработанных методов и аппаратуры для диагностики и снижения водородного износа материалов узлов фения, апробация полученных результатов на предприятиях при обслуживании машин, агрегатов и технологического оборудования

Поставленная цель достигалась в следующих направлгниях 1 разработка методов диагностики износостойкости и рекомендаций по применению разработанных технологических приемов снижения водородного износа, в том числе финишной антифрикционной безаобразивной обработки и обкатки в технологических средах, имеющих в своем составе медьсодержащие металлоплакируюшие присадки к маслам, на стадиях производства, эксплуатации и сервиса продукции машиностроения.

2 исследование водородного износа и технологических приемов защиты от него в условиях эксплуатации деталей различных узлов и агрегатов.

3 разраб01катриботехяического измерительного комплекса и методик определения «металлургического», «технологического» и триботехнического водорода

НАУЧНАЯ НОВИЗНА заключается в анализе современных проблем триботехники и трибохимии водородного износа и смазочных материалов; в разработке триботехнического измерительного комплекса, в котором объединены новые технические решения в форме оптоэлектронных датчиков износа, установок вакуумной экстракции и лазерного отбора проб водорода, твердоэлектролитного датчика водорода, в новых методиках прецизионных и ускоренных испытаний трибохимических систем с использованием триботехнического измерительного комплекса для исследования процессов трибохимии водородного износа, в результатах исследования взаимосвязи наводоро-живания материалов при трении с их износом и разработке технологических приемов защиты от водородного износа путем применения металлоплакирующих противоиз-носных медьсодержащих присадок

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЦЕННОСТЬ заключается в технологических приемах защиты узлов трения от водородного износа, включая использование металлоплакирующих противоизносных медьсодержащих присадок, в форме финишной антифрикционной безабразивной обработки, обкатки в технологических средах, повышения сроков службы эксплуатируемого оборудования, методиках диагностики и рекомендациях для снижения водородного износа при эксплуатации деталей узлов трения бытовой техники, механизмов швейных машин, лезвийного инструмента машин скользящего резания кожевешго-обувных и текстильных материалов, деревообрабатывающего инструмента, насосов, двигателей внутреннего сгорания деталей узлов трения автомашин, дизельной техники специального назначения и путевых машин железнодорожного транспорта.

ПУБЛИКАЦИИ По результатам диссертационной работы опубликовано 45 печатных работ, включая 2 монографии и 9 патентов (авторских свидетельств) на изобретения.

АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ Результаты работы докладывашсь на областном семинаре «Опыт исследования быстропрогскающих процессов в механике текстильных машин» (Пенза, 1981), региональной научно-технической конференции «Повышение качества и производительности обработки деталей машин и приборов» (Горький, 1984), Всесоюзной научно-технической конференции «Современные проблемы триботехно-логии» (Николаев, 1988), республиканской научно-технической конференции «Научно-

технический прогресс в сфере услуг» (Уфа, 1988), зональной научно-технической конференции «Повышение надежности изделий триботехническими методами» (Пенза, 1988), V Всеооюзной конференции «Методы определения и исследования газов в металлах» (Москва, 1988), Всесоюзной научно-технической конференции «Повышение качества и надежности продукции, программного обеспечения ЭВМ и технических средств обучения» (Куйбышев. 1989), научно-технической конференции ГАСНУ «От фундаментальных исследований до практического внедрения» (Москва, 1993), международной научно-технической конференции «Неука сервису» (Москва, 1996)

Выполненные автором разработки экспонировались на ВДНХ СССР Постановлением Совета Министров РСФСР от 16.04 91 г № 202 автору в составе коллектива присуждена единовременная премия Совета Министров РСФСР за «Разработку, исследование и внедрение методов повышения срока службы машин, технологического оборудования и транспортных средств предприятий бытового обслуживания на основе безызносиости»

СТРУКТУРА И ОБЪЕМ ДИССЕРТАЦИИ Диссертация состой из введения, четырех глав, выводов, списка цитированной литературы и приложения Объем диссертации составляет 368 страниц; он включает 268 страниц основного машинописного текста, 99 рисунков, 52 таблицы, выводы, список литературы (341 наименования), приложение к диссертации составляет 87 страниц

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Во введении обоснована актуальность проблемы, сформулирована цель и направление исследований Научная новизна и практическая ценность связаны с развитием экспериментальной триботехники и трибохимии разработкой триботехнического измерительного комплекса, исследованием процесса образования триботехнического водорода, разработкой методов диагностики и технологических приемов снижения водородного износа, апробацией результатов на предприятиях автомобильного, железнодорожного и авиационного транспорта, легкой и деревообрабатывающей промышленности, нефтедобычи.

В первой главе рассмотрено современное состояние теоретической триботехники и показано, что прогресс триботехники в настоящее время определяется прецизионным трибохимическим экспериментом, позволяющим разделить эффекты, сопровождающие трение и износ, а также выделить эффект водородного износа Анализ показал, что явления наводороживания, водородного износа, безызносного трения и избира-

тельного переноса взаимосвязан.! и обусловлены трибохимическими реакциями поверхность металла- смазочная среда в зоне фрикционного контакта

Анализ современного состояния трибологии и трибохимии показал, что (1) результаты физико-химическою анализа материалов пар трения и смазки не могут однозначно определять параметры процессов трения и износа; (2) деление процесса трения на сухое (ювенильное), граничное, смешанное и гидродинамическое является условным и не в полной мере теоретически обоснованным; (3) теории трибологии оперируют в основном механическими параметрами и эмпирическими зависимостями, (4) в адгезионной и молекулярно-механической теориях фактически прослеживается цель разделить эффекты внешнего и внутреннего трения, (5) физико-химическое обоснование, напримгр, действия металлоплакирующих присадок включает только качественное рассмотрение, что не дает возможности уменьшить объем триботехнического и трибо-химического эксперимента, (6) математические модели трения, в частности, топохими-ческой кинетики адгезионного схватывания находятся в начальной стадии построения и требуют разработки на их основе методов инженерного расчета

Решение трибохимических задач требует, прежде всего, исследования процессов образования и накопления водорода в конструкционных и смазочных материалах Вопросы химических взаимодействий при трении и износе ставились и решались в большей степени в области практики (металлоплакируюшиг присадки и тп) Отсутс1вие теоретического обоснования сдерживает прогресс в этой области, значительно тормозит научные разработки и их внедрение Теоретическая трибология нуждается в прецизионных и надежных экспериментальных данных В заключении сформулированы задачи разработки экспериментальных методов триботехники и трибохимии водородного износа

Во второй главе представлен разработанныйтриботехнический измерительный комплекс Круг задач, для решения которых он предназначен включает оценку трибо-технических характеристик конструкционных материалов и смазывающей способности различных рабочих срсд, оценку влияния геометрии контактирующих образце®, режима трения и способа смазки на характер фрикционного взаимодействия в различных условиях эксплуатации и при различных значения технологических параметров, наблюдение и запись процессов образования и разрушения вторичных структур в зоне фрикционного контакта, изучение механизма водородного износа конструкциошшх материалов и деструкции смазочных материалов, исследование перераспределения водорода в системе металл - жидкость - газ, оценку влияния «металлургического», «тех-

нологического» и «триботехнического» водорода на критическое содержание водорода в поверхностных слоях материалов, приводящего к их интенсивному разрушению, автоматизированную обработку и хранение экспериментальных результатов

Триботехнический измерительный комплекс включает машину трения и блоки газоанализирующей, регистрирующей и измерительной аппаратуры Схема комплекса представлена на рис 1. В качестве машины трения (1) могут использоваться различные машины, в том числе для ускоренных испытаний - малогабаритные машины типа ММТ-1 Самопишущий потенциометр (2) предназначен для непрерывной регистрации триботехнических параметров суммарного линейного износа образцов, момента трения, температуры в зоне фрикционного контакта и среды. Блок визуального наблюдения и регистрации состоит из бинокулярного микроскопа (3) типа МБС, стробоскопа (4) СТ-5, кинокамгры (5), видиомагнитофоиа (6), телевизионного приемника (Г) с блоком «Ра1-8есат».

Рис 1 Принципиальная схема измерительного триботехнического комплекса 1 - машина трения, 2 - самопишущий потенциометр, 3 - бинокулярный микроскоп, 4 стробоскоп; 5 - кинокамера, 6 - видеомагнитофон, 7 - телевизионный приемник, 8 - твердо-электролитная ячейка, 9 - нагреватель, 10 - хроматографическая колонка, 11 - баллон с инертным газом, 12 - редуктор, 13 - расходомер инертного газа; 14 - камера отбора и ввода проб, 15 - термокамера, 16 - ЛАТР; 17 - барботер, 18 - шестиходовой кран, 19 -ЭВМ; 20 - блок питания, 21 - усилитель, 22 - лазер, 23 1 ерметичная камера, 24 - магнитная мешалка, 25 - потенциостаг; 26 - коммутирующее устройство

В состав блока газоаналитической аппаратуры входят следующие приборы и оборудование- твердоэлектролитная ячейка (8) - элемент чувствительный 5к7 039.014 ЭТ, нагреватель (9); хроматографическая колонка (10); баллон (11) с инертным газом (аргон, гелий) и редуктор (12); расходомер инертного газа (13), три ка<еры отбора и ввода проб (14); термокамера (15), позволяющая создавать в зоне расположения образца температуру до 1200"С; регулятора напряжения (16) Электричгская часть блока включает самопишущий потенциометр КСП-4 и аппаратуру для регулировки Барботер (17) предназшнен для отдувки и анализа газов, растворенных в жидких рабочих средах Блок управления, обработки и хранения информации (19) состоит из персонального компьютера с периферией и аналого-цифрового преобразователя (36-канального)

Датчики измерения износа и момента трения разработаны на базе оптоэлектрон-ной техники: на основе миниатюрных оптоэлектронных транзисторных приборов АОТ 137AI, АОТ 137Б1 с открытым оптическим каналом отражательного типа, работающих в ближнем инфракрасном (ИК) диапазоне спектра, выполняющих функции интегрированных оптоэлектронных преобразователей Дагчик работает так, что в результате износа образцов происходит опускание штока и изменение расстояния между столом с плоским отражателем и оптроном Это приводит к изменению светового потока на фотоприемник, что вызывает изменение фототока

Для выявления возможности использования оптроиов в качестве элементе» датчиков перемещений при проведении трибо технических испытаний с быстропротекаю-щими процессами была проведена оценка быстродействия каждого оптрона Было установлено, что быстродействие оптронов является достаточным для использования их в триботехнических испытаниях (10-40 икс). В результате исследований разработана методика триботехнических испытаний с использованием оптоэлектронного датчика

Газоаналитический блок триботехнического измерительного комплекса включает блок отбора проб газа, блоки измерения содержания водорода (блок измерения диффузионно-подвижного водорода на основе твердоэлектролитного детектора и блок измерения диффузионно-подвижного водорода на основе палладиевош фильтра -стенд ДПВ-1), блок термодесорбции диффузионно-подвижного водорода, блок лазерного отбора проб

Разработанный метод и газоаналитический блок триботехнического измерительного комплекса (рис 1, рис 2), дает возможность быстрого и точного определения локального содержания водорода в образцах Он объединяет лазерный метод отбора про-

бы и метод анализа газа с помощью твердоэлектролитной ячейки После проведения триботехнических испытаний образец помещается в герметичную камеру, где проба газа отбирается с помощью лазера с энергией импульса не менее 0,1 Дж При помо/ци газоанализирующего устройства определяется локальное содержание водорода в определенной точке образца Анализ проб, отбираемых при перемещении образца, дает распределение водорода по поверхности и пгубине образца Распределение водорода дает представление о зонах, наиболее подверженных износу, а распределение водорода но глубине поверхностного слоя определяет выносливость материалов при различных режимах трения.

Рис 2 Блок-схема отбора проб газа 1 пробоотборное устройство, 2 - камера машины трения (отбор газовой фазы), 3 - блок подготовки жидкой фазы к отбору пробы 1-аза (барботированиг смазочной среды), 4 блок термодесорбции диффузионно-подвижного водорода из образцов, 5 - блок лазерного отбора проб, 6 - блоки измерения содержания водорода (на основе твердоэлектролитных ячеек или палладиевого фильтра)

Источниками проб газа являются газовая фаза машины трения, проба газа, взятая после барботирования исследуемого объема жидкой фазы - смазочной среды, проба газа, взятая после экстракции газа го исследуемого образца при его нагреве в термокамере, проба, взятая после воздействия луча твердотельного рубинового лазера на микроучасток исследуемого образца Образец находится в герметичной камере и ему можно сообщать вращательные и поступательные движения Исследуемая газовая проба берется из источника пробоотборным устройством и далее подается в блок измерения содержания водорода

Для отбора пробы из камеры машины трения разработано пробоотборное устройство (рис 3), которое располагается в герметичной камере машины трения При открытых клапанах (1), (3) и (5) исследуемые газы заполняют калиброванный объем пробоотборника, а газ-носитель перемещается в системе газоанализатора Через определенные интервалы времени с помощью реле клапаны (1), (3) и (5) автоматически пере-

крываклся, а (2) и С4) открываются, и проба вместе с газом-носителем подается на разделение и анализ Пробоотборник данной конструкции позволил автоматизировать испытания и уменьшить ошибку анализа

Рис 3. Схема пробоотборного устройства 1, 3, 5 - открывающие клапаны; 2, 4 - закрывающие клапаны

Одной из актуальных задач при проведении трибохимических исследований является определение изменения содержания водорода в узлах трения В связи с этим особое значение приобретает изучение факторов, влияющих на наводороживание металла состава выделяющихся при трении газов и содержание водорода, растворенного в смазывающей среде Одним из основных требований для данного вида исследований является обеспечение непрерывного контроля за изменением содержания водорода в процессе трения Другое необходимое условие определяется тем, что триботехнические испытания материалов проводят на образцах с малыми площадями контакта, что требует методов анализа i азов с высокой разрешающей способностью

Измерения содержания диффузионно-подвижного водорода в образцах проводятся в аналитических блоках на основе твердоэлектролитной ячейки и иа основе пап-ладиевого фильтра Блок на основе твердоэлектролитной кулонометрической ячейки и методики для определения изменения содержания водорода в газовой среде и жидкости разработан совместно с ГЕОХИ АН РФ им В И Вернадского Принцип этих методик -хроматографическое отделение водорода от других компонентов пробы и его последующее кулонометрическое титрование с помощью твердо >лектролитной ячейки Для

разделения газовой смеси применяли молекулярные сита с диаметром пор 5 А.

В качестве детектора водорода использована кулономегрическая ячейка - тонкостенная пробирка, на внутреннюю и наружную поверхность которой нанесены платиновые электроды. Ячейка изготовлена из диоксида циркония с добавлением оксида иттрия (твердый электролит), образующего в структуре основного материала кислородные вакансии, которые при высокой температуре (800 - ЮОО'С) обеспечивают кисло-

; > / j ; Of

о

родную проводимость Сигнал, фиксирующий изменение тока в цепи ячейки в процессе титрования, проходит через усилитель и регистрируется Количество водорода в пробе соответствует количеству электричества Фоновый сигнал определяли на холостом ходу машины трения Чувствительность метола по концентрации водорода -10~7об.% ; по абсолютному количеству - 10""г, ошибка не превышает 2,5%

В зависимости от температуры нагрева из стали выделяются различные фракции водорода при 600-650" С десорбируется диффузионно-активный водород, при 1500-1600° С - практически все фракции водорода Блок измерения диффузионно-подвижного водорода на основе палладиевого фильтра и методика по определению водорода в сталях разработаны совместно с ИФХ All РФ (стенд ДПВ-1). В стенде реализован метод вакуумного нагрета (вакуумной экстракции) Схема стенда ДПВ-1 показана на рис 4 В диссертации приведены описание стенда, технические характерктики, операции подготовки к работе, проведения испытаний и обработки результатов

Рис 4 Схема стенда ДПВ-1: 1- форвакуумный насос ВН-461-М, 2 - паромасляный диффузионный насос со стабилизирующим баллоном, 3 - палладиевый фильтр, 4 - манометр Мак-Леода для точных измерений давления, 5 - маноаметр Мак-Леода для грубых измерений давления, 6 - термопарный манометрический преобразователь ПМТ-2, 7 - ионизационный манометрический преобразователь ПМИ-2, 8 - экстракционная камера, 9 - муфельная печь 10 - ловушка диоксида углерода и паров воды, охлаждаемая жидким азотом, 11 - эталонный объем, 12 изогнутая трубка со шлифом, 13 - образец, 14 - сосуд Дьюара для охлаждения образца, 15 - штуцер ввода газа, 16 - электропитание печи, 17 - регулятор нагрева масла, 18 - регулятор температуры палладиевого фильтра, 19 - вакуумметр ионизационно-термопарный ВИТ-2, 20 - 37 - вакуумные краны

Наибольшее влияние на структурные изменения в металле и процесс водородного износа оказывает наиболее подвижная диффузионно-активная составляющая фракция водорода, выделяющаяся при температуре около 650° С Для выделения из общего количества водорода, присутствующего в металле, его диффузионно-подвижной части разработан блок термодесорбции и соответствующие методики Основа блока - термокамера (рис 5), позволяющая экстрагировать водород из металлического образца при температуре 650°С.

Рис 5 Устройство термокамеры 1 - кварцевая колба; 2 - вольфрамовая спираль; 3 двухпозиционный крап, 4 - крышка-отстойник; 5 - асбестовый изолятор, 6 - резиновые уплотнения; 7- сетка-фиксатор; 8-образец

В зависимости от режима работы узла при трении происходит насыщение слоев металла глубиной от нескольких микрометров до 2 - 3 мм Менее всего изучены слои глубиной от нескольких микрометров до 500 мкм Применительно к исследованию поверхностей, наводороживаемых при трении, разработан метод локального лазерного отбора пробы в среде инертного газа с последующим хроматографическим разделением компонентов и анализом с помощью твердоэлектролигной ячейки Объем микропробы составляет 105-10"7см3 Экспресс-анализ пробы занимает пе более 2-3 мин, а подготовка пе более 15 мин. Метод реализован на установке, включающей лазер и оптическую систему, позволяющую выбирать микроучасток на поверхности анали жруемого образца и фокусировать лазерное излучение на выбранном микроучастоке Разработана герметичная экстракционная камера (рис 6) Источником водорода является микропроба испаренного металла в объеме микрократера, образовавшееся при воздействии сфокусированного лазерно! о излучения При отработке методики лазерного отбора проб экспериментально определяли оптимальное положение образца в камере, расстояние от стекла иллюминатора и другие параметры, проведена метрологическая аттестация метода, изучены возможности применения стандартных

X

образцов для валового определения водорода локальными методами и использования аморфных сплавов в качестве образцов сравнения

Рис. 6 Устройство жстракционной камеры 1 - образец, 2 - шток, 3 - корпус камеры, 4 - стеклянный иллюминатор, 5 - крышка камеры; 6 индиевая прокладка, 7 - резиновая прокладка, 8 лимб, 9 - втулка из фторопласта, 10 штуцер

Для изучения распределения водорода по глубине и поверхности стального образца, в том числе и по дорожкам трения, были использованы лазеры двух типов технологический типа КВАНТ-15 с глубиной отбора пробы в стали до 50 мкм и аналитический рубиновый Г.МЛ-10 с глубиной отбора пробы до 600 мкм

В третьей главе представлены результат.] исследований металлургического, технологического и триботехнического наводороживания; локального распределения водорода в стальных образцах при триботехнических испытаниях для узлов трения открытого и закрытого типов, особенностей наводороживания на дорожках трения, зависимости между интенсивностью износа и количеством выделяющегося водорода и влияние на эти зависимости технологических параметров

Для изучения процессов триботехнического наводороживания использовали машины трения, моделирующие узел подшипник скольжения - вал, работающий по схеме ролик - колодка Для снижения затрат времени проводили одноцикловые испытания до установившейся интенсивности износа Кривые износа показали, что можно проводить одноцикловые испытания до установившегося режима трения При много-

4 к пая

цикловых испытаниях износ увеличивается во времени, однако цикличность процессов приработки и установившейся интенсивности износа повторяется.

В процессе перераспределения при фении участвует водород, содержащийся в металле в состоянии поставки, и водород, приобретенный им при технологической обработке Для однозначного суждения о влиянии трения на изменение содержания водорода в деталях, подвергаемых трению, оценивали содержание «металлургического» и «техночогического» водорода Кинетика выделения водорода из образцов, изготовленных из стали 45 и Х12М (матертал разной поставки) показана на рис 7.

Рис 7 Кинетика выделения диффузионноподвижпого водорода из (а) стали 45 и (б) стали X12М (при 650" С); образцы изготевлены из материала разных поставок

Результаты показали, что ма1ериалы разных поставок имеют сильно различающуюся концентрацию металлургического водорода и не могут использоваться в качестве исходных образцов сравнения на объемное содержание в них диффузионно-подвижного водорода Статистический анализ результатов для образцов материала одной поставки показал, что стандартное отклонение концентрации диффузионно-подвижного водорода не превышает 0,1 т е в этом случае влияние металлургического водорода будет однозначным

С целью изучения технологического наводороживания было исследовано перераспределение водорода в стали X12М Испытывали образцы одной партии с последо-

вательных операций технологической обработки (материал в состоянии поставки; наружная и внутренняя токарная расточка; термообработка на твердость НЯС 59 . 63; шлифование наружного диаметра; старение в масле - 160* С, 4 ч. доводка наружного диаметра, окончательная доводка летали, старение в масле - 160°С, 4 ч) Результаты показали, что при шлифовании поверхности детали общее содержание водорода в стали снизилось в 2.5 раза, однако, концен грация диффузионно-подвижной его составляющей увеличилась в 1,2 раза Следует предположить, что при шлифовании удаляется слой металла с поверхности, содержащий большое количество водородных соединений. Вероятно, в процессе данной обработки часть водородных соединений распадается с образованием водорода, способного к диффузии Повышение содержания диффузионно-подвижного водорода тогда объясняется наличием условий, способствующих проникновению водорода в объем стальной детали После заключительной операции обработки детали концентрация диффузионно-подвижного водорода в ней составила 0,29 1(Г! м3/кг Снижение содержания водорода при старении деталей нагревом в масляной ванне обусловливается его десорбцией Операция старения проводилась дважды, снижение концентрации водорода в первом случае составило 0,19 ■ 10 ' м5/кг, а во втором случае - 0,27 • 10 5 м3/кг. Общее содержание водорода в стали Х12М после операции шлифования образцов изменяется практически в соответствии с изменением содержания его диффузионно-активной составляющей

Следуег предположить, что данные явления связаны с заполнением диффузионно-подвижным водородом уже образованных в структуре материала дефектов и увеличением их объемов в процессе дальнейшей обработки, гак как при высоких температурах нагрева в структуре сталей вакансии сохраняются Водород обратимым образом захватывается малыми порами, а пористость обусловливается режимами термической обработки и не уменьшается в процессе дальнейшей обработки поверхностей материалов Это относится также к процессам наводороживания при эксплуатации деталей Таким образом, различные технологические мероприятия, применяемые как методы защиты деталей от водородного износа, должны быть направлены на уменьшение пористости поверхностных слоев, либо на снижение диффузионной активности водорода

Для контроля за изменением содержания водорода в среде, окружающей узел трения, использовали машину трения закрытою типа ММТ-1Э с герметичной рабочей камерой На рис 8 показана зависимость кинетики выделения водорода в герметичную камеру машины трения выделение водорода в газовую фазу стимулируется увеличени-

ем нагрузки (кривая 4) и водой (кривая 3) Большое влияние на наволороживаннг газовой среды оказывают легирующие добавки хром и молибден (сталь Х12М) способствуют увеличению наводороживания газовой фазы в 2 раза (кривые 1 и 2) Установлено, что концентрацию водорода в газовой фазе следует определять при установившемся режиме работы узла трения, т е при установившейся скорости износа и при непрерывной регистрации суммарного линейного износа, момента силы трения и температуры в зоне контакта

Рис 8 Кинетика выделения водорода в газовую фазу рабочей камеры машины трения 1 - ролик сталь 45, масло И20, нагрузка 500 г, 2 - ролик сталь Х12М, масло И20, нагрузка 500 г, 3 - ролик сталь X12М, масло И20+20% воды, нагрузка 500 г, 4 - ролик сталь Х12М, масло И20, нагрузка 1000 г

Фрикционный контакт деталей сопровождаем энергетическими и структурными превращениями в металле, которые вызывают концентрирование водорода в металле и интенсивное выделение его при трении В качестве отклика на процессы, происходящие в трибосистеме, использовали диффузионно-подвижный водород Десорбцию проводили в термокамере при 650°С Результаты испытаний показали, что для стали 45 концентрация диффузионно-подвижного водорода в образце возрастает после проведения одноцикловых триботехнических испытаний в среднем в 5 раз Показано, что объемное наводороживание образцов происходит практически одинаково

Кинетика выделения диффузионно-подвижного водорода из образцов до и после триботехнических испытаний показана на рис 9 (сталь 45, сталь Х12М) наблюдается увеличение объемною содержания водорода после трения

трения, 2 - после одноцикловыхтриботехнических испытаний

Экспериментально установлено, что существуе! предел нагружения материалов деталей, соответствугадий резкой интенсификации диффузии водорода, что согласуется с положениями теории структурной приспособляемости материалов В процессе эксплуатации повышаются контактные напряжения в материалах деталей узлов трения вследствие износа поверхностей. Повышение удельных нагрузок может привести к интенсификации наводороживания и при критичгской концентрации водорода в поверхностных слоях к катастрофическому износу на глубину дефектного слоя Дишраммы изменения суммарного линейного износа, температуры и момента трения показывают чередование участков нормальной и повышенной интенсивности Интервал между двумя участками соответствует величине износа 1,5-2 мкм Это явление можно объяснить накоплением водорода в поверхностных слоях с последующим практически мгновенным разрушением материала на глубину дефектного слоя

Важным этапом при исследовании процесса водородного износа является определение температурного интервала и связанного с ним времени проведения экспериментов по измерению содержания водорода в металлах На рис 10 показана интенсивность выделения водорода из стали Х12М при температурах 300° С и 650"С Температура влияет на скорость десорбции водорода из стали, однако его содержание остается практически неизменным Исходя из этого, для определения содержания диффузионно-

подвижного водорода в сталях, был выбран интервал температур нагрева образцов от 600" С до 650'С

Рис 10 Зависимость количества выделившегося из стали Х12М водорода во времени при различной температуре нагрева образцов 1 температура 300' С; 2 - температура 650" С

Исследования локального наводороживания стальных образцов проводили по двум направлениям, изучали распределение водорода при поперечном расположении колодки (дорожка трения занимает 75% поверхности ролика) и продольном расположении дорожек трения (дорожки трения занимают 12,5% поверхности ролика) Испытания проводили при непрерывной смазке водой После проведения испытаний до установившегося режима трения зоны повышенной концентрации водорода при глубине отбора пробы до 600 мкм обнаружены не были По-видимому, постоянный отвод теплоты уменьшает скорость создания гидридефильной зоны в приповерхностных слоях

После трения спустя 20-40 мин водород локализовался на глубине 500 - 600 мкм (пример - рис 11), что характерно для обоих положений колодки Его концентрация увеличилась по сравнению с исходной в среднем в 2 раза (с 25 • 10~* г/г до 50 -10 6 г/г) Концентрация водорода на поверхности па этой глубине при отсутствии трения практически не меняется По мере выравнивания )емпературы по стальному образцу меняется давление, удерживающее водород в состоянии раствора Если в процессе трения и сразу после него потоки термодиффузии водорода направлены с двух сторон в зону с максимальной температурой, то далее происходит диффузия некоторой части водорода из образца Концентрация водорода в слоях 500-600 мкм выравнива-

ется и становится практически такой же, как и на поверхности Заметное воздействие оказывает увеличение активной площади поверхности образна (дорожек трения) Интенсивный поток термодиффузии водорода несколько уменьшает концентрацию водорода в зоне, прилегающей к зоне максимальной температуры Ото слои 300 - 400 мкм С увеличением площади дорожек трения образуется дополнительное число активных центров вследствие выхода на поверхность дислокаций и вакансий Сразу после трения происходит десорбция водорода, а спустя 3 - 4 ч наблюдается интенсивное наводоро-живание областей, примыкающих к дорожкам трения (рис 12) Это можно объяснить действием неоднородного подя напряжений (под действием нагрузки на дорожках трения возникают сжимающие напряжения, а на натертой поверхности - растягивающие остаточные напряжения), а также действием градиента концентраций

Рис 11 Концентрационный профиль распределения водорода по глубине образца сталь 45 спустя (а) 30 мин и (б) 4 ч после триботехнических испытаний, машина трения открытого типа, положение колодки поперечное, «*» - исходный образец, «°» - поверхность дорожки трения, «•» - образец после трения (ненатертая поверхность)

Упругое взаимодействие водорода с неравномерным полем напряжений аналогично его взаимодействию с дислокациями Возможно, поэтому спустя 3 - 4 ч после трения идет насыщение слоев глубиной около 300 - 400 мкм Причем, при продольном расположении колодки и малой площади дорожек трения водород локализуется на их поверхности, а при увеличении площади дорожек трения интенсивно наводорожи-ваюгея и зоны, прилегающие к поверхности трения.

Таким образом, узел трения открытого типа характеризуется интенсивным наво-дороживанием различных по глубине слоев образца С увеличением активной площади поверхности образцов увеличивается в основном скорость перераспределения водорода по дорожкам трения и насыщения слоев, прилегающих к поверхностям трения.

Рис 12 Диаграмма распределения водорода по поверхности образца сталь 45, машина трения закрытого типа, глубина отбора пробы (а) 200 мкм; 1 - исходный образец, 2 образа! спустя 30 мин после одноцикловых триботехнических испытаний, (б) 270 мкм, 1 - исходный образец, 2 - образец спустя 7 ч после одноцикловых триботехнических испытаний

Поскольку машина трения закрытого типа имеет герметичный триботехниче-ский узел, то выделяющийся в процессе трения водород скапливается в камере машины, создавая активную наводороживающую среду В отношении процессов, происходящих на поверхности и в глубине образцов, наблюдаются те же тенденции, что и в матине трения открытого типа Однако зона локальной концентрации водорода после одноцикловых испытаний находится на глубине 250-300 мкм Это можно объяснить термодиффузией части водорода под действием увеличивающейся температуры смазочной среды, а также воздействием градиента концентраций, способствующе о выравниванию концентраций Графики изменения концентрации водорода в поверхностных слоях металла при глубине отбора пробы около 200 мкм показывают, что спустя 30 мин после окончания трибо технических испытаний интенсивно насыщаются водородом дорожки трения (рис 12) Его концентрация по сравнению с исходным образцом возрастает в среднем в 2,5 раза (от 1,9-10 s i/r до 4,9- 10~s г/г) Спустя 5 ч фиксировали интенсивное перераспределение водорода в поверхностных слоях с сохранением повышенной концентрации водорода на дорожках трения (до 3,7-10 5 г/г) и интенсивным наводороживанием зон, прилегающим к дорожкам грения - в 3 раза больше по сравнению с исходной концентрацией

Поверхности дорожек трения претерпевают значительные фазовые и структур-

кчерсш

кжвпршвя кцощп

ные изменения за счет воздействия нагрузок, сжимающих напряжений и повышенной температуре в зоне контакта Поверхность образца между дорожками трения находится в зоне растягивающих напряжений Градиенты температуры, напряжения, концентрации способствуют смещению зон локализации водорода по глубине и поверхности образца. При этом важно знать характер перераспределения, кинетику перемещения, равномерность концентрации водорода Установлено, что достаточно равновмерное распределение водорода по поверхности для стали 45 можно объяснить однородностью структуры, отсутствием легирующих добавок; способствующих концентрированию водорода, и хорошей подготовкой поверхности

Локальный анализ позволяет выявить зоны наибольшей концентрации водорода но глубине и поверхности образцов, построить профили локальных концентраций водорода, варьируя глубину отбора проб в зависимости от применяемых типов и режимов работы лазеров, определить равномерность распределения водорода в поверхностных слоях металлов, оценивая возможные структурные изменения в этих слоях, установить тенденции перераспределения водорода по «дорожкам трения» Такая информация необходима для выявления причин разрушения изделий в парах трения, выбора конструкционных и смазочных материалов, оптимальных технологических режимов и условий эксплуатации узлов трения Установлено, что интенсивность выделения или поглощения и сост ав газообразных продуктов износа может служить индикатором условий и режимов взаимодействия материалов деталей и смазочной среды и будет связан с интенсивностью их износа.

Существование взаимосвязи между износом металла и концентранией водорода в газовой фазе, а также внешними силовыми факторами, определяющими перераспределение плотностей энергии, обосновано термодинамическими соотношениями Эта взаимосвязь может быть положена в основу прогностической модели явления и идентификации ее параметров методами статистической обработки результатов наблюдений с привлечением аппарата математической теории оптимального планирования экспериментов.

Материалы, применяемые в машиностроении являются термодинамически неустойчивыми и подвержены коррозии Сопротивление этому процессу может бьгть обусловлено скоростью диффузии ионов или соединений деполяризаторов, а также образованием на поверхности защитной (пассивирующей) пленок Трение, благодаря депо-ляризующгму действию и механохимическому эффекту, резко увеличивает поверхностную энергию металлов и приводит к образованию химически высокоактивных зон,

определяющих деструктивные процессы в смазочном материале. Можно полагать, что для каждой системы трибосопряжения существует энер1 етический баланс, характеризующий способность данной системы к адаптации к динамическим воздействиям. Следовательно, все системы могут характеризоваться степенью деструкции смазочного материала и выделением свободного водорода в зону трения Согласно принятой рабочей гипотезе, существует взаимосвязь между интенсивностью износа и образованием водорода в зоне трения, поэтому были проведены исследования по определению взаимосвязи между данными процессами для различныхматериалов и смазочных сред

На рис. 13 представлены результаты экспериментов по исследованию износостойкости и определению количества выделившегося при трении водорода для пары сталь Х12М - сталь 20ХЗМВФ в среде топлива ТС-1 Показано, что в установившемся режиме трения изменение содержания выделившегося водорода и величины износа материалов по времени представляют линейные зависимости Взаимосвязь между этими параметрами при данных условиях нагружения также характеризуется линейной зависимостью (рис 14) Аналогичные результаты получены и для других материалов (пары сталь - бронза Х12М - ВБ-23НЦ (бр СуНЦСФ-3-3-3-20-0,2), 12ХНЗА - ВБ-23НЦ, ЭИ347Ш - ВБ-23НЦ)

/ /

" А-*'

Рис. 13 Зависимость изменения величины износа (1) и количества выделившегося водорода (2) для пары трения сталь Х12М - сталь 20ХЗМВФ в топливе ТС-1 при удельной нагрузке 20 МПа

Рис 14 Зависимость между интенсивностями износа и выделения водорода для пары трения сталь Х12М сталь 20ХЗМВФ в топжве ТС-1 при удельной нагрузке 20 МПа

Количество выделившегося водорода при фении может служить параметром оптимизации. На рис 15 показаны зависимости между факторами (интенсивность износа) и С™ (интенсивность выделения водорода) для ряда емтзочных сред

Рис 15 Зависимости между интенсивностью износа и выделением водорода для пары трения сталь Х12М сталь 20ХЗМВФ при удельной нагрузке на образцы 12,5 МПа в смазочной среде 1 топливо ТС-1,2 - вода, 3 - масло И-20А

Ьтсшкп шалвт шорт

/1 71

/

/ У

/ / У

/ /

т / /

/

4 1 л

Рис 16 Зависимоеги между интенсивностями износа и выделения водорода для пары сталь Х12М - сталь 20ХЗМВФА-Ш при трении в топливе ТС-1 при различных условиях нагружения 1 - Р = 20 МПа; 2 - Р = 25 МПа; 3 - Р = 30 МПа Рис 17 Зависимости между интенсивностями износа и выделения водорода для пары сталь Х12М - сталь 20ХЗМВФ при трении в воде при различпых условиях нагружения 1 - Р = 4 МПа;2- Р = 8 МПа,3- Р = 12 МПа

Полученные зависимости свидетельствуют о том, что каждая выбранная смазочная среда характеризуется определенным количеством выделившегося водорода, при-

холящегося на единицу износа материалов деталей Отношение интенсивностей характеризует противоизносные свойства этих сред Установлено, что при трении количество выделившегося водорода обусловливается сочетанием материалов и свойствами смазочной среды, а интенсивность выделения водорода может служить критерием оптимизации выбора материалов для узлов трения Увеличение удельной нагрузки приводит к увеличению количества водорода, приходящегося на единицу износа (рис 16 , 17) Это может быть связано с тем, что с увеличением нагрузки возрастает скорость диспергирования поверхностей трения, повышается контактная температура и интенсифицируется процесс деструкции смазочной среды Показано, чю отношение позволяет характеризовать условия нагружения материалов деталей В четвертой главе представлены результаты апробации методов защиты узлов трения машин и технологического оборудования от водородного износа Проведена отработка метода финишной антифрикционной безабразивной обработки в металлопла-кирующих средах, обеспечивающая формирование на поверхностях деталей тонкой (1-5 мкм) пленки пластичного металла - меди Один из исследованных составов рабочей среды хлорид меди (I) - 2-5 масс.%, оксид кремния - до 4 масс.%, глюкоза -1-5 масс.%, глицерин - остальное Установлено, что толщина медной пленки зависит от усилия поджатая инструмента (фетрового круга) Динамика роста толщины медной пленки, например, на стали Х12М показывает, что покрытие большей толщины получается при нагрузке 1,00 МПа При более высоких нагрузках толщина слоя плакирующего металла уменьшается и при этом увеличивается наводороживание стали Это можно объяснить существованием оптимальных параметров нагружения, которые соответствуют совместному дейсшию процессов наводороживания и адсорбции Это подтверждено исследованиями, которые показали, что при увеличении нагрузки глубина диффузии меди в сталь возрастает

Триботехнические испытания (образцы - ролик с покрытием, полученным ФА-БО, и колодка из стали 20ХЗМВФ, нагрузка - 25 МПа, смазочные среды - топливо ТО 1, гидравлическую жидкость) показали, что интенсивность износа на образцах, подвергнутых ФАБО, снижается в 2,0 - 2,5 раза и при этом уменьшаются энергетические затраты на трение Установлено снижение интенсивности деструкции смазочной среды с образованием водорода и снижение наводороживаемости образца

Толщина покрытия влияет на триботехнические характеристики материалов. Вероятно, верхние слои медного покрытия, не имея прочной связи с основным метал-

лом детали, способны достаточно быстро изнашиваться. Тонкие покрытия во время работы обладают большой подвижностью, но имеют прочную связь с основным металлом, в результате чего ускоряют прирабатываемость материалов при меньшем износе трущейся пары

Отработка технологии обкатки в меташюплакирующих средах показала, что она позволяет улучшить качество и сократить время приработки деталей машин с одновременным образованием металлсодержащих покрытий на трущихся поверхностях, исключить заклинивание и образование задиров Формирование покрытий может быть обеспечено применением металлоплакирующих обкаточных сред Данная обработка может использоваться после безабразивней обработки в металлоплакирующих средах В этом случае она способствует восстановлению ранее нанесенного металлического покрытия Проводить обработку и формировать покрытие можно на поверхностях трения уже собранных или неразборных узлов, детали которых невозможно обрабатывать в отдельности (например, подшипник качения) Испытан состав карбонат меди -2-4 часс.%, соляная кислота - 4 - 6 масс.%, 1 лицерин - остальное, он может быть использован для формирования медных покрытий на зубьях шестерен в коробках скоростей станков, редукторов, на дорожках трения и шариках шарикоподшипников Установлено, что время приработки сокращается до 2 раз, увеличение износостойкости при эксплуатации узла трения увеличивается до 1,5 раза Практически исключаются задиры на поверхности трения 1ак, время приработки коробки скоростей токарно-винторезного станка сокращено в 3,1 раза, а срас службы повышен на 30 - 40%

Оптимальная концентрация медьсодержащей композиции устанавливалась по трем параметрам' величине суммарного линейного износа, количеству выделившеюся водорода и по степени наводороживания материалов Установлено (рис 18), что минимальные износ и количество водорода обеспечиваются в маловязкой углеводородной среде при концентрации присадки 1,75 • 10~3 масс.% Экспериментально подтверждено, что перераспределение водорода в системе взаимодействующих материалов узлов трения может служить критерием оптимизации технологических и эксплуатационных мероприятий, направленных на повышение срока службы изделия

Исследованы характеристики и свойства однослойных покрытий из нитрида титана, получаемых методом вакуумного ионно-плазменною напыления Показано, что при нанесении покрытия происходит значительное (на порядок) увеличение содержания диффузионно-подвижного водорода в стали Водородопропицаемость образцов с

покрытием нитридом титана существенно снижается Интенсивность электролитического наводороживания стали с покрытием составляет 0,38 • 10"* м3/кг • ч, для сгали в исходном состоянии - 2,64 • 10"5 м'/кг • ч Покрытие служит барьером для проникновения диффузионно-подвижного водорода Установлено, что большую износостойкость имеют тонкие покрытия из нитрида титана Покрытие из нитрида титана обладает высокой пористостью, поэтому возможно заполнение пор водородом, что может приводить к проникновению водорода вглубь металла и вызывать образование дефектов в е1 о структуре Блокировать поступления водорода в поры можно, например, пластическим деформированием поверхности детали - алмазным выглаживанием

Рис 18 Определение рабочей зоны оптимума концентрации медьсодержащей композиции для пары трения сталь XI2М - сталь 20ХЗМВФ, удельная нагрузка 20 МПа, 1 интенсивность изнашивашя материалов; 2 - интенсивность выделения водорода при трении, 3 - содержание водорода в сгали Х12М после трения

Одной из актуальных проблем сервиса является обслуживание импортного оборудования На основании проведенных трибохимических исследований и триботехни-ческих испытаний для смазки кухонного процессора (лицензия японской фирмы «Са-нье») рекомендовано вакуумное масло ВМ-5 с модифицирований присадкой на базе МКФ-18.

Разработаны методы повышения износостойкости узлов грения швейных машин на основе избирательного переноса (совместно с Прокопенко А К и Тихомировым В М) Установлено, что введение в смазочное масло металлоплакирующей присадки позволяет повысить износостойкость трущихся деталей от 1,5 до 5 раз в зависимости от концентрации присадки и сочетаний материалов При этом наблюдается снижение по-

терь на треннс от 30% до 100% При концентрациях присадки, обеспечивающих наименьший износ, на трущихся поверхностях наблюдается образование блестящей металлической пленки Установлено положительное влияние на износостойкость предварительного нанесения фрикционным способом нриработочного металлического покрытия Время приработки в этом случае снижается на 30 - 50% и снижается износ образцов Безабразивную обработку в металлоплакирующих средах применяли для деталей, работающих в узлах с ограниченной или периодической подачей смазочного материала- игловодитель, палец кривошипа, ползуны, кулисы, шатуны и челночный паз В испытаниях установлено, что для инициирования избирательного переноса в индустриальные масла и пластичные смазочные материалы следует вводить медьсодержащую присадку в количестве 0,1-0,2 масс.% Смазочные материалы с металлоплакирую-щей присадкой наиболее эффективны при тяжелых условиях работы, в том числе в узлах, подверженных знакопеременным циклическим нагрузкам и при ограниченной подаче смазки механизмы челнока, иглы, нитепритягивателя, продвижения ткапи

Формирование поверхностей трения деталей в процессе обкатки узла происходит за счет применения металлоплакирующих обкаточных сред Обкатку узлов трения следует производить на холостом ходу Время обкатки при использовании металлоплакирующих сред уменьшают в 2 - 4 раза Обкатку в металлоплакирующих средах следует применять в узлах машин, безабразивюя обработка деталей которых технологически затруднена Испытания показали, что применение методов повышения износостойкости узлов трения защитой от водородного износа путем избирательного переноса позволяет- существенно улучшить условия прирабатываемое™ узлов трения машин, при этом время приработки рабочих поверхностей сокращается в 2 раза, образовывать на трущихся поверхностях деталей машин защитные пленки, исключающие заклинивание или образование задиров на этих поверхностях; уменьшить коэффициент трения в узлах и энергетические затраты на 20%, повысить износостойкость наиболее нагруженных и ответственных узлов в 3,6 - 6 раз.

Проведены исследования и разработаны методы повышения срока службы лезвийного инструмента кожевенно-обувного, трикотажного и швейного производств с использованием эффекта упрочнения металла в металлоплакирующих средах (совместно с Прокопенко А К, Тихомировым В М и Радчук Л И) Анализ работы дисковых и плоских ножей показал, что интенсивное затупление режущей кромки происходит в начальный период Особенно заметные изменения наблюдаются в микрогеометрии лез-

вия (форма и размеры микровыступов, образованных на кромке при заточке абразивным инструментом) Основным фактором, влияющим на стойкость режущею инструмента в этот период, следует считать процесс водородного износа

Разработана технология обработки кромки дисков и плоских ножей в рабочих средах, облегчающих процесс формирования режущей кромки и снижающих иаводо-роживание металла Результаты исследований и испытаний позволили заключить, что упрочняющая обработка дисковых и плоских ножей с использованием рабочих сред должна производиться после их заточки В качестве рабочих сред могут быть использованы составы, содержащие однохлорисгую или углекислую медь, неорганические кислоты, поверхностно-активные вещества и другие добавки На базе модельных разработаны 12 составов рабочих сред, содержащих 0,7-5 масс.% солей меди

Для выбора оптимального состава рабочей среды были проведены триботехни-ческие испытания' на стойкость покрытий стальных образцов на истирание, коррозию, наводороживасмость и режущую способность Результаты показали, что режущие свойства инструмента с обработанной поверхностью увеличиваются в 1,5-2 раза; для нанесения покрытия на режущую кромку после заточки инструмента может быть применен состав на основе минерального масла с присадкой МКФ-18 в концентрации до 0,05-04%.

Для изучения наводороживаемости и разработки методов защиты режущего инструмента разработана установка, работающая по схеме дисковый нож - разрезаемый материал Пробы водорода отбирали ступенчато с шагом 0,2 мм по радиусу от вершины лезвия Пробы, взятые в нерабочей зоне ножа, т е в удаленных от режущей кромки точках (3-5 мм), позволили определить фоновую «био!рафическую» концентрацию водорода (СН] -0,8 10~* ч3/кг) Максимальная концентрация водорода фиксируется

на расстоянии 0,6-0,8 мм о г вершины лезвия На перераспределение водорода в металле существенное влияние оказывают технологические операции подготовки инструмента к работе Так, после заточки (шлифования) лезвия абразивным кругом содержание водорода возросло в 9 раз (СН] = 8,98-Ю"4 м'/кг) При упрочняющей обработке режущей кромки ножа в металлоплакирующих средах содержание водорода увеличивается в 2,2 раза по сравнению с необработанной (Сн =18,08-10"1 м3/кг) После процесса резания было установлено, что, несмотря на первоначальное повышение концентрации водорода в металле режущей кромки, обработанном в рабочих средах

(CHj =25,5 -10"4 м'/кг), наводороживание на порядок ниже, чем у необработанных (С„ =577,5-10~| м3/кг) За счет этого снижается интенсивность наводороживания лезвия ножа в процессе его работы, а износ снижается в 1,8 - 2,5 раза

Исследована возможность повышения стойкости деревообрабатывающего инструмента безабразивной обработкой в металлоплакирующей среде Предложен способ повышения стойкости ножей Рекомендуемая обработка обеспечивает одновременно два процесса придает правильную геометрическую форму лезвию инструмента с одновременным упрочением металла и формирует металлическую пленку, защищающую металл инструмента от наводороживания Рекомендованы составы рабочей среды Предложен способ повышения стойкости режущею инструмента лущильных и стружечных станков безабразивной обработкой в медьсодержапЕЙ металлоплакирующей среде Данный способ снижает наводороживаемость металла инструмента в 20 раз, тем самым уменьшает его водородное разрушение, а стойкость ножей лущильных и стружечных станков может быть повышена па 30% Шероховатость шпона при этом снижается в 4 раза

Цикл исследований по двигателям автомашин ГАЗ-24, ЗИЛ-130 и КАМАЗ-740 включал лабораторные, стендовые и эксплуатационные испытания образцов и деталей цилиндро-поршневои группы, подвергнутых ФАБО в металлоплакирующих средах (совместно с Прокопенко А К , Шупляковым В С и Тихомировым В М) Результаты испытаний позволили сделать следующие выводы По деталям ЗИЛ-130 Интенсивность износа пары коленча!ый вал - вкладыш, подвергнутой ФАБО, в 1,5 - 7,3 раза ниже по сравнению с износом при работе на базовом маслс в интервале удельных давлений 10-25 МПа Метод ФАБО в период прирабо!ки позволяет сократить на 38% время приработки, суммарный приработочный износ сокращается на 50-60%, коэф-фициенттрения снижается па 12,5 - 21,5% Для пары ролик Ст 45IIRC 55-60, колодка - шатунный вкладыш двюателя внутреннего сгорания (ДВС) ЗИЛ-130 (нагрузка - ступенчатое увеличение с 3,34 МПа до критической, масло М8В) ФАБО снижает интегральную интенсивность износа на 40% и повышает стойкость к задирам По автомобилю ГАЗ-24. Интенсивность износа образцов, изготовленных из материала гильзы и кольца машины ГАЗ-24, смазываемых маслом Мбз/101! и подвергнутых ФАБО в 1 3 -1,6 раза ниже интенсивности износа образцов, смазываемых просто маслом, в интервале удельных давлений 5-14 МПа ФАЮ подвижного образца - ролика позволила со-

кратить в 2,25 раза время приработки образцов Суммарный приработочный износ на 60% меньше, чем у образцов без ФАБО Коэффициент трения снижается на 17%. По деталям автомобиля КАМАЗ-740 И нтенсивность износа образцов, изготовленных из материала коленчатого вала и вкладыша двигателя внутреннего сгорания (ДВС) КАМАЗ-740, смазываемых маслом М10Г2К и подвергнутых ФАБО, в 1,2 раза ниже интенсивности износа образцов, смазываемых маслом, в интервале удельных давлений 8-14 МПа. ФАЮ подвижного образца позволила сократить в 2 раза время приработки Суммарный приработочный износ образцов без ФАБО в 2 раза больше суммарного приработочпого износа образцов, подвергнутых ФАБО У последних коэффициент трения также снижается на 9% Эксплуатационные испытания двигателей КАМАЗ-740 показали, что интенсивность износа гильз, подвергнутых ФАБО, при пробеге автомобиля 55 тыс. км в 5,6 раза меньше, чем у гильз, не подвергнутых ФАБО, а при пробеге автомобиля 93 тыс. км меньше соответственно в 2,3 раза Результаты стендовых испытаний двигателя ЗИЛ-130 с ФАБО шеек коленчатого вала показали, что метод ФАБО наиболее эффективен при переменных нагрузках и пониженном давлении масла, т е при условиях, которые имеют место в режимах технолог ической и эксплуатационной приработки двигателя Обработка по методу ФАБО сказывается положительно и на работе гильз цилиндров ФАБО деталей в металлоплакирующих средах или оставляет шероховатость поверхности в пределах исходного класса или повышает и о Изучено влияние ФАБО в металлоилакирующей среде на изменение размеров деталей Результаты показали (например, пояски золотника из стали 95X18), что существенных изменений размеров не происходит

Для увеличения надежности работы нефтяных насосов необходима разработка методов защиты от абразивного и водородного износов наиболее ответственных деталей и узлов трения насосов Наличие в пластовой жидкости высокой конце!гграции твердых частиц вызывает абразивный износ поверхностей деталей насоса Высокая температура в узлах трения, трибодеструкция углеводородов нефти, большая концентрация воды и возможше наличие водорода в газовой фазе пластовой жидкости приводят к интенсивному водородному износу узлов трения насоса Исследования показали что обработку поверхностей трения в металлосодержащих средах с использованием разработанного рабочего инструмента, например, ступиц рабочих колес необходимо производить до сборки насоса Опорные шайбы, изготовленные из резины, полиуретана или керамики, должны быть армированы металлосодержащим материалом, который

способствует самовосстановлению противоизносных защитных пленок узла трения Металлосодержащие модификаторы для рабочих сред должны использоваться при проведении различных испытаний, предусмотренных ТУ 26 06 1485-87, в режиме обкатки и в процессе эксплуатации насосов Модификаторы в оптимальной концентрации реализуют в y uré трепия режим избирательного переноса и защищают детали насоса от водородного износа

Завершающим этапом производства двигателей летательных аппаратов являются стендовые испытания Узлы трения агрегатов работают в смазочной среде, поэтому их состояние иногда определяют по содержанию в данной среде продуктов износа В результате проведенных исследований установлено, что между интенсивностью износа (J„) материалов, выделением водорода в газовую фазу (CH¡), нагрузкой (Р) и концентрацией металлоплакирующей композиции (h) существует взаимосвязь, которая может быть представлена в форме уравнений регрессии

J„/CHi = 4,307 - 0,1063 Р +1,1467 h - 0,0366 • Ph, или эмпирического нелинейного уравнения

¿ь/Сна = (205,5-17,3 hJ)(P - 2,7 h)-'"1. Предложен способ определения износа деталей в процессе эксплуатации и нагрузку на их поверхности по интенсивности выделения водорода Введение в топливо разработанной композиции не нарушает основных контрольных показателей качества, а происходит снижение интенсивности деструкции топлива и выделения водорода, что дает дополнительный эффект за счет сохранения функциональной связи углеводородной цепочки молекул топлива, характеризующей его эксплуатационные параметры

Анализ работы узлов трения путевых машин ВПР и ВПРС показал, что наибольшему износу подвержены подшипники качения, оси и втулки осевого редуктора колесной пары, буксового узла колесной пары, и др Тяжелые условия работы узлов трения приводят к быстрому выходу из строя, чему способствует водородный износ Для нанесения противоизносных металлических прирабогочных покрытий на детали использовалась технология (ФАБО) в металлоплакирующей среде. Установлено (совместно с Прокопенко А.К., Велигуровым А И и Буткевичем М Н.), что правильный подбор материалов узлов трения, смазочных материалов и модификаторов (присадок), режимов обработки во время нанесения покрытий позволяет устранить задиры и повысить износостойкость в 1,5 - 2 раза, уменьшить период приработки в 2 раза; снизить энергетические затраты до 30%; уменьшить уровень шума и вибрации

С целью повышения ресурса дизельной техники специального назначения проведены триботсхнические и ресурсные испытания Установлено, что композиционное противоизносное покрытие, нанесенное на поверхности деталей из металлосодержащих сред, снижает интенсивность износа конструкционных материалов дизельной техники специального назначения в 1,4 2 раза Однако в процессе обкатки и эксплуатации происходит износ защитного покрытия В связи с этим необходимо принимать ряд мер по предупреждению дальнейшего его износа или восстановлению композиционного противоизносного покрытия Для этого было предложено использовать новые металло-содержашие смазочные материалы Для обеспечения устойчивости процесса самовосстановления защитного противоизносного покрытия при фрикционном взаимодействии проведена оптимизацш химического состава новых смазочных материалов в различные периоды работы узлов трения Рассматривались два периода работы узлов трения Первый - начальный период работы, называемый приработкой или обкаткой, характеризуется переменной интенсивностью износа, при котором происходит переход от исходного технологического состояния к эксплуатационному Второй - период нормальной эксплуатации, характеризующийся стационарностью процесса износа.

Разработаны три образца новых смазочных материалов для обкатки узлов трения. В процессе трения один компонент способствует быстрому удалению оксидной пленки с основного металла; второй компонент способствует растворению первого в штатном масле и выполняет активирующую функцию, металлическое покрытие образуется за счет восстановления соединений пластичного металла, находящихся в третьем компоненте Анализ результате» испытаний показал, что для образцов, прошедших обработку до испытаний и имеющих противоизносное покрытие и предварительно обкатанных в новом смазочном материале, наблюдается снижение интенсивности износа в режиме эксплуатации по сравнению с образцами, имеющими покрытие, и обкатанных в чистом масле в 1,1 раза, по сравнению с образцами, не имеющими покрытия и обкатанными - в 2,01 раза, и по сравнению с образцами, не имеющими покрытия и прошедших обкатку на чистом масле в 2,57 раза Время выхода пары трения на установившийся режим работы сократилось, соответственно, в 1,43, 1,45 и 1,90 раза

Для проведения трибохимических исследований были сформированы группы материалов 1 группа - серый чугун (С425), 2 группа - низколегированные стали (сталь 40Х), 3 группа - высоколегированные стали (сталь Х12Ф1), 4 группа - медные сплавы Установлгна возможность формирования защитной металлической пленки на образцах

из железо-углеродистых сплавов При содержаппп логпруюшш элементов (хром, ни-

НОС НАЦИОНАЛЬНАЯ БИБЛИОТЕКА СПстсИУРГ

• о» на иг

кель и т д выше 10 %) образование устойчивого однородного покрытия не происходит В ходе исследований разработаны технологические среды и изучена кинетика образования металлоплакирующей пленки.

ВЫВОДЫ

1 Анализ современного состояния теоретической триботехники показал, что прогресс триботехники в настоящее время определяется прецизионным трибо-химическим экспериментом, позволяющим разделить эффекты, сопровождающие трение и износ, а также выделить эффект водородного износа; явления наводорожи-вания, водородного износа, безызносного трения и избирательного переноса взаимосвязаны и обусловлены трибохимическими реакциями поверхность металла -смазочная среда в зоне фрикционного контакта.

2. Разработан триботехнический измерительный комплекс, обеспечивающий решение следующих задач оценка триботехнических характеристик конструкционных материалов и смазывающей способности различных рабочих сред, оценка влияния геометрии контактирующих образцов, режима трения и способа смазки на характер фрикционного взаимодействия в различных условиях эксплуатации и при различных значения технологических параметров; непрерывное визуальное наблюдение и запись на видеоаппаратуру с последующим воспроизведением процессов образования и разрушения вторичных структур в зоне фрикционного контакта; изучение механизма водородного износа конструкционных материалов и деструквди смазочных материалов; исследование перераспределения водорода в системе металл - жидкость - газ, оценку влияиия «металлургического», «технологического» и «триботехнического» водорода на критическое содержанж водорода в поверхностных слоях материалов, приводящего к их интенсивному разрушению, автоматизированная обработка и хранение экспериментальных результатов

3. В рамках триботехнического измерительного комплекса разработаны датчики измерения износа и момента трения на базе оптозлектронной техники, газоаналитический блок, включающий блок о (бора проб газа, блоки измерения содержания водорода (блок измерения диффузионно-подвижного водорода на основе твердоплекчролитного кулонометрическою детектора и блок измерения диффузионно-подвижного водорода на основе палладиевого фильтра - стснд ДГ1В-1), блок термодесорбции диффузионно-подвижного водорода, блок лазерного отбора проб

4 Разработаны методики исследования металлургического, технологического и триботехнического наводороживания, локальною распределения водорода и наводороживания на дорожках трения, зависимости между интенсивностью износа и количеством выделяющегося водорода и влияние на эти зависимости технологических параметров

5. Локальный анализ позволяет выявить зоны наибольшей концентрации водорода по глубине и поверхности образцов, построить профили локальных концентраций водорода, варьируя глубину отбора проб в зависимости от применяемых типов и режимов работы лазеров; определить равномерность распределения водорода в поверхностных слоях металлов, оценивая возможны: структурные изменения в этих слоях; установить тенденции перераспределения водорода по «дорожкам трения», благодаря вращательному и возвратно-поступательному движению образца в экстракционной камере Данная информация использована для выявления причин разрушения изделий в парах трения, выбора конструкционных и смазочных материалов, оптимальных технологических режимов и условий эксплуатации узлов трения.

6. Установлено, что в процессе перераспределения при трении участвует водород, содержащийся в металле в состоянии поставки, и водород, приобретенный им при технологической обработке; материалы разных поставок имеют сильно различающуюся концентрацию металлургического водорода и не могут использоваться в качестве исходных образцов сравнения на объемное содержание в них диффу-зионно-нодвижного водорода

7. Результаты исследования технологического наводороживания показали, что при шлифовании поверхности детали общее содержание водорода в стали снижается в 2,5 раза, а концентрация диффузионно-подвижнэй его составляющгй увеличивается в 1,2 раза, показано, что при шлифовании удаляется слой металла с поверхности, содержащий большое количество водородных соединений, а часть водородных соединений распадается с образованием водорода, способного к диффузии, снижение содержания водорода при старении деталей нагревом в масляной ванне обусловливается ею десорбцией Технологические мероприятия, применяемые как методы защиты деталей о г водородного износа, должны быть направлены на уменьшение пористости поверхностных слоев и на снижение диффузионной активности водорода.

8 Образование и выделение водорода стимулируется увеличением нагрузки, водой и легирующими компонентами

9 Результаты исследования локального наводороживания стальных образцов показали, что после трения спустя 20 - 40 мин водород локализуется на глубине 500-600 мкм, по мере исчезновения температурного пика и выравнивания температуры по стальному образцу концентрация водорода в слоях 500-600 мкм выравнивается и становится практически такой же, как и на исходной поверхности Заметное воздействие оказывает увеличение активной площади поверхности образца (дорожек трения) Интенсивный поток термодиффузии водорода уменьшает концентрацию водорода в зоне, прилежащей к зоне максимальной температуры (300-400 мкм) После трения происходит десорбция водорода, чш зависит от площади дорожек трения и спустя 3 - 4 ч наблюдается интенсивное наводорожи-вание областей, примыкающих к дорожкам трети Это объясняется действием неоднородного поля напряжений

10 Установлено, что каждая смазочная среда характеризуется определенным количеством выделившеюся водорода, приходящегося на единицу износа материалов деталей, отношение интенсивностей характеризует противоизносные свойства этих сред параметр интенсивности выделения водорода может служить критерием оптимизации выбора конструкционных и смаючных материалов для узлов трения

11 Проведена отработка метода финишной антифрикционной безабразивной обработки в металлоплакирующих средах, обеспечивающая формирование на поверхностях деталей тонкой (1-5 мкм) пленки пластичного металла - меди Установлено, что толщина медной пленки зависит от усилия поджатая инструмента Динамика роста толщины медной пленки показывает, что покрытие большей толщины получается при определенной нагрузке При более высоких нагрузках толщина слоя плакирующего металла уменьшается и при этом увеличивается наводоро-живание стали, что объясняется существованием оптимальных парамефов нагру-жения, которые соответствуют совместному действию процессов наводороживания и адсорбции

12. Отработка технологии обкатки в металлоплакирующих средах показала, что она позволяет улучшить качество и сократить время приработки деталей машин с одновременным образованием металлсодержащих покрытий на трущихся поверхностях, исключить заклинивание и образование задаров.

13 Оптимальная концентрация медьсодержащей композиции устанавливается по трем параметрам величине суммарного линейного износа, количеству выделившегося водорода и по степени наводороживакия материалов.

14. По результатам апробации методов снижения водородного износа с помощью металлоплакирующих смазочных материалов на основе избирательного переноса разработаны рекомендации по улучшению триботехнических характеристик узлов трения кухонного процессора, швейных машин, путевых машин ВПР и ВГГРС; лезвийного инструмента кожевенно-обувного и швейною производств, режущего инструмента деревообрабатывающих станков, деталей цилиндро-поршневой группы автомобилей ГАЗ, ЗИЛ, КАМАЗ, дизельной техники специального назначения, нефтяных и топливных насосов

15 По результатам исследований разработаны руководящие технические материалы для Министерства бытового обслуживания населения РСФСР, рекомендации по применению методов повышения износостойкости деталей бытовых машин и технологического оборудования предприятий бытового обслуживания на основе избирательного переноса (эффекта безызносности)

ОСНОВНЫЕ РАБО ГЫ, ОПУБЛИКОВАННЫЕ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1 Юдин В.М, Лукашеъ Е.А , Ставровский М Е Методы трибохимических исследований М.. МГУ С, 2004 - 235 с

2 Юдин В М, Лукашев Е А, Ставровский М Е. Трибохимия водородного износа. М.: МГУС, 2004 - 245 с

3 Рекомендации по применению методов повышения износостойкости деталей бытовых машин и технологического оборудования предприятий бытового обслуживания на основе избирательного переноса (эффекта безызносности)/ А К. Прокопенко, Д Н Гаркунов, Е А Панфилов, В.М. Юдин// М.. МТИ, 1983. - 19 с

4. Метод проведения триботехнических испытаний конструкционных и смазочных материалов в режиме избирательного переноса Методические указания/ ДН Гаркунов, А К Прокопенко, В М Юдин и др. М Минбыт РСФСР, 1984 - 40 с 5 Обеспечение износостойкости изделий Метод испытаний материалов на трение и изнашивание при смазкуе маслохладоновыми смесями ГОСТ 23216-84/ДН Гаркунов, А К Прокопенко, В М Юдинидр М Госстандарт, 1984 -16 с

6 Авт свид 1179686 СССР, МКИ С 23 С 3/02 Способ нанесения покрытий на стальные детали/ В И Крылов, В Н Францев, В Н Быстрое, М И Каплин, В Л Камзолкии, В.М. Юдин 15.08.85

7 Методы предупреждения и уменьшения водородного изнашивания деталей топливной и гидравлической аппаратуры/ ЮМ Стадник, МЕ Сгавровский, ВМ Юдин и др // Методические рекомендации № 50 Ремонт автомобильной техники. Главное автомобильное убавление Министерства обороны СССР М, 1986 - 43 с

8 Руководящий материал Методы повышения износостойкости узлов трения трикотажного, швейного и обувного оборудования предприятий бытового обслуживания на основе избирательного переноса (эффекта безьпносности) РТМ01 10186/ А К Прокопенко, Д Н Гаркунов, В М Юдин, Е А Панфилов и др М. Министерство бытового обслуживания населения РСФСР, 1986 - 8 с

9 11овышение износостойкости узлов трения машин бытового назначения на основе избирательного переноса// Обзорная информация Бытовое обслуживание населения/ А К Прокопенко, В Н Францев, В М Юдин// М ■ ЦБНТИ МБОН РСФСР, 1987 - 18 с

10 Разработка методики и приборов для изучения мехашзма водородного изнашивания/ В М Юдин, М Е Ставровский, И Э Пашковский, Р В Иванова// Расчеты конструкций и эффективности технологического оборудования предприятий бытового обслуживания населения М МТИ, 1987, №65 С 88-96

11 Рекомендации по применению смазочных материалов и технологических сред с металлоплакирующими присадками для оборудования бытового обслуживания и промышленных предприятий/ А К Прокопенко, В М Юдин, В Н Францев и др М.' МБОН РСФСР, 1988 - 40 с.

12 Авт свид 1409887 СССР, МКИ в 01 N 3/56 Способ определения износа узлов трения/ М Е Ставровский, В М Юдин, И Э Пашковский, М С Федоров Бюл №26 15 07.88

13 Авт свцд 1409888 СССР, МКИ О 01 N 3/56 Способ определен™ газосодержания в твердом материале при триботехнических испытаниях/ В М Юдин, И Э Пашковский, М.Е Ставровский, М С Федоров, Б А Полянин Бюл №26 15 0788

14 Руководящий технический материал Методы повышения износостойкости узлов трения двигателей внутреннего сгорания транспортных средств предприятий бытового обслуживания населения на основе избирательного переноса (эффекта бе-

зызносности) РТМ 02 101-88/ ДН Гаркунов, Г Польцер, В М Юдин и др М Министерство бытового обслуживания населения РСФСР, 1988 - 16 с

15 Методика исследования водородного изнашивания материалов/ Д.Н Гаркунов, В М Юдин, М Е. Сгавровский, Р В Саванчук М МБОН РСФСР, МТИ, 1988 - 39 с

16 Руководящий технический материал Методы повышения износостойкости узлов трения компрессоров бытовых холодильников на основе избирательного переноса (эффекта бсзызносности) РТМ 03 101-89/А К Прокопенко, В М Юдин и др М • МБОН РСФСР. МТИ, 1989 - 11 с.

17 Автсвид 1499906 СССР, МКИ С 10 Ь 1/18 Топливная композиция/ДН Гаркунов, В М. Юдин, А К Прокопенко, М Е Ставровский, Б А Полянин 8 04 89

18 Авт свид 1519219 СССР, МКИ Р 16 С 33/14 Полимерная композиция/ А И Буря, В И Дубкова, Т А Скляр, И Н Емроленко, В М Юдин, И Э Пашковский 1 07 89.

19 Юдин В М Исследование механизма водородного изнашивания деталей технологического оборудования// Повышение срока службы машин и оборудования бытового обслуживания на основе триботехники М • МТИ, 1989 - С 57-62

20 Применение лазерного прибора для исследования водородного изнашивания узлов трения машин/ В М Юдин, Р В. Саванчук, Б У Зуев, МС Федоров, О К Тимонина//Заводская лаборатория, 1990, № 1 - С 62-64

21 Руководящий технический материал Методы повышения износостойкости узлов трения и режущего инструмента деревообрабатывающего оборудования предприятий бытового обслуживания населения на основе избирательного переноса РТМ 04 101-90/ А К Прокопенко, Л И Радчук, В М Тихомиров, В М Юдин и др М Министерство бытового обслуживания населения РСФСР, 1990 - 13 с

22 Руководящий технический материал Методы повышения износостойкости узлов трения оборудования фабрик химической чистки и прачечных на основе избирательного переноса (эффекта безызносности) РТМ 05 101-90/ А К Прокопенко, И Э Пашковский, В М Юдин и др М Министерство бытового обслуживания населения РСФСР, 1990. - 9 с.

23. Руководящий технический материал Методы повышения стойкости подвижного инструмента машин скользящего резания кожевенно-обувных и текстильных материалов поверхностно-пластическим деформированием в металлоплаки-рующих средах РТМ 06 101-90/ А К Прокопенко, Ф М Мехтиев, В М Юдин и др Министерство бытового обслуживания населения РСФСР, 1990 - 8 с

24 Руководящий технический материал Методы повышения износостойкости узлов трения оборудования механических цехов предприятий бытового обслуживания населения на основе избирательного переноса (эффекта безызносности) РТМ 07 101-90/ В.Н Дзегиленок, А К Прокопенко, Б Г Жигайло, В М Юдин и др М Министерство бытовою обслуживания населения РСФСР, 1990 - 10 с

25 Влияние смазочных масел и присадок на наводороживаемость, коррозию и износ в статических и динамических условиях/ В М Юдин, Ю Н Шехтер и др // Долговечность трущихся деталей машин СНТ Машиностроение, 1990-С 88-96

26 Методы исследования водородного изнашивания узлов трения машин и агрегатов/ В М Юдин, М Е Ставровский, Р В Саванчук// Долговечность трущихся деталей машин №5 М • Машиностроение, 1990, С 358-368.

27 Авт свид 1578211 СССР, МКИС21 П 1/00 Способ обработки стальных изделий/ И Э Пашковский, М Е Ставровский, В М Юдин, И М Константинов, Б А Полянин Бюл № 26,15 07 90

28 Авт свид 1622671 СССРБ МКИ Р 16 С 33/14 Состав для приработки деталей узла трения, А К Прокопенко, В М Юдин, В П Францев, А.П Голубев, В Н Смирнов, ИМ Константинов,ВII Никулин,ИП Сокольников Бюл №3,23 01 91

29 Авт свид 1686033 СССР, МКИ С 23 С 26/00 Способ нанесения антифрикционных покрытий на детали узлов трения/ А К Прокопенко, Е А Воронин, В М Юдин, В М Тихомиров, В Н Францев, М Я Ставровский, И Э Пашковский, МИ Каплин Бюл №39,23 10 91

30 Исследование хслатообразующих соединений в качестве компонент антифрикционных присадок к смазочным материалам, используемым в бытовой технике/ И А Абронин, В К Завьялова, В П Литвинов, А К Прокопенко, В Н Тарасенко, ВМ Тихомиров, В М Юдин//Современные технологии в отрасли бытового обслуживания населения М ГА СБУ, 1993 С 4-11

31 .Пат 2058377 РФ, МКИ С 10 М 137/16//С 10 N Присадка к смазочным материалам/ Д Б Тюльпаков, Р X Биккинеев, Н Н. Лознецова, Г.Г Щеголев, Ю.П. Топоров, А К Прокопенко, В М Юдин, Д Бюл № 11,20 04 96

Юдин Владимир Михайлович

ТРИБОХИМИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЦЕССОВ ДИАГНОСТИКИ И СЕРВИСА ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ОБОРУДОВАНИЯ

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Лицензия ИД №04205 от 06.03.2001 г.

Слано в производство 06.10.2004 Тираж 100 экз.

Объем 2,75 п.л. Изд. №155 Заказ 155

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Московский государственный университет сервиса» 141221, Московская обл., Пушкинский р-он, пос. Черкизово, ул. Главная, 99

»18525

РНБ Русский фонд

2005-4 13559

»

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. Анализ основных представлений и теоретических положений трибологии и трибохимии.

1.1. Анализ проблем трибохимии. Проблемы диагностики узлов трения и тестирования смазочных материалов.

1.2. Теории трибологии.

1.3. Химические аспекты трения и износа. Трибохимические реакции с позиций координационной химии.

1.4. Электрохимические методы трибохимии.

1.5. Структурные методы трибохимии твердого тела

1.6. Анализ теоретических зависимостей трибологии.

1.6.1. Кинетическая характеристика трения

1.6.2. Статическая характеристика трения.

1.7. Термодинамическое обоснование взаимосвязи износа образцов в триботехнических системах с интенсивностью выделения водорода.

1.8. Химическая кинетика трибохимических реакций.

1.8.1. Топохимическая кинетика реакций перехода зародышей в активно растущие ядра адгезионного схватывания.

1.8.2. Топохимические кинетические зависимости при учете механохимической и тепловой активации.

1.9. Водородный износ и методы его исследования.

1.9.1. Взаимодействия при фрикционном контакте.

1.9.2. Взаимодействие водорода с металлами.

1.9.3. Водородный износ при фрикционном контакте.

1.9.4. Экспериментальные методы исследования наводороживания

Диссертация посвящена трибохимическим исследованиям процессов трения и водородного износа. Результаты исследований положены в основу диагностики узлов трения и методов борьбы с водородным износом в процессе эксплуатации и сервисного сопровождения машин и агрегатов на предприятиях бытового обслуживания, легкой и деревообрабатывающей промышленности, автомобильного, железнодорожного и авиационного транспорта.

Работа выполнялась по координационному плану стандартизации по проблеме «Обеспечение износостойкости деталей машин и механизхмов» на 1976 - 80 г., координационному плану НИР АН СССР по проблеме «Трение и износ твердых тел» на 1981-86 г., координационному плану НИР АН СССР по проблеме «Трение и механика использования энергоаккумулирующих веществ, в том числе гидридов и восстановления окислов» на 1986 - 90 г., Постановлениями Совета министров СССР № 359 от 26.03.87 и ГКНТ ССС № 349 от 3.07.85 и № 193 от 3.06.86 и приказами по министерству бытового обслуживания РСФСР № 178 от 21.04.86 и № 365 от 31.07.87.

Исследования и конструкторские разработки, представленные в диссертации, выполнены под руководством автора в лаборатории «Водородного изнашивания» при МТИ, в научно-исследовательском секторе МТИ, в научно-производственном предприятии «Трибо», а также при выполнении диссертационных работ на соискание ученой степени кандидата технических наук Ставровским М.Е. и Саванчук Р.В.

АКТУАЛЬНОСТЬ ПРОБЛЕМЫ. Трибохимия водородного износа определяет надежность и срок службы оборудования и машин, имеющих в своем составе узлы трения. Износ, в особенности водородный износ, является наиболее существенным фактором, который должны учитывать разработчики новой техники и специалисты, занимающиеся ее эксплуатацией и обслуживанием. Материаловедение в настоящее время является бурно развивающейся областью. Однако вовлечение новых конструкционных материалов в процесс создания новой техники, технологий диагностики и сервиса технологического оборудования зачастую сдерживается отсутствием методов испытаний в заданных условиях эксплуатации. Прогресс триботехники в настоящее время определяется решением задач, возникших на стыке механики и химии, которые являютсяпредметом исследования специальных дисциплин: механохимии и трибохимии.

В понятие сервис вкладывается весь комплекс мероприятий, позволяющих обеспечить безопасность, надежность и функциональную работоспособность машин, агрегатов и входящих в них узлов и деталей. Развитие сферы сервиса в последние десятилетия в различных отраслях производства, коммунального и сельского хозяйства, торговли стало насущной проблемой в силу расширения конкуренции и быстрой смены номенклатуры товаров. Это развитие стало возможным благодаря совершенствованию технологий сервиса. Высокотехнологическая продукция машиностроения (автомобили, холодильники, пылесосы, кухонные комбайны и т.п.), промышленности электронной техники (телевизоры, видеомагнитофоны, персональные компьютеры) стала необходимым элементом современного быта.

Активная техническая политика в области высокотехнологической продукции требует особого внимания к трем ее элементам: (1) разработке и выпуску высокотехнологической продукции, (2) экономической составляющей политики, обеспечивающей выход данной продукции на потребительские рынки, и, наконец, (3) сервису продукции от стадии информирования потребителя вплоть до стадии утилизации, т.е. обеспечение полного жизненного цикла изделия. Развитие технологий сервиса и диагностики технологического оборудования требует повышенного внимания к проблемам износа. Российская научная школа является одной из передовых в этой области. Большой прогресс достигнут благодаря работам российских ученых: Кра-гельского И.В., Гаркунова Д.Н., Ахматова A.C., Ишлинского А.Ю., Полякова A.A., Костецкого Б.И., Дерягина Б.В., Ребиндера П.А. и многих других. В последнее время многообещающие практические и теоретические результаты получены в работах Кужарова A.C., Лукашева Е.А., Прокопенко В.А. и других.

ЦЕЛЬ РАБОТЫ - разработка триботехнического измерительного комплекса для исследования трибохимии водородного износа, разработка методик для определения водорода в материалах деталей узлов трения, исследование триботехнического наводороживания и его связь с износом материалов, применение разработанных методов и аппаратуры для диагностики и снижения водородного износа материалов узлов трения, апробация полученных результатов на предприятиях при обслуживании машин, агрегатов и технологического оборудования.

Поставленная цель достигалась в следующих направлениях:

1. разработка методов диагностики износостойкости и рекомендаций по применению разработанных технологических приемов снижения водородного износа, в том числе финишной антифрикционной безаобразивной обработки и обкатки в технологических средах, имеющих в своем составе медьсодержащие металлоплакирующие присадки к маслам, на стадиях производства, эксплуатации и сервиса продукции машиностроения.

2. исследование водородного износа и технологических приемов защиты от него в условиях эксплуатации деталей различных узлов и агрегатов;

3. разработка триботехнического измерительного комплекса и методик определения «металлургического», «технологического» и триботехнического водорода.

НАУЧНАЯ НОВИЗНА заключается в анализе современных проблем триботехники и трибохимии водородного износа и смазочных материалов; в разработке триботехнического измерительного комплекса, в котором объединены новые технические решения в форме оптоэлектронных датчиков износа; установок вакуумной экстракции и лазерного отбора проб водорода; твердоэлектролитного датчика водорода; в новых методиках прецизионных и ускоренных испытаний трибохимических систем с использованием триботехнического измерительного комплекса для исследования процессов трибохимии водородного износа; в результатах исследования взаимосвязи наводо-роживания материалов при трении с их износом и разработке технологических приемов защиты от водородного износа путем применения металлопла-кирующих противоизносных медьсодержащих присадок.

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЦЕННОСТЬ заключается в технологических приемах защиты узлов трения от водородного износа, включая использование ме-таллоплакирующих противоизносных медьсодержащих присадок, в форме финишной антифрикционной безабразивной обработки, обкатки в технологических средах, повышения сроков службы эксплуатируемого оборудования; методиках диагностики и рекомендациях для снижения водородного износа при эксплуатации деталей узлов трения бытовой техники, механизмов швейных машин, лезвийного инструмента машин скользящего резания коже-венно-обувных и текстильных материалов, деревообрабатывающего инструмента, насосов, двигателей внутреннего сгорания, деталей узлов трения автомашин, дизельной техники специального назначения и путевых машин железнодорожного транспорта.

ПУБЛИКАЦИИ. По результатам диссертационной работы опубликовано 45 печатных работ, включая 2 монографии и 9 патентов (авторских свидетельств) на изобретения.

АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ. Результаты работы докладывались на областном семинаре «Опыт исследования быстропротекающих процессов в механике текстильных машин» (Пенза, 1981), региональной научно-технической конференции «Повышение качества и производительности обработки деталей машин и приборов» (Горький, 1984), Всесоюзной научно-технической конференции «Современные проблемы триботехнологии» (Николаев, 1988), республиканской научно-технической конференции «Научно-технический прогресс в сфере услуг» (Уфа, 1988), зональной научно-технической конференции «Повышение надежности изделий триботехническими методами» (Пенза, 1988), V Всесоюзной конференции «Методы определения и исследования газов в металлах» (Москва, 1988), Всесоюзной научно-технической конференции «Повышение качества и надежности продукции, программного обеспечения ЭВМ и технических средств обучения» (Куйбышев, 1989), научно-технической конференции ГАСБУ «От фундаментальных исследований до практического внедрения» (Москва, 1993), международной научно-технической конференции «Наука сервису» (Москва, 1996).

Выполненные автором разработки экспонировались на ВДНХ СССР. Постановлением Совета Министров РСФСР от 16.04.91 г. № 202 автору в составе коллектива присуждена единовременная премия Совета Министров РСФСР за «Разработку, исследование и внедрение методов повышения срока службы машин, технологического оборудования и транспортных средств предприятий бытового обслуживания на основе безызносности».

СТРУКТУРА И ОБЪЕМ ДИССЕРТАЦИИ. Диссертация состоит из введения, четырех глав, выводов, списка цитированной литературы и приложения. Объем диссертации составляет 368 страниц; он включает 268 страниц основного машинописного текста, 99 рисунков, 52 таблицы, выводы, список литературы (341 наименования); приложение составляет 87 страниц.

Результаты исследования диффузии и проникновения водорода сквозь кобальтовую фольгу в интервале температур 520-1050 К представлены в [П.2.9] (получены на автоматизированной установке). В работе [П.2.10] было изучено взаимодействие водорода с «реальными» поверхностями (металлическая мембрана) при концентрациях водорода в металле до 0,3 ат.% и температурах ниже 200°С. Показано, что в этих условиях процессы на поверхности являются лимитирующим этапом взаимодействия. Перераспределение водорода в ниобии при термоциклической обработке исследовано [П.2.11] методами микроскопического и рентгеновского анализов, а также структура, параметры кристаллической решетки твердого раствора, микротвердость и соотношение фаз в сплавах ЗЧЬ.

Температурные зависимости коэффициента диффузии дейтерия в разбавленных твердых растворах палладия, содержащих 4 и 10 % молибдена, исследовали в [П.2.12]. Значения коэффициента диффузии определяли в ходе ступенчатого нагрева и охлаждения в интервале температур 573-1073 К. Диффузию дейтерия в концентрированных твердых растворах палладий - медь исследовали [П.2.13] с целью определения влияния легирования палладия медью. Установлено, что с увеличением концентрации меди коэффициенты диффузии дейтерия в палладии и медных сплавах уменьшаются, достигая минимума в области 60 ат.% меди, после чего наблюдается их небольшое увеличение. Для обсуждения полученных результатов привлечена модель Мак-Леллана, разработанная для интерпретации поведения легких примесей внедрения в концентрированных тверД1Вхгршнрш*рю£.температур 500-1000° С и давлении водорода 0,1-10 МПа исследовали растворимость водорода в жаропрочных никелевых сплавах ЭИ437БУВД, ЭИ698ВД и ЖС6КП, содержащих различное количество упрочняющих фаз [П.2.14]. Установлено, что с увеличением давления растворимость водорода растет во всех сплавах во всем интервале температур. Однако закон Сивертса соблюдается только в интервале высоких давлений 5-10 МПа, причем отклонения от закона Сивертса уменьшаются с повышением температуры. С увеличением температуры растворимость водорода растет экспоненциально во всех сплавах. В сплаве ЖС6КП растворяется наибольшее количество водорода.

В работе [П.2.15] изучали влияние окисления на проницаемость водорода плоских мембран из сплава ХН55МВЦ. Обнаружено, что окисление сплава может привести к двоякому результату в зависимости от времени окисления. При некоторых режимах окисления наблюдается увеличение поверхностного барьера, для других - диффузионное сопротивление оксида становится сравнимым с диффузионным сопротивлением мембраны. Влияние оксидных пленок на проницаемость водорода и малоцикловую усталость хромистых сталей в вакууме и в атмосфере газообразного водорода исследовали в работе [П.2.16]. При исследовании влияния легирования редкоземельными металлами на диффузионные параметры водорода в стали ЭП-838 [2.17] определяли проницаемость водорода и коэффициент диффузии. В области температур 970 К обнаружен фазовый переход 1-го рода. Проницаемость водорода в сплавах железо - углерод исследовали при полиморфном превращении [П.2.18]. Использовали метод непрерывного измерения давления в ампуле. Материалами для исследования служили чистое железо, низкоуглеродистая и эвтектоидная стали. В результате исследований подтверждено импульсное выделение водорода в момент фазового перехода у -» а в чистом железе. Установлена зависимость коэффициента диффузии водорода в железе и его сплавах с углеродом в интервале температур 773-1373 К. Методика позволяла наблюдать все изменения проницаемости водорода в исследуемом металле: зависимость ее от состава фаз, структуры, а при необходимости следить за изменениями во времени, связанные с ростом зерна и выделением новых фаз. Особенности обезуглероживания пористого белого чугуна в атмосфере водорода изучали в работе [П.2.19] с целью выяснения роли открытых и закрытых пор. Материалом исследования служил пористый белый чугун эвтектического состава, закристаллизовавшийся в атмосфере водорода. Обезуглероживающий отжиг проводили в атмосфере чистого водорода при давлении до 10 МПа и температуре 1273 К.

Вопросы кинетики взаимодействия водорода с металлами посвящены работы [П.2.20 - П.2.22]. Так, в работе [П.2.22] исследовали кинетику проникновения водорода сквозь никелевые мембраны в интервале температур 473 - 933 К методом Оже-электронной спектроскопии. Параметры процесса проникновения водорода определяли в зависимости от предыстории образца, начального элементного состава поверхности, режимов обработки методами высокотемпературного отжига и химических реакций с использованием активных газов: кислорода и водорода. Обнаружена термостимулированная и водородостимулированная сегрегация примесей серы и углерода на поверхности никеля, влияющая на параметры проникновения водорода.

Влияние облучения на проницаемость водорода исследовали в работах [П.2.23, П.2.24]. В [П.2.24] в условиях реакторного облучения (1,6-10" нейтр/см2, Е > 0,1 МэВ ) и высоких температур исследовали проницаемость водорода в стали 12Х18Н10Т, которая хорошо зарекомендовала себя при эксплуатации. Влияние постоянного магнитного поля на высокотемпературную проницаемость водорода стали 10Х18Н10Т с ферромагнитной структурой и стали 104, претерпевающей в исследуемом температурном интервале (>500°С) фазовые превращения 2-го рода, совпадающие с превращениями 1-го рода, изучали в [П.2.25]. Исследователей интересуют механизмы диффузии газов в металлах [П.2.26], механизмы взаимодействия [П.2.27], явление сверхпроницаемости [П.2.28].

1.10. ЗАКЛЮЧЕНИЕ И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧ ИССЛЕДОВАНИЯ

Анализ современного состояния теоретической трибологии показывает, что прогресс триботехники в настоящее время определяется прецизионным экспериментом, позволяющим разделить эффекты, сопровождающие трение и износ. Открытие явлений наводороживания, водородного износа, безыз-носного трения и избирательного переноса обеспечило значительный прогресс во многих отраслях машиностроения, транспорта и т.п. Однако сложность процессов трения и износа заставляет специалистов по производству, эксплуатации и сервису машин решать частные задачи. Так, отсутствие обобщающего подхода до сих пор не позволяет разработать теоретических положений, позволяющих выбирать материалы для пар трения и состав смазочных композиций. Положение осложняется тем, что материаловедение является наиболее быстро развивающейся областью, которая постоянно разрабатывает новые сплавы, керамики, полимеры, композиты. Освоение постоянно растущего ассортимента этих материалов сдерживается длительностью испытаний и, прежде всего, на трение и износ. Единственной возможностью сделать правильный выбор является проведение триботехнических испытаний. Современные теории трения и износа базируются на эмпирических и полуэмпирических закономерностях. Это значительно ограничивает возможность их практического использования, поскольку в каждом конкретном случае требуется определение границ применимости этих зависимостей, а также экспериментального определения коэффициентов уравнений. Таким образом, стендовые испытания, как один из методов технологического моделирования, являются обязательным этапом научных исследований, опытно-конструкторских разработок, внедрения в промышленность и службы сервиса.

Рассмотренные материалы позволяют заключить, что (1) результаты физико-химического анализа материалов пар трения и смазки не могут однозначно определять параметры процессов трения и износа; (2) деление процесса трения на сухое (ювенильное), граничное, смешанное и гидродинамическое является условным и не в полной мере теоретически обоснованным; (3) теории трибологии оперируют в основном механическими параметрами и эмпирическими зависимостями; (4) в адгезионной и молекулярно-механической теориях фактически прослеживается цель разделить эффекты внешнего и внутреннего трения; (5) физико-химическое обоснование, например, действия металлоплакирующих присадок включает только качественное рассмотрение, что не дает возможности уменьшить объем триботехнического эксперимента; (6) математические модели трения, в частности, топохимиче-ской кинетики адгезионного схватывания находятся в начальной стадии построения и требуют разработки методов расчета с использованием экспериментальных данных.

Химической стороне вопроса в теоретической трибологии, в частности, образованию и накоплению водорода не было уделено должного внимания. В большей степени вопросы химических взаимодействий при трении и износе решались в области практики (трибодеструкция смазочных материалов; образование, диффузия и аккумулирование водорода поверхностными слоями металла; металлоплакирующие присадки и т.п.). Отсутствие должного теоретического обоснования сдерживает прогресс в этой области, значительно тормозит научные разработки и их внедрение. Теоретическая трибология нуждается в прецизионных и надежных экспериментальных данных.

Процессы, протекающие при изменении воздействия внешних и внутренних факторов, могут быть представлены в форме детерминированных или корреляционных зависимостей. Однако многообразие форм явлений, обусловливающих износ материалов, определяет сложность построения прогностической математической модели процесса. В этом случае главной задачей системного подхода к анализу взаимодействия пар трения является составление динамико-стохастической модели для контроля за их состоянием. Динамическая часть модели должна обеспечивать управление и регулирование параметрами взаимодействия, а стохастическая - обеспечивать получение и обработку достоверной информации [1.231]. Основные характеристики объекта формулируются с помощью уравнений, которые вводятся в модель в качестве обратной связи.

Энергетический баланс в системе узла трения позволяет предположить, что интенсивность выделения или поглощения и состав газообразных продуктов износа могут служить индикатором условий и режимов взаимодействия материалов деталей и смазочной среды и должны быть определенным образом связаны с интенсивностью износа. Процесс водородного износа материалов связан с образованием в зоне трения газообразного водорода в результате деструкции смазочного материала.

Таким образом, хотя в теоретической трибологии и триботехнике достигнут значительный прогресс, однако, сложность явлений, наблюдаемых при взаимодействии материалов в процессе трения, убеждает, что в настояI щее время не существует возможности количественного их описания аналитическими методами, основанными на физико-химических закономерностях.

Установить количественные соотношения для оценки величины износа металлов по измерениям сопутствующих факторов можно только с помощью проведения активного эксперимента. Существование взаимосвязи между износом металла и концентрацией водорода в газовой фазе, а также внешними силовыми факторами, определяющими перераспределение плотностей энергии, обосновано экспериментально [1.185]. Результаты эксперимента являются основой для составления прогностической модели явления и идентификации ее параметров методами статистической обработки результатов наблюдений с привлечением аппарата математической теории оптимального планирования экспериментов [1.232, 1.233].

ГЛАВА 2. ТРИБОТЕХНИЧЕСКИЙ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЙ КОМПЛЕКС И МЕТОДЫ ТРИБОХИМИЧЕСКИХ ИСПЫТАНИЙ НА ВОДОРОДНЫЙ ИЗНОС 2.1 . ТРИБОТЕХНИЧЕСКИЙ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЙ КОМПЛЕКС

И МЕТОДИКИ ИССЛЕДОВАНИЙ И ИСПЫТАНИЙ 2.1.1. АНАЛИЗ ТРЕБОВАНИЙ, ПРЕДЪЯВЛЯЕМЫХ К МЕТОДИКЕ ТРИБОТЕХНИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЙ

Испытания на трение и износ в зависимости от цели исследований проводят на различном оборудовании и по различным методикам [2.1, 2.2 - 2.4]. Однако все известные методы характеризует одинаковая последовательность изучения свойств триботехнической системы. В работе [2.5] предложена классификация методов триботехнических испытаний при исследовании узлов трения машин. В соответствии с этой классификацией на первом этапе исследований определяют структурные свойства триботехнической системы - свойства ее эле*ментов и их взаимодействие, а на втором этапе - функциональные свойства системы, то есть ее функциональное поведение. Для определения триботехнических характеристик системы последовательно проводят: изучение свойств деталей системы; исследование триботехнических процессов; модельные испытания; контроль состояния машин.

Для исследования трибологических процессов применяют различные типы трибометров, то есть машин трения [2.1, 2.2 - 2.4], воспроизводящих различные виды, движения образцов, свойства которых соответствуют свойствам деталей изучаемой системы. В качестве рабочих параметров при испытаниях задаются нагрузкой и относительной скоростью движения образцов, их начальной температурой, составом среды, в которой проводят испытания, и смазочного материала, а также продолжительностью испытаний. К изучаемым триботехническим характеристикам системы относят: силу и коэффициент трения, величину и интенсивность износа, температуру в зоне контакта, шум и вибрацию, а также условия контакта деталей [2.5]. При исследовании триботехнических процессов большое значение придают характеристике поверхностей трения, то есть их топографии и состава, с помощью современных методов электронной микроскопии и рентгеновского микроанализа [2.6].

Модельные испытания проводят на стендах, позволяющих приблизить условия испытаний к эксплуатационным режимам работы деталей изучаемого узла трения. Окончательно триботехнические характеристики системы определяют при контроле состояния машин в процессе их эксплуатации.

Такая последовательность проведения триботехнических испытаний позволяет получать достоверные результаты исследований при наименьших затратах времени и материальных средств. Особое значение в этом случае приобретает исследование трибологических процессов, дающее возможность провести основной объем работ еще на стадии лабораторных испытаний.

Требования, которым должна удовлетворять методика лабораторных испытаний, предусматривает наиболее полное воспроизведение условий и I режимов работы натурного узла. Соответствие параметров нагружения и свойств материалов контактирующих поверхностей пары трения реальным условиям обеспечивает получение достоверной информации о механизме из- * носа.

В настоящее время широкое применение для исследований триботех- ¡ нических характеристик материалов получили машины трения СМЦ-2, 77МГ-1, ЧШ - 3.1, ЧШ-3.2, НАСТ-1 и др. К их недостаткам следует отнести отсутствие герметичных рабочих камер, а также устройств для непрерывной регистрации параметров трения, что не позволяет исследовать кинетику триботехнических и трибохимических процессов.

Лабораторные приборы КНИГА-1 и КНИГА-2, разработанные в Киевском институте инженеров гражданской авиации [2.7], имеют герметичную камеру, позволяющую вести исследования состава газов, образующихся в процессе трения. Однако испытания на этих установках проводятся с изменением геометрии исследуемых образцов, что затрудняет обработку получаемой информации. Величина износа при этом определяется по окончании экспериментов. Изменение геометрии образцов приводит к изменению уеловий и режимов работы исследуемых пар, так как увеличение площади контакта, вызванное износом поверхностей образцов, обусловливает снижение нагрузок, что не может не сказываться на организации процессов взаимодействия и на свойствах материалов и смазочной среды.

Таким образом, триботехнические испытания обладают рядом характерных особенностей, затрудняющих определение параметров трения и износа с помощью известных методов и испытательной техники. Необходимо учитывать, что смазочная среда активно взаимодействует с материалами трущихся деталей и все определяемые характеристики относятся к самоорганизующейся системе: трущиеся материалы - смазочная среда. Трение материалов в некоторых случаях сопровождается исключительно низкими значениями износа и коэффициента трения. Это вызывает необходимость непрерывной регистрации с высокой точностью таких триботехнических характеристик, как износ образцов, сила (момент) трения, температура образцов и смазочной среды.

Площадь рабочих поверхностей испытуемых образцов на известных » машинах трения обычно составляет 1 + 3 см, что вызывает дополнительные погрешности при испытаниях. Кроме того, применение образцов с большими * площадями рабочих поверхностей связано со значительными выделениями теплоты в процессе испытаний и, соответственно, с изменением раз*меров образцов за счет теплового расширения, что затрудняет или делает практически невозможным непрерывную регистрацию суммарного линейного износа и других параметров.

Перечисленные особенности проведения триботехнических испытаний в значительной мере отражаются на результатах лабораторных испытаний, проводимых на широко используемых машинах трения, таких как СМЦ-2, 77 МТ-1 и других. Следует также отметить, что длительность каждого эксперимента на этих машинах трения может достигать нескольких десятков часов.

С учетом перечисленных особенностей к приборам и методикам для проведения лабораторных триботехнических испытаний был предъявлен ряд требований: установки должны позволять вести непрерывную регистрацию параметров трения в ходе испытаний; площади рабочих поверхностей испытываемых образцов должны быть достаточно малы для обеспечения их быстрой приработки; масса испытательных установок, а также самих образцов должна быть невелика, чтобы тепловое расширение не сказывалось на результатах испытаний. Эти задачи были решены при разработке машин трения ММТ-1 и ММТ-2 [338] (конструкционные особенности и характеристики этих машин трения кратко изложены в Приложении 2). В более широкой постановке эти задачи решались при разработке триботехнического измерительного комплекса.

2.1.2. ЗАДАЧИ, НАЗНАЧЕНИЕ И СОСТАВ ТРИБОТЕХНИЧЕСКОГО

ИЗМЕРИТЕЛЬНОГО КОМПЛЕКСА

Для решения поставленных задач разрабатывался триботехнический измерительный комплекс. Круг задач, для решения которых предназначался данный комплекс, включал: (1) оценку триботехнических характеристик конструкционных материалов; (2) исследование смазывающей способности различных рабочих сред; (3) оценку влияния геометрии контактирующих образцов, а также типа трения и способа смазки на характер фрикционного взаимодействия при различных условиях внешних параметров; (4) непрерывное визуальное наблюдение и запись на видеоаппаратуру с последующим воспроизведением картины образования и разрушения вторичных структур в зоне фрикционного контакта при работе пары трения; (5) изучение механизма водородного износа конструкционных материалов; (6) исследование перераспределения водорода в системе металл - жидкость - газ; (7) оценку влияния «металлургического», «технологического» и «триботехнического» водорода на критическое содержание водорода в поверхностных слоях материалов, приводящего к их интенсивному разрушению; (8) автоматизированную обработку и хранение экспериментальных результатов по триботехническим характеристикам конструкционных и смазочных материалов с учетом водородного износа в различных рабочих средах.

Принципиальная схема триботехнического комплекса представлена на рис. 2.1. Комплекс состоит из представленных ниже основных блоков (приборов и конструктивных элементов).

Рис. 2.1. Принципиальная схема измерительного триботехнического комплекса. 1 - машина трения; 2 — самопишущий потенциометр; 3 - бинокулярный микроскоп; 4 стробоскоп; 5 - кинокамера; 6 - видеомагнитофон; 7 - телевизионный приемник; 8 - твердоэлектролитная ячейка; 9 - нагреватель; 10 - хроматографическая колонка; 11 - баллон с инертным газом; 12 - редуктор; 13 - расходомер инертного газа; 14 - камера отбора и ввода проб; 15 - термокамера; 16 - ЛАТР; 17 - барботер; 18 - шестиходовой кран; 19 - ЭВМ; 20 -блок питания; 21 - усилитель; 22 - лазер; 23 - герметичная камера; 24 - магнитная мешалка; 25 - потенциостат; 26 - коммутирующее устройство

МАШИНА ТРЕНИЯ. В качестве машины трения (1) могут быть использованы малогабаритные машины типа ММТ-1, ММТ-1Э, ММТ-2 и ММТ-3 (Приложение 2). Узел трения машин ММТ-1 и ММТ-1 Э, выполненный по схеме ролик - колодка, размещен в герметичной камере, в которой могут быть реализованы различные способы смазки: окунанием без циркуляции и с циркуляцией рабочей среды, фитильная и капельная. Рабочая камера ММТ-1 изготовлена из нержавеющей стали, а ММТ-1Э - из конструкционного электроизоляционного материала, что позволяет проводить изучение электрохимических процессов при фрикционном взаимодействии материалов. Техническая документация на машины трения ММТ-1 и ММТ-1 Э разработана совместно с Пермским агрегатным конструкторским бюро. Конструктивное исполнение машины трения ММТ-2 аналогично машине ММТ-1 и отличается тем, что в ней моделируется торцевое трение испытуемых образцов. В машине ММТ-3 узел трения выполнен по схеме плоская колодка - пластина и реализуется возвратно-поступательное движение. Конструктивное исполнение машины также позволяет изучать электрохимические процессы при трении.

САМОПИШУЩИЙ ПОТЕНЦИОМЕТР КСП-4. Потенциометр (2) предназначен для непрерывной регистрации триботехнических параметров: суммарного линейного износа образцов, момента трения, температуры в зоне фрикционного контакта и среды.

БЛОК ВИЗУАЛЬНОГО НАБЛЮДЕНИЯ И РЕГИСТРАЦИИ. Данный -блок состоит из бинокулярного микроскопа (3) типа МБС, стробоскопа (4) СТ-5, кинокамеры (5), видиомегнитофона (6), телевизионного приемника (7) с блоком «Ра1-8есаш». Лампа стробоскопа вставляется в один из окуляров микроскопа МБС, второй окуляр микроскопа используется либо для визуального наблюдения, либо для наблюдения и записи с помощью кинокамеры. Сигнал с кинокамеры подается через видеомагнитофон на телевизионный приемник. При необходимости производится запись на видеомагнитофон с последующим воспроизведением на телевизионном приемнике.

БЛОК ГАЗОАНАЛИТИЧЕСКОЙ АППАРАТУРЫ. В состав данного блока входят следующие приборы и оборудование. Твердоэлектролитная ячейка (8) - элемент чувствительный 5к7.039.014 ЭТ (Ангарский филиал ОКБ А); нагреватель (9); хроматографическая колонка (10), изготовленная из нержавеющей стали (трубка с внутренним диаметром 4 мм, наружным диаметром 6 мм и длиной 1,0 -1,5 м, заполненная цеолитом А (просеян с помощью сит 0,5 мм ). Перед сборкой колонка подключается к баллону с инертным газом и при постоянной подаче инертного газа при давлении Р = 2 кг/см2 отжигается в течение 12 ч при температуре 200°С. В состав блока также входят баллон (11) с инертным газом и редуктор (12): 250-14 кг/см2 (в качестве газа носителя может быть использован аргон чистый ГОСТ 10157-73 или гелий высокой чистоты МРТУ-77-66); расходомер инертного газа (13), который устанавливается после твердоэлектролитной ячейки и предназначается для поддержания давления в системе 2 кг/см2 ; трех камер отбора и ввода проб (14), выполненных с возможностью ручного и механического отбора и ввода пробы; термокамеры (15), состоящей из кварцевой колбы, на которой навита вольфрамовая спираль, позволяющая создавать в зоне расположения образца температуру до 1200°С; ЛАТР'а (16) с диапазоном 0 - 250 В для регулирования подаваемого напряжения на спираль термокамеры. Электрическая часть блока (принципиальная схема показана на рис. 2.2) включает самопишущий потенциометр КСП-4 (ГОСТ 716478), два магазина сопротивлений для установки нуля и регулировки чувствительности (диапазон 0-10000 Ом), два источника постоянного тока напряжением 5 В, два сопротивления Я, =330 Ом и И2=1,5 кОм. Барботер (17) предназначен для отдувки и последующего анализа газов, растворенных в жидких рабочих средах.

Соединения элементов газоаналитической аппаратуры выполнены трубками из нержавеющей стали с внутренним диаметром 1,5-2 мм, наружным диаметром 3 мм и обеспечивают герметичность. Рабочее давление инертного газа в системе составляет до 5 кг/см2. Блок управления, обработки и хранения экспериментальных результатов (19) состоит из персонального компьютера с периферией и аналого-цифрового преобразователя (36канального). Компоновка триботехнического измерительного комплекса показана на рис. 2.3. 2

Рис.2.2. Принципиальная схема электрической части блока газоаналитической аппаратуры. 1 - твердоэлектролитная ячейка, 2 - нагреватель, 3,4- магазины сопротивлений, 5 - самопишущий потенциометр

Рис. 2.3. Компоновка блоков триботехнического измерительного комплекса для исследования триботехнического наводороживания материалов. 1 - машина трения, 2 - бинокулярный микроскоп, 3 - кинокамера, 4 - стробоскоп, 5 - видеомагнитофон, 6 - телевизионный приемник, 7, 8 - самопишущий потенциометр, 9 - газоанализатор, 10 - ЭВМ, 11 - цифропечатающее устройство, 12 - термокамера, 13 - барботер, 14 - баллон с инертным газом, 15 - блок питания

2.2. РАЗРАБОТКА ОПТОЭЛЕКТРОННЫХ ДАТЧИКОВ ПЕРЕМЕЩЕНИЙ

Датчики измерения износа и момента трения были созданы на базе оп-тоэлектронной техники. Датчики перемещений разрабатывали на основе миниатюрных оптоэлектронных транзисторных приборов АОТ 137А1, АОТ

137Б1 с открытым оптическим каналом отражательного типа, работающих в ближнем инфракрасном (ИК) диапазоне спектра, выполняющих функции интегрированных оптоэлектронных преобразователей.

Оптроны АОТ 137 отличаются малым уровнем потребляемой мощности, высокими чувствительностью и разрешающей способностью, хорошим быстродействием, низким уровнем выходного остаточного напряжения. Области применения таких оптронов включают робототехнические системы (датчики внутренней локации роботов и манипуляторов), вычислительную технику (клавишные устройства ввода, оптические устройства считывания штриховых знаков и меток, электронные кассовые аппараты), системы контроля и управления технологическими процессами (датчики уровня жидкости, вибрации, качества поверхности, оптоэлектронные тахометры), оборудование для сборки полупроводниковых приборов (датчики положения и концевые выключатели) и бытовую электронику (датчики конца ленты, датчики контроля функционирования подвижных узлов микро- и мини-аппаратуры магнитной записи) [2.8-2.10].

2.2.1. КОНСТРУКТИВНО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ

ОПТОЭЛЕКТРОННЫХ ТРАНЗИСТОРОВ

Оптрон АОТ 137 состоит из излучающего (ИЭ) и фотоприемного (ФЭ) элементов, конструктивно размещенных в специальном малогабаритном рамочном корпусе с двумя расположенными в одной плоскости оптическими окнами. Оптическая связь между ИЭ и ФЭ возникает при отражении части излучаемого потока от внешних объектов в зоне видимости оптрона. Высокая чувствительность отражательного оптрона (несмотря на значительные потери двойного преобразования в оптическом канале связи) обеспечивается использованием фотоприемного элемента с внутренним усилением - высокочувствительного микромощного n+-p-n-n+ фототранзистора, а также высокой степенью спектрального согласования структур GaAlAs излучающего элемента и Si планарного фотоприемного элемента.

В качестве исходного материала излучающего элемента использовали трехслойные гетероструктуры на основе твердых растворов СаА1 - ваАв на подложке ваАв. Основные параметры кристалла ИК излучающего диода следующие: мощность излучения при прямом токе 10 мА составляет не менее 200 мкВт; длина волны в максимуме излучения: 0,62-0,89 мкм; прямое напряжение при прямом токе 10 мА: не более 1,8 В; площадь излучающего р-п перехода: 0,16 мм2.

В качестве исходного материала фотоприемного элемента использовали кремниевые эпитаксиальные структуры п - п+ типа с удельным сопротивлением п+- области 0,01 Ом-см. Толщина эпитаксиального п-слоя была выбрана с учетом обеспечения эффективного поглощения излучения используемого ИК-излучающего диода в объеме структуры. Удельное сопротивление эпитаксиального слоя составляло 6-8 Ом-см. Базовая область создавалась диффузией бора на глубину 5-6 мкм с концентрацией около 4-1018см"3, область эмиттера - диффузией фосфора на глубину 3-5 мкм с концентрацией Ю20 - 1021 см"3. Глубина залегания фоточувствительного коллекторного перехода выбрана с учетом обеспечения сдвига относительной спектральной характеристики фототранзистора в ближнюю ИК область спектра для уменьшения влияния фоновой засветки в видимом диапазоне спектра на выходной сигнал оптрона. Основные параметры кристалла фототранзисторного элемента следующие: ток утечки при икэ = 5 В: не более 0,1 мкА; напряжение пробоя между эмиттером и коллектором: 35 В; коэффициент усиления фототока в схеме с общим эмиттером при токе коллектора 100 мкА: не менее 100; длина волны в максимуме чувствительности: 0,78 мкм; площадь фоточувствительной площадки: 0,25 мм2; размеры кристалла: 0,7x0,7 мм2.

В составе оптрона фототранзистор используется в двухполюсном (коллектор - эмиттер) включении; контактная площадка к области базы предназначена для технологической отбраковки структур ФЭ (в частности, по величине коэффициента усиления фототока) на общей пластинке. Особенностью кристалла является симметричное расположение контакта эмиттера относительно центра кристалла, что исключает необходимость ориентации кристаллов в корпусе.

К конструкции оптрона предъявляются такие требования, как обеспечение точного взаимного расположения излучающего и фотоприемного элементов; уменьшение "паразитной" засветки ФЭ (внешней засветки фоновым излучением окружающей среды и внутренней засветки излучением ИЗ при прямой оптической связи); обеспечение дистанционной ориентации оптрона и внешнего объекта. Эти требования обеспечиваются благодаря использованию малогабаритного 3x3x1,7 мм3 корпуса специальной формы, выполненного из полимерного материала с высоким поглощением в рабочем диапазоне длин волн излучения. Кристаллы ИЭ и ФЭ размещены в колодцах корпуса, залитых прозрачным эпоксидным компаундом.

Основные параметры оптрона АОТ 137 следующие: выходной ток при прямом токе 4 мА: не менее 8 мкА; при прямом токе 10 мА: не менее 20 мкА (для А1) и 100 мкА (для Б1); выходное остаточное напряжение: не более 0,4 В; расстояние между оптическими осями ИЭ и ФЭ: 2 мм.

2.2.2. КОНСТРУКТИВНЫЕ ОСОБЕННОСТИ ДАТЧИКОВ

И ИХ ХАРАКТЕРИСТИКИ

Схема датчика перемещений с использованием отражательного оптрона типа АОТ 137 представлена на рис. 2.4. Датчик имеет корпус (3), в который вмонтирован оптрон АОТ 137 (поз. 1). Корпус жестко соединен с герметичной камерой (5). В корпусе размещен стол (2) с плоским отражателем, перемещение которого осуществляется штоком (4). Опускание штока происходит в результате уменьшения суммарного размера испытываемых образцов (7) и (8), находящихся под нагрузкой. Нагружение образцов производится через рычаг (6). Питание Е, оптрона производится от стабилизированного источника питания. Включение и выключение источника питания Е1 производится выключателем Вк,. Резисторами И, и можно изменять выходной сигнал, который фиксируется вольтметром, записывается на самопишущий прибор или заносится в банк данных на ЭВМ.

Рис. 2.4. Схема оптоэлектронного датчика перемещений

Датчик работает следующим образом. В результате износа образцов происходит опускание штока (4) и изменение расстояния АЬ между столом с плоским отражателем (2) и оптроном (1). Это приводит к изменению светового потока на фотоприемник АФ, что в свою очередь вызывает изменение фототока Д1Ф.

Для проведения анализа зависимостей фототока от расстояния до отражающего объекта и разработки аналитических зависимостей был проведен * оптический эксперимент, схема которого представлена на рис. 2.5. Точечный источник (1) с заданной диаграммой направленности интенсивности излучения ] = Хе) находится на расстоянии Н от фотоприемника (2) с площадью приемной поверхности в, линейные размеры которой значительно меньше Н, и на расстоянии с1 от отражающей поверхности (3). Мощность излучения \у, приходящаяся на фотоприемник площадью в, зависит от расстояния с! следующим образом: =

2Л) и'+н'Г

Таким образом, из последней зависимости вытекает необходимость знания диаграммы направленности интенсивности излучения ](в). Экспериментальные данные, полученные с использованием серийно выполненных образцов оптронов АОТ 137 показали, что для них справедлив закон Ламберта: = ]оСо80, (2.2) где ¿о - интенсивность излучения в направлении перпендикулярном плоскости излучателя; в - угол между нормалью и направлением на приемную площадку.

Рис. 2.5. Оптическая схема оптоэлектронного датчика перемещений

В соответствии с этим зависимость мощности излучения от расстояния до отражающей поверхности имеет вид: гдосоэе у =

2.3)

Сопоставление экспериментальных данных с рассчитанными по приведенной формуле показало хорошее совпадение результатов. Однако было установлено, что оптроны даже из одной партии отличаются своими характеристиками. Поэтому возникла необходимость построения для каждого датчика своей экспериментальной паспортной зависимости.

Информационным сигналом отражательного оптрона является амплитуда выходного тока, которая в общем случае определяется размерами (в ,Н), координатами (с!,0), оптическими свойствами отражающей поверхности и током излучающего элемента (I, ).

Для получения индивидуальных характеристик оптронов были проведены исследования, результаты которых представлены показаны на рис. 2.6 - 2.15 (Приложение 2.2: таблицы п.2.1 — п.2.6). При проведении экспериментов в качестве отражателя использовали плоскую алюминиевую поверхность, выходное остаточное напряжение равнялось 0,4 В, входной ток -10 мА.

В соответствии с экспериментальными данными для всех оптронов имела место экстремальная зависимость выходного тока от величины продольного перемещения отражателя. Однако разброс в значениях тока для конкретных оптронов (следует из рис. 2.6) был достаточно велик. При использовании относительных значений тока наблюдали симбатное изменение рассматриваемых зависимостей и их группировку по отношению к средним значениям (рис. 2.7). Зависимости выходного тока оптронов от величины поперечного перемещения границы отражателя имели Б-образный вид и также существенно различались по уровню значений для конкретных оптронов (рис. 2.8). Разброс значений нивелировался при рассмотрении относительных значений выходного параметра (рис. 2.9). Характер зависимостей и интервал изменения выходного тока от температуры окружающей среды для анализируемой серии оптронов показан на рис. 2.10. Температурные зависимости тока относительно его значения при комнатной температуре приведены на рис. 2.11. Границы (линии 1 и 2) и средние значения (линия 3) тока утечки на выходе оптронов от температуры показан на рис. 2.12. При проведении температурных исследований выходное остаточное напряжение равнялось 0,4 В, входной ток - 10 мА, величина продольного перемещения отражателя -1 мм. Экспериментальные данные по влиянию материала отражателя на показатели работы оптронов приведены в таблице 2.1. При проведении экспериментов выходное остаточное напряжение равнялось 0,4 В, входной ток -10 мА. Как и для приведенных выше данных, в случае использования того или иного материала плоского отражателя при оценке значения реального выходного тока необходимо учитывать поправочные коэффициенты, указанные в таблице 2.1.

1,нкЛ

500

200

100 А

I \ \ \ 1 \\

•> з г

-----Н

Рис. 2.6. Зависимости выходного тока оптронов от величины продольного перемещения отражателя

1/1 1.0

0,8

0.6

Ч» м л\У\ % \ \

V- \ х- \ • \ \ х- ^ \ N. N

113* (1,И N

Рис. 2.7. Продольные координатные характеристики оптронов

1,икЛ

150 ** • / /

100/ / / • / / / /

А / / / /

-ОЛ "ОД о о, г о,<< и,»ц

Рис. 2.8. Зависимости выходного тока оптронов от величины поперечного перемещения границы отражателя

I/ 1,0

0,6 у Л

0Л

•о,ч -ол о о,г ол л1,нн

Рис. 2.9. Зависимости выходного тока оптронов от величины поперечного перемещения границы отражателя

1т/1* о 50 ео яо т.*с

Рис. 2.10. Зависимости выходного тока оптронов от температуры окружающей среды

1,икл о 30 «о 90 Т/С

Рис. 2.11. Температурные зависимости относительного выходного тока оптронов

Сд1,мкЛ

Рис. 2.12. Температурные зависимости тока утечки на выходе оптронов

Т.нкс

Рис. 2.13. Зависимости времени спада выходного сигнала оптронов от сопротивления резистора нагрузки ег

С, мкс

Рис. 2.14. Зависимости времени нарастания выходного сигнала оптронов от сопротивления резистора нагрузки