Трибомониторинг изнашивания прецизионных узлов трения с учетом их дилатации

Потеха, Валентин Леонидович

Трение и износ в машинах

автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.04, диссертация на тему:Трибомониторинг изнашивания прецизионных узлов трения с учетом их дилатации

доктора технических наук: Потеха, Валентин Леонидович
город: Ростов-на-Дону
год: 2005
специальность ВАК РФ: 05.02.04

Диссертация по машиностроению и машиноведению на тему «Трибомониторинг изнашивания прецизионных узлов трения с учетом их дилатации»

Автореферат диссертации по теме "Трибомониторинг изнашивания прецизионных узлов трения с учетом их дилатации"

На правах рукописи

ПОТЕХА ВАЛЕНТИН ЛЕОНИДОВИЧ

ТРИБОМОНИТОРИНГ ИЗНАШИВАНИЯ ПРЕЦИЗИОННЫХ УЗЛОВ ТРЕНИЯ С УЧЕТОМ ИХ ДИЛАТАЦИИ

Специальность 05.02.04 - Трение и износ в машинах

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

МОСКВА 2005

Работа выполнена в Ростовском государственном университете путей сообщения (РГУПС).

Научный консультант:

Академик РАН,

доктор технических наук, профессор Колесников Владимир Иванович (РГУПС)

Официальные оппоненты:

доктор технических наук

Марков Дмитрий Петрович (ВНИИЖТ)

доктор технических наук, профессор Гриб Владимир Васильевич (МАДИ)

доктор технических наук, профессор Мешков Владимир Валентинович (ТГТУ г. Тверь)

Оппонирующая организация: Уфимский государственный авиационный технический университет (УГАТУ).

Защита состоится «21» июня 2005 г. в 13 часов на заседании диссертационного совета Д 218.002.02 при ФГУП Всероссийский научно-исследовательский институт железнодорожного транспорта в конференц-зале Опытного завода по адресу: ул. 3-я Мытищинская, 10, Москва, 129851.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке института.

Автореферат диссертации разослан 2005 г.

Отзыв на автореферат в двух экземплярах, заверенный печатью учреждения, просим направлять в адрес диссертационного совета института.

Ученый секретарь

диссертационного совета Д 218.002.02, кандидат технических наук

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы диссертации. Одним из основополагающих направлений развития современной трибологии является тенденция к исследованию процессов контактного взаимодействия материальных сред на микро- и наноуровнях. Актуальность работ в этом направлении обусловлена интенсивным развитием нанотехнологий, все более повышающимися требованиями к надежности современных машин и механизмов и необходимостью создания новых высокоинформативных методов и средств диагностики узлов трения и, в первую очередь, их изнашивания. .

В настоящее время при проведении лабораторных исследований, стендовых и эксплуатационных испытаний машин используются разнообразные способы оценки износа, которые, с известной степенью условности, можно разделить на две группы: методы периодического (с остановкой - для измерений контролируемых параметров) и непрерывного (без остановки) контроля состояния трибосопряжений. С точки зрения информативности и универсальности наибольшее распространение получили методы второй группы: акустоэмиссионные, электрофизические, тепловые, виброакустические, спектральные, а также феррографические и магнитометрические. Обладая широкими, зачастую уникальными возможностями, эти методы не всегда могут быть использованы для контроля изнашивания так называемых прецизионных узлов трения, т. е. сопряжений, предельная величина износа которых составляет от долей до нескольких микрометров. Среди методов непрерывной оценки износа наибольшее распространение получили методы, основанные на измерении линейных размеров трибоси-стем или их отдельных элементов. К их достоинствам относятся: сравнительная простота используемого оборудования, малая энергоемкость, относительно небольшая инерционность по отношению к процессам фрикционного взаимодействия, возможность сочетания регистрирующих приборов с микропроцессорными устройствами и создания на их основе многофункциональных систем автоматизированного контроля и управления изнашиванием сопряжений. Ряд недостатков этих методов ограничивает их эффективное использование на практике. Например, они не позволяют учитывать степень влияния теплового фактора (дилатации) на линейные размеры узлов трения. (В свете современных физических представлений дилатация может определяться не только температурой, но и физико-химическим взаимодействием материалов, состоянием окружающей среды, особенностями конструкции исследуемых систем и т. д.). По этой причине практически все методы непрерывного контроля износа, особенно при проведении испытаний в условиях переменных нагрузочно-скорост-ных режимов (изменяющегося теплового фактора), имеют значительную погрешность измерений. Реализация потенциальных возможностей указанных методов непосредственно связана с решением комплекса проблем,

в первую очередь, с необходимостью разработки теоретических и методологических основ трибодилатометрии, а также конструкционно-технологическим обеспечением измерительного процесса. Актуальность и перспективность такого рода исследований представляются несомненными как с точки зрения установления и объяснения новых научных фактов и явлений в трибологии, так и решения многочисленных вопросов прикладного характера, призванных обеспечить надежную и безопасную эксплуатацию самых разнообразных машин и механизмов.

Связь работы с крупными научными программами, темами. Диссертационная работа выполнялась в соответствии с программами 2-го республиканского народнохозяйственного плана (научно-техническая проблема 0.10.16) в 1979-1981 гг., республиканскими программами по решению важнейших проблем в области естественных наук «Композиты» в 1981-1982 гг. и «Триботехника» (задание 5.10) в 1994-1996 гг., «Машиностроение» (задание 05.29), программой международного трибологического проекта VAMAS в 1992-1995 гг., а также при проведении НИР и ОКР по заказам ряда научно-исследовательских институтов, организаций и предприятий.

Цель и задачи исследования. Цель настоящей работы заключается в создании методологических основ, теоретическом обосновании и экспериментальной проверке возможностей практического использования трибо-дилатометрического метода контроля изнашивания и дилатации сопряжений машин и механизмов.

Задачи исследования:

- теоретически обосновать целесообразность применения разработанного метода для оценки изнашивания и дилатации металлических и металлополимерных сопряжений, а также узлов трения, на поверхности деталей которых нанесены тонкослойные антифрикционные покрытия;

- разработать основные понятия и термины, характеризующие исследовательский метод трибодилатометрии, определив его место и задачи как самостоятельного направления в трибодиагностике;

- разработать методики исследований, обеспечивающие повышение информативности и достоверности трибодилатометрических испытаний;

- разработать новые типы испытательного оборудования и измерительных приборов для исследования узлов трения;

- экспериментально показать возможность практических приложений разработанного метода для исследования изнашивания и дилатации трибо-систем;

- оценить практическую целесообразность и перспективы развития трибодилатометрии.

Объект и предмет исследования. В работе исследуются узлы трения скольжения и качения, изготовленные с использованием металлических, полимерных и фторсодержащих олигомерных материалов. Предметом ис-

следования является изучение процессов изнашивания, дилатации и деформации трибосопряжений.

Развитие методологии трибодилатометрии предусматривало разработку ряда носящих общий, а в некоторых случаях частный характер, методик измерений, представления и обработки экспериментальных данных, например, посвященных изучению кинетики изменения линейных размеров пар трения, которые использовались в диссертации при решении конкретных исследовательских задач.

В работе представлены и другие методы исследований структуры поверхности и поверхности материалов: измерения шероховатости с помощью профилометра, дифференциального термического анализа, Оуэнса и Вендта оценки поверхностной энергии материалов, рентгеноструктурного анализа и др.

Научная новизна и значимость полученных результатов. С использованием основных положений системного анализа развита методология дилатометрического метода контроля состояния трибосопряжений, позволяющего достоверно осуществлять оценку изменений линейных размеров трибосистем, обусловленных их дилатацией и износом.

Разработаны методологические основы трибодилатометрии, включая методики, позволяющие разделить эффекты изнашивания и дилатации трибосистем и использующие, разработанный для этих целей прибор -трибодилатометр.

Предложена система терминов и определений, характеризующих содержание нового направления в трибологии - трибодилатометрии. Обосновано включение метода трибодилатометрии в трибомониторинг в качестве составной части трибодиагностики.

Предложена методика оптимальной настройки трибодилатометра и показана возможность его использования в современных методах испытания материалов на изнашивание. В процессе испытаний узлов трения с различной технологической и эксплуатационной наследственностью определены главные факторы, обусловливающие основные погрешности три-бодилатометрических измерений. Предложен критерий - коэффициент трансформации для оценки влияния наследственности на изнашивание и дилатацию узлов трения. Результаты оценки износа трибосистем согласно разработанному методу соответствуют результатам, полученным по стандарту ASTM G77.

Показано, что оба вида соединений характеризуются рядом аналогичных явлений. Диффузия металла в контактирующие с ним полимерные материалы приводит к изменению их электрофизических, адгезионных и фрикционных свойств. Для эпиламированных узлов трения (содержащих на рабочих поверхностях деталей мономолекулярный или близкий к нему по свойствам слой фторсодержащего поверхностно-активного вещества) в зоне фрикционного контакта также возможно протекание процессов массо-переноса и изменения фазового состояния поверхностных слоев материалов, влияющих на дилатацию и характеристики трибосистем. На основе кинетических закономерностей изменения термоизносных характеристик эпиламированных трибосопряжений предложена методика определения триборесурса тонких покрытий.

Впервые экспериментально установлен немонотонный характер изменения термоизносных характеристик трибосопряжений, состоящих из последовательно чередующихся циклов изнашивания и дилатации, амплитуда и продолжительность которых определяются силовыми и кинематическими параметрами трения, характеристиками смазочной или окружающей среды и материалов пары трения. Показано, что термоизносные характеристики синхронизированы с фрикционными по значениям амплитуд и длительностей циклов, обладают «памятью фазы» и могут трансформироваться в упорядоченную циклическую форму. Установлена связь между дила-тацией и износом узлов трения.

Выявлено существование связи между параметрами тригонометрических многочленов (гармонических рядов) и шероховатостью поверхности металлического контртела, величинами циклического и полного износа трибосистем.

Разработана новая методика представления и анализа экспериментальных и расчетных значений амплитуд и длительностей циклов термо-износных и фрикционных характеристик испытанных пар трения путем построения корреляционных квадратов.

Развита феноменологическая модель изнашивания и дилатации, использующая в качестве основных рабочих параметров значения амплитуд, длительностей циклов и циклического износа трибосистем.

Дана оценка современного состояния и определены перспективы развития трибодилатометрии.

Новизна результатов подтверждена 12-ю авторскими свидетельствами на изобретения и 2 патентами.

Практическая (экономическая) значимость полученных результатов. Проведенный комплекс теоретических и экспериментальных работ позволил обосновать и предложить дилатометрический метод контроля

состояния трибосистем как методологическое направление трибологии, предназначенное для проведения фундаментальных исследований и решения задач триботехники, имеющих прикладной характер.

Полученные результаты могут быть использованы при решении следующих задач, относящихся к конструированию, технологии (изготовление и ремонт) и эксплуатации (испытанию) трибосопряжений машин и механизмов:

- оптимизация конструкций подшипниковых узлов, в том числе, с помощью исследовательских триботестеров, оснащенных встроенными устройствами для измерения линейного износа и использующих в качестве диагностических параметров данные о тепловом состоянии" и теплофизи-ческих характеристиках материалов пар трения;

- рациональный выбор элементов трибосистем и режимов их испытаний для создания конструкций с требуемым уровнем надежности;

- непрерывный достоверный контроль изнашивания и дилатации (теплового расширения) узлов трения скольжения и качения с точностью до долей микрометра как в условиях трения со смазочным материалом, так и без него.

Результаты исследований, выполненных в рамках настоящей диссертационной работы, используются в практической деятельности ряда учебных и научно-инновационных организаций: департамента трибологии Института технологии эксплуатации (г. Радом, Польская Республика), Гомельского государственного университета им. Ф. Скорины, Ростовского инжинирингового центра (Ростов-на-Дону, Россия) и Белорусского государственного университета транспорта, на предприятиях реального сектора экономики Беларуси: УПП «Гомельский деревообрабатывающий завод» БелОСТО, ПО «Гомсельмаш», ОАО «Гомельский подшипниковый завод», УП «Гомельторгмаш».

Основные положения диссертации, выносимые на защиту:

- Методики оценки изнашивания и дилатации, анализа и исследования параметров трибосистем.

- Система терминов и определений трибодилатометрии.

- Оборудование для трибодилатометрических испытаний (триботе-стеры, трибодилатометры).

- Корреляция термоизносных характеристик с фрикционными.

- Методика представления и анализа экспериментальных и расчетных значений амплитуд и длительностей циклов термоизносных и фрикционных характеристик путем построения корреляционных квадратов.

- Взаимная связь между тепловым расширением и износом узлов трения, включая новые методы ее практического использования в триботехнике.

- Особенности физико-химических процессов, инициированных термическим воздействием и протекающих в зоне адгезионного и фрикцион-

ного контактов полимер - металл и металл - покрытие эпилама.

- Феноменологическая модель изнашивания и дилатации трибоси-стем, использующая результаты трибодилатометрических испытаний.

Личный вклад соискателя. Автором самостоятельно сформулирована цель и разработана структура работы, включая ее методологические основы [1, 30], произведена апробация разработанных методик и предложены оригинальные методы представления и обработки экспериментальных данных [1,7, 16], а также пути использования результатов исследований для создания новых конструкций научных приборов и диагностируемых узлов трения [1, 44, 47]. В остальных публикациях личный вклад соискателя связан с постановкой задачи, участием в экспериментах, обсуждении результатов и формулировании выводов.

Апробация результатов диссертации. Основные положения диссертационной работы доложены и обсуждены на: международных симпозиумах «Интертрибо-90» (Высокие Татры, Чехословакия) и «Интертрибо-93» (Братислава, Словакия), 10-м юбилейном по механоэмиссии и механохи-мии твердых тел (Ростов-на-Дону, 1986), «BELTRIB-99» (Гомель, Беларусь); конференциях «Износ материалов-91» (Орландо, США, 1991), «Новые материалы и технологии в трибологии» (Минск, Беларусь, 1992), «Ре-монт-90» (Албена, Болгария, 1990), «Ресурсосберегающие и экологически чистые технологии» (Гродно, Беларусь, 1994), «Современные проблемы развития железнодорожного транспорта» (Москва, Россия, 1996); семинаре «Триболог-ЮМ-Славянтрибо-1», «Анализ и рациональное использование трибообъектов» (Рыбинск, Россия, 1993); всесоюзных конференциях «Трибоника и антифрикционное материаловедение» (Новочеркасск, Россия, 1980), «Повышение долговечности и надежности машин и приборов» (Куйбышев, Россия, 1981), «Оптический, радиоволновой и тепловой методы неразрушающего контроля» (Могилев, Беларусь, 1989), «Методы и средства диагностирования технических средств железнодорожного транспорта» (Омск, Россия, 1989), «Микропроцессорные системы и устройства управления ответственными технологическими процессами на транспорте» (Москва, Россия, 1989), «Износостойкость машин» (Брянск, Россия, 1991), «Надежность и безопасность технических систем» (Минск, Беларусь, 1997); республиканских конференциях и семинарах «Повышение надежности изделий триботехническими методами» (Пенза, Россия, 1988), «Физика и технология тонкопленочных полимерных систем» (Гомель, Беларусь, 1990; Ташкент, Узбекистан, 1991; Пружаны, Беларусь, 1993), «Современные методы наплавки, упрочняющие защитные покрытия и используемые материалы» (Харьков, Украина, 1990), «Современные технологические процессы упрочнения и восстановления деталей» (Ново-полоцк, Беларусь, 1991, 1997), «Проблемы качества и надежности машин» (Могилев, Беларусь, 1994).

Кроме того, материалы диссертации были представлены и обсуждены

на заседании филиала Межведомственного научного Совета по трибологии при АН СССР, ГКНТ СССР и Союзе НИО СССР при СевероКавказском научном центре высшей школы Минвуза РСФСР и Секции механики контактных взаимодействий в трибологии (Ростов-на-Дону, Россия, 1990), семинарах департамента трибологии Института технологии эксплуатации (г. Радом, Польша, 1990-1995) и Горно-металлургической Академии (Краков, Польша, 1990), заседании Польского трибологического общества (Варшава, 1990) и осенней Польской трибологической школе (Колобжег, Польша, 1992).

Опубликованность результатов. По основным результатам выполненных исследований опубликовано 63 печатных работы, в том числе 1 монография, 24 статьи в научных журналах, 11 статей в научных сборниках, 12 тезисов докладов на конференциях, получены ТУ, 12 авторских свидетельств на изобретения и 2 патента.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, общей характеристики работы, семи глав, заключения и приложений. Общий объем работы составляет 321 страницу, содержит 94 иллюстрации, 20 таблиц и список использованной литературы, включающей 497 наименований на 28 страницах.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ

Во введении обосновывается роль трибологии и ее отдельных направлений в решении задач современного машиностроения, приведены данные об актуальности изучения тепловых факторов, в значительной мере определяющих работоспособность узлов трения, сформулированы тема и цель диссертационной работы, отмечена ее актуальность и практическая значимость.

В первой главе рассмотрены современное состояние и тенденции развития основных разделов трибологии, в том числе и основных методов трибодиагностики. Проанализированы информативные возможности и области применения диагностических параметров, связанных с трением, изнашиванием и усталостным разрушением материалов. На основе анализа способов и средств диагностики трибосопряжений обоснована перспективность дальнейшего развития и совершенствования метода оценки износа, заключающегося в непрерывном измерении линейных размеров три-босистем. Обоснована актуальность решаемой научно-технической проблемы, формулируются цель и задачи исследования.

Вторая глава посвящена разработке методологических основ дилатометрического метода контроля состояния узлов трения. В главе рассмотрены вопросы, связанные с основами теории метода, методиками исследований, терминологией развиваемого направления, источниками погрешностей и статистической обработкой результатов экспериментов.

В результате исследования так называемого явления термоупругой неустойчивости фрикционного контакта было установлено, что наличие потока тепла от более нагретого тела к менее нагретому может вызвать дополнительные («термические») контактные давления, обусловленные термическим расширением контактирующих неровностей поверхностей три-боэлементов.

Для сравнительной оценки величины дополнительных контактных давлений рассмотрен контакт жесткого шероховатого нагретого тела с гладким и упругим полупространством. Последнее считается однородным и изотропным с модулем Юнга Е, коэффициентом Пуассона v и коэффициентом термического расширения а. Предполагается, что весь поток идет в гладкое полупространство.

Основываясь на подходе Гринвуда-Вильямсона и работах Барбера, рассмотрен контакт единичной нагретой поверхности, моделируемой сферическим сегментом радиуса R. При этом используются следующие допущения: температура нагретой сферы равна Т, вне области контакта поверхность полупространства свободна от механических и тепловых нагрузок.

Общая нагрузка на фрикционный контакт Р может быть определена как разность нагрузки изотермического внедрения и нагрузки обусловленной дополнительным «термическим» давлением, необходимым для компенсации искажения (расширения) поверхности вследствие ее теплового расширения.

Р|= ЕЛ2/(1 - V2) [(1 + а2/Я2) агсЛ (а/Я) - а/11].

Так как, a/R << 1, то, разлагая в ряд aгcth[a/R], легко показать, что Р] отличается от герцевской нагрузки не более чем на 8/15 (a/R)5, что дает, например, погрешность е< 10-5 при a/R = 0,1.

Рн = 4/3 (Е /1 - V2) (а3 /К).

Вторая составляющая по Гринвуду-Вильямсону:

Р2 = (-2аТ/я) (Еа2/1 -V).

Для сравнительной оценки взаимного влияния Р| и Р^ используем коэффициент Здесь - нагрузка изотермического внедрения, -нагрузка, связанная с дополнительным «термическим» давлением.

Путем несложных вычислений можно получить:

к= 1/Т [2л/ За (1 + V)].

Результаты расчетов, проведенные для сопряжений, имеющих и работающих в диапазоне температур от 300 до 780 К, свидетельствуют, что значение к уменьшается по мере увеличения температуры и значений коэффициента Пуассона V. Зависимость изменения коэффициента к от температуры близка к экспоненциальной и связана, преимущественно, с увеличением абсолютной величины обусловленной дополнительной «термической» нагрузкой на контакт. Это свидетельствует о том, что изменение механических (теплофизических) свойств материалов в зоне фрикционного контакта тел, например, вследствие их физико-химического взаимодействия между собой и окружающей средой, может существенно изменить баланс между двумя видами нагрузок, т. е. и В свою очередь это, безусловно, должно сказаться на тепловом расширении контактирующих трибодеталей и, соответственно, линейных размерах испытываемых трибосистем.

Следует отметить также еще одно обстоятельство, усложняющее аналитическое решение задачи. Оно связано с тем, что по мере увеличения температуры заметно уменьшается разность между значениями коэффициента к для материалов с различными значениями коэффициента Пуассона. При трении ситуация осложняется еще больше, так как наряду с тепловым фактором особую роль начинает играть целый ряд других процессов и явлений, например, изменение структурного состояния и изнашивание материалов.

Экспериментальный подход к исследованию функционирования три-босопряжений в условиях износа и фрикционного нагрева, основанный на комплексе трибодилатометрических методик, представляется перспективным и, возможно, даже единственным, по крайней мере, по двум соображениям. Во-первых, на макроуровне теоретический анализ взаимовлияния износа и термического расширения невозможен в настоящее время из-за отсутствия надежных аналитических соотношений для оценки износа. Во-вторых, анализ термоизносных данных на микроуровне показывает, что мы имеем дело с ситуацией, которая описывается известной концепцией термоупругой неустойчивости. Для описания последней предложено значительное количество моделей, однако, имеется ограниченное число надежных экспериментов. Предлагаемая методология экспериментального исследования может составить надежную основу для проверки существующих моделей и их дальнейшего совершенствования.

Размеры трибосопряжений практически постоянно изменяются вследствие теплового расширения и изнашивания в процессе испытаний модельных узлов трения, а также эксплуатации машин и механизмов. В смазываемых подшипниках скольжения тепловое расширение является одним из наиболее важных факторов, определяющих как саму возможность, так и оптимальные параметры эксплуатации трибосопряжений. Предельная величина износа определяет период эксплуатации (техниче-

ский ресурс) триботехнических устройств и конструкций. Т. е. линейный размер трибосистем в любой заданный момент времени может быть достаточно точно определен на основе данных о тепловом расширении (дилата-ции) и величине износа элементов. На графике зависимости износа и ди-латации от времени испытаний (рис. 1) можно отметить точки, позволяющие однозначно охарактеризовать состояние и линейный размер испытываемых трибосопряжений.

Рис. 1. Термоизносная характеристика трибосистемы (ТС): 0 - начало испытаний; 1 - стабилизация теплового состояния ТС;

2, 3 - состояние ТС после завершения испытаний и охлаждения до начальной (т. 0) температуры, соответственно.

Принципиальное различие между этими состояниями заключается в величине того вклада, который тепловое расширение и изнашивание вносят в абсолютный размер трибосистемы (рис. 2).

Так, в т. 1 (рис. 2 б) трибосистема с некоторым начальным номинальным размером /0 (условно показан утолщенной линией, совпадающей с осью времени испытаний) характеризуется износом и дилатацией -При этом последняя к моменту времени приобретает некоторое постоянное значение, величина которого определяется конкретным состоянием и условиями испытаний трибосистемы. Эта величина дилатации при неизменных условиях испытаний является постоянной составляющей номинального линейного размера трибосистемы, и после завершения испытаний (рис. 2 в).

Линейный размер узла трения будет полностью определяться только износом после его охлаждения до исходной (до начала испытаний) температуры (рис. 2 г). В этом случае абсолютный износ будет состоять из начального (приработочного) износа - и износа /„^ полученных в результате испытаний в условиях квазистационарного теплового состояния в течение времени

Использование информации о составляющих линейного размера три-босистем позволяет определить его изменение вследствие дилатации, зна-

чения износа в приработочный период и в период установившегося изнашивания.

11 I] хО а) 11 «1 т. 1 6)

1. ' / /// / / ' / / 1ШШ11ШИ11|!|Ш1

/, = /.+¿Я-

10 п т. 2 в) 10 11 т. 3 г)

¡1111111111!!!.....Н111|11№ .......I.......щ

1 \\W\WVJ

Рис. 2. Влияние изнашивания и дилатации на изменение линейного размера трибосистемы (ТС): а - г соответствуют состояниям ТС, обозначенным на рис. 1 точками 0,1,2,3.

Таким образом, по отношению к износу и дилатации узлов трения возможны три подхода к представлению результатов испытаний. Первый -предусматривает использование данных об износе материалов, полученных прямым (например, измерением линейного размера деталей) или косвенным (по потере массы) способами. Измерения в этом случае осуществляются без учета теплового расширения системы вследствие ее фрикционного нагрева, после охлаждения до заданной (комнатной) температуры. Такая характеристика в полном смысле может быть названа износной, так как построена на основе данных только об износе трущегося сопряжения. Возможной экспериментальной базой первого подхода являются испытания при фиксированной температуре (термостатирование трибосистемы). Второй подход предполагает, что информация о линейном размере узла трения поступает и фиксируется непосредственно в процессе его испытаний. Получаемая при этом характеристика является интегральной, так как построена на основе данных об одновременно протекающих процессах дилатации (теплового расширения) и изнашивания узла трения. С учетом двойственной природы такой характеристики ее можно назвать термоиз-носной. И, наконец, третий подход предусматривает измерение только теплового расширения элементов трибосистемы, Четкое разделение этих

подходов позволит избежать многих недоразумений и неточностей при представлении и интерпретации результатов износных испытаний и, соответственно, повысить их объективность.

Вышеприведенные рассуждения позволяют дать следующие определения.

Термоизносная характеристика - кинетическая зависимость номинального линейного размера трибосистемы или ее отдельных элементов от износа и дилатации.

Под номинальным линейным размером трибосистемы (ее элементов) следует понимать ее (их) значения, определяемые их функциональным назначением. Например, при испытании модельного сопряжения вал-вкладыш в качестве номинального размера трибосистемы может рассматриваться сумма линейных размеров вала (радиус, диаметр) и вкладыша (толщина).

Термоизносное состояние - состояние элемента или всей трибоси-стемы, характеризующееся одновременно протекающими процессами изнашивания и дилатации.

С технической точки зрения для получения термоизносных характеристик достаточно иметь устройство или прибор, позволяющий с требуемой точностью оценить изнашивание и дилатацию трибосистем в процессе их испытаний. Дополнительные функции прибора, например, способность устранять негативное влияние радиальных биений элементов на точность измерения контролируемых величин, расширяют его исследовательские возможности и повышают качество получаемой информации.

Трибоанализатор - устройство, являющееся частью трибометра и предназначенное для исследования процессов, сопровождающих трение, принцип действия которого основан на использовании одного или нескольких фундаментальных физических явлений, например, акустической эмиссии, дилатации, магнитострикции, поляризации и др.

Трибодилатометр - трибоанализатор, принцип действия которого основан на регистрации изменения номинального линейного размера три-босистемы или ее отдельных элементов.

Трибодилатометрия - одно из направлений трибодиагностики, предметом которого являются закономерности изменения размеров трибо-систем или их отдельных элементов в результате трения при воздействии факторов окружающей среды.

С учетом условий эксплуатации машин и механизмов, других технических, а также биологических объектов, разработана методология исследования изнашивания и дилатации трибосистем (МИДТ), включающая в себя несколько методик измерений. При разработке МИДТ большое внимание уделялось параметрам испытаний и их связи с объектами (узлами трения) и методиками измерений. Разработанные методики позволяют не только дифференцировать изменения номинальных линейных размеров

узлов трения, обусловленные их дилатацией и износом, но и определить их количественно в различных условиях испытаний: приработка, переходные и квазистационарные режимы работы и др. Предложенные методики отличаются простотой и универсальностью и могут быть использованы также в стандартизированных трибологических методах испытаний материалов. Некоторые другие экспериментальные возможности разработанных методик следуют из особенностей изнашивания и дилатации три-босистем, представленных на рис. 1 и 2.

Изучены факторы, влияющие на точность и сходимость измерений износа и дилатации трибосопряжений (шероховатость металлического контртела, наличие загрязнений на поверхностях трения, температура и влажность окружающей среды, режимы испытаний и др.).

Повышение шероховатости стального вала обусловливает увеличение износа и снижение дилатации сопряжений. Так, например, увеличение параметра Яй стального вала с 0,37 до 1,95 мкм вызывает примерно в такой же пропорции и уменьшение значений максимального теплового расширения испытываемых узлов трения. Изменения этой пропорции обусловлены разным временем выхода сопряжений в режим стабильного теплового состояния и, как следствие, различными значениями износа, соответствующими этим состояниям.

Факторы внешней среды, являющейся одним из элементов трибоси-стемы, оказывают заметное влияние на ее триботехнические характеристики. Например, изменение относительной влажности воздуха в помещении трибологической лаборатории от 44 до 76 % (при прочих постоянных условиях испытаний) вызывает снижение износа исследуемых металлических пар трения скольжения (сталь-бронза) с 25,0 до 8,0 мкм, т. е. более чем в 3 раза.

Нагрузочно-скоростные режимы испытаний оказывают едва ли не самое большое влияние на тепловое состояние и изнашивание трибосопря-жений. Повышение нагрузки приводит к весьма значительному ужесточению теплового режима работы узлов. При этом отмечено снижение влияния шероховатости стального вала на абсолютные значения дилатации сопряжений.

Увеличение скорости скольжения приводит к росту износа и дилата-ции узлов трения, причем темпы роста дилатации превосходят темпы изменения износа (рис. 3). Это позволяет утверждать, что игнорирование влияния дилатации на общую величину номинального линейного размера трибосистем может привести к погрешностям оценки линейного износа, составляющим десятки процентов.

Важным с позиций трибометрии является учет предыстории работы сопряжений, т. е. тех нагрузочно-скоростных, температурных и других условий, при которых они работали (прирабатывались) непосредственно перед проведением контрольных испытаний.

Рис. 3. Влияние ско-

у-37,682хг+43,24х+0,4182

рости скольжения на износ (1) и дилата-цию (2) сопряжений сталь - полиамид; нагрузка - 600 Н, время испытаний -

0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 Скорость, м/с

4,0 кс.

Для повышения точности оценки износа и дилатации необходимо, чтобы условия предшествующей работы сопряжений максимально соответствовали условиям их испытаний. Иными словами, необходимо, чтобы выполнялось условие:

где Q„pup и Qucn - значения параметров, определяющих качественные характеристики поверхностей и условия работы сопряжений в период приработки и испытаний, соответственно.

Проверка выполнимости условия (1) в отношении нагрузочно-скоростных режимов испытаний трибосистем может быть осуществлена с помощью «коэффициента трансформации » Кру, содержащего широко применяемый в триботехнике критерий [РУ]:

Физический смысл коэффициента Кру состоит в том, что он количественно характеризует разницу в состоянии поверхностных слоев элементов трибосистемы, приобретаемом ими в процессе трансформации (передачи и преобразования) энергии в зоне фрикционного контакта тел. Так, значение свидетельствует о том, что испытываемые в данных условиях образцы обладают более высоким исходным качеством, выражающимся, например, в их способности сопротивляться изнашиванию, по сравнению с тем качеством, которым они будут обладать после завершения испытаний. И, наоборот, значения свидетельствуют о более высоком качестве

рабочих поверхностей испытанных трибосопряжений по сравнению с тем качеством, которым они обладали перед началом испытаний. Значения нагрузки и скорости в выражении 2 имеют ограничения по своим максимальным и минимальным значениям. Например, значения параметров могут иметь ограничения по тепловому фактору (теплостойкость), а также по физико-механическим характеристикам (прочность) материалов трения.

Еtew -б» min>

(О

КР, = [РУЧ1Щ.]/[РУЫ№].

(2)

Коэффициент является своеобразной мерой, позволяющей сравнить между собой состояние поверхностей трения элементов трибосисте-мы до и после их триботехнических испытаний. Переход от одного качества (состояния) к другому в процессе испытаний осуществляется в основном за счет энергии трения путем ее преобразования из одних форм в другие и передачи между конструкционными элементами трущихся пар, окружающей средой и т. д. Нетрудно заметить, что равенство нагрузочно-скоростных режимов приработки и последующих испытаний материалов характеризуется коэффициентом , что, в свою очередь, обеспечива-

ет выполнимость соотношения (1). Следует отметить, что совокупность коэффициентов трансформации параметров трибосопряжений характеризует факторы деградации трибологической системы, т. е. не только ужесточение нагрузочно-скоростных режимов эксплуатации, но и старение материалов, наличие сопутствующих сред, помехи и т. д., а интегральная характеристика качества трибосопряжений является функцией этих коэффициентов:

Предыстория (технологическая и эксплуатационная наследственность) трибосопряжений находит свое отражение в форме термоизносной характеристики более конкретно в той ее части, которая связана с приработкой пары трения.

Большое влияние на результаты износных испытаний оказывают технологические операции, связанные с подготовкой испытываемых образцов и их установкой на машине трения. Например, демонтаж трущегося сопряжения сталь-бронза обусловливает его дополнительную микроприработку. Величина износа в процессе последней равняется нескольким микрометрам и составляет значительную часть (около 15 %) от общей величины износа, полученной в результате испытания узла трения.

Увеличение нагрузки непосредственно в процессе испытаний (работы) приводит к изменению (уменьшению) линейного размера трибосисте-мы вследствие деформации ее элементов. В случае сопряжения сталь -бронза, испытанного при трении без смазочного материала, общая деформация системы при изменении нагрузки от 150 до 300 Н составляла от 2,5 до 4,0 мкм. Для резинометаллических сопряжений увеличение нагрузки (от 5 до 40 Н) обусловливает деформацию узлов трения, оцениваемую значениями от 130 до 225 мкм. При этом значительная часть изменений номинальных линейных размеров трибосистем резина-металл (до 45 %) приходится на деформацию смазочного слоя, разъединяющего трущиеся поверхности.

Обработка результатов измерений износа, дилатации и деформации трибосопряжений выполнялась на персональном компьютере с использо-

ванием пакетов программ статистического анализа данных (Statistica V4.5 и Excel для Windows 2000, ХР). Разработка и использование модели измерительной системы позволили определить факторы, оказывающие большое влияние на погрешности трибодилатометрических измерений, например, макро- и микрогеометрия испытываемых образцов, состояние рабочих (контактных) поверхностей трибоанализатора и режимы его настройки.

В третьей главе рассмотрены вопросы разработки оборудования для исследования изнашивания и дилатации трибосистем по критериям более полной реализации возможностей и повышения эффективности исследовательских методик. Разработка оборудования базировалась на систематизированном обобщении мирового опыта в области трибологических испытаний с соблюдением принципов методического единства, совместимости и универсальности.

При испытаниях на трение и изнашивание использован системный подход X. Чихоса, уже вошедший в стандарты и практику трибологиче-ских исследований. По сравнению с методологией X. Чихоса, в данной работе конкретизирован анализ методов износных испытаний, в соответствии с которым входы в трибологическую систему поделены на две категории - эксплуатационные параметры и помехи. Такое разделение позволяет в явном виде выделить влияние окружающей среды на трущиеся элементы системы.

Входные эксплуатационные параметры системы образуют блок, характеризуемый с помощью параметров движения и приложенных к узлу трения сил. Помехами являются все относящиеся к внешней среде факторы, оказывающие влияние на состояние элементов трибологической системы. Такими факторами, например, могут быть внешние источники тепла или абразивные частицы, попадающие в зону фрикционного контакта.

Если в качестве системы рассматривать устройство для испытания материалов на трение и изнашивание (триботестер), то следует отметить, что помехи оказывают большое влияние на воспроизводимость результатов испытаний. По этой причине в процессе трибологических тестов необходимо стремиться либо к полному устранению влияния факторов окружающей среды, например, путем очистки от пыли воздуха в помещении исследовательской лаборатории, либо осуществлять постоянный текущий контроль этих факторов, например, путем измерения и регулировки относительной влажности воздуха, заметно влияющей на изнашивание сопряжений при трении без смазочного материала.

На основе проведенного анализа разработана классификация и концепция системы трибологических испытаний, охватывающая наиболее важные, с практической точки, зрения, типы трущихся сопряжений. Она позволяет осуществлять комплексный анализ исследуемых узлов трения. Используемые методики описываются при помощи специальных инфор-

мационных карт и представляются в форме:

где: SBT - сокращенное название системы трибологических испытаний, принятой в Польше, в разработке которой автор принимал непосредственное творческое участие; А - тип испытываемого сопряжения (1 -сопряжение модельное, 2 - сопряжение элементов машин, 3. - сопряжение геометрически неопределенное), В, С - тип геометрии контакта (1.0 - контакт распределенный; 1.1 - контакт концентрированный точечный, 1.2 -контакт концентрированный линейный), D - порядковый номер методики исследований в данной группе.

Исследовательские методы в SBT охватывают также виды испытаний, не предусмотренные проанализированными нормами и стандартами. Многие из методов, включенных в SBT, были модифицированы, например, из 12 обязательных для использования в Республике Польша стандартных методик трибологических испытаний только три были оставлены практически без изменений.

Необходимо отметить, что в данной работе рассматриваются только конструкционно-технологические аспекты SBT, связанные с методами оценки износа и дилатации систем в процессе их трибологических испытаний. Вместе с тем, в полном объеме SBT может быть охарактеризована как часть системы трибологических испытаний, представляющая собой совокупность функционально взаимосвязанных технических устройств, методов исследований и исполнителей для выполнения в регламентированных условиях испытаний модельных и/или натурныхузлов трения.

Проведенные исследования послужили базой для разработки семейства компьютеризированных триботестеров, имеющих символы от Т - 01 до Т - 10, которые были сконструированы в департаменте трибологии Института технологии эксплуатации (г. Радом, Польша) и серийно выпускаются его опытно-промышленным производством. Во всех триботестерах в приводах регулирования частоты вращения (скорости) использованы асинхронные электродвигатели с разработанным в институте электронным управляющим блоком. Все тестеры оснащены универсальной микропроцессорной системой управления, выполненной по модульному принципу и позволяющей автоматизировать процесс трибологических испытаний.

Практически все разработанные в рамках SBT тестеры после оснащения специальными измерительными устройствами - трибодилатометрами -могут быть использованы для оценки изменений линейных размеров узлов трения в заданных условиях испытаний, регламентированных используемым методом измерений. Анализ основных направлений развития современной трибологии и результатов исследований последних лет показывает, что в ближайшие годы наибольшую перспективу будут иметь исследова-

ния с точностью оценки износа и дилатации трибосопряжений, находящейся в пределах десятых долей микрометра. Это должно, например, обеспечить возможность изучения динамики трибопереноса материалов, периодичности (цикличности) образования, существования и разрушения тонких поверхностных слоев материалов, и на этой основе углубления теоретических представлений о механизме трения, изнашивания и смазки твердых тел.

Стремление к высокой точности измерений неизбежно сталкивается с необходимостью устранения негативного влияния, которое оказывают на определяемые величины дилатации и износа радиальные биения элементов испытываемых сопряжений. Как для модельных, так и для реальных узлов трения радиальные биения, в основном, определяются точностью операций технологического процесса изготовления трущихся деталей. Так, например, при изготовлении точных машиностроительных деталей с применением операций чистового шлифования, тонкого обтачивания и растачивания допуск на величину радиального биения сопрягаемых деталей составляет от 12 до 20 мкм; ГОСТ 23.204 допускает при проведении износ-ных испытаний материалов величину биения образующей ролика до 10 мкм. Совершенно очевидно, что оценка линейного износа и дилатации трибосистем с микронной точностью при величинах радиального биения трущихся элементов в несколько десятков микрометров, представляется, по существу, нереальной задачей.

Данная проблема была решена в специально разработанной для этих целей конструкции трибодилатометра, позволяющего практически полностью устранить негативное влияние радиальных биений на точность измерения износа и дилатации трибосистем. Упрощенная схема трибодилато-метра приведена на рис. 4.

При настройке прибора на испытания конкретного сопряжения при заданных режимах трения необходимо установить оптимальные силы затяжки фрикционов и величину рабочего зазора д узла настройки измерительной схемы.

Расчеты показывают, что параметры движения узла настройки устройства, состоящего из основного стержня, индуктивного датчика, боковой скобы и регулировочного винта, могут быть определены из следующего выражения:

где ГП] - масса узла настройки; к - коэффициент, определяемый упругими свойствами и формой соприкасающихся поверхностей; - величина радиального биения деталей трибосистемы; ш - угловая скорость; у - закон движения; - минимальное расчетное значение силы трения

[^¡пМ

(5)

т1у = к

-У ~т18>

фрикционов.

Усилия затяжки (нагрузки) каждого из фрикционов могут быть определены по формуле:

где/- коэффициент трения скольжения между рабочими элементами фрикционов и стержнями.

Рис. 4. Упрощенная схема трибодилатометра PCLW-01:1 - корпус; 2 - упор регулируемый; 3 - скоба боковая (элемент узла настройки измерительной схемы); 4 - стержень основной; 5 - датчик перемещений; 6 - упор боковой; 7 - стержень дополнительный; 8 - держатель образца; 9 - образец (вкладыш); 10 - контртело (вал); 11,12 - фрикционные системы.

С учетом разработанных рекомендаций для пользователя предложен алгоритм определения параметров оптимальной настройки трибодилато-метра PCLW-01.

Экспериментальная проверка работоспособности трибодилатометра была осуществлена на парах трения скольжения сталь-сталь (8БТ-1.2.2/1). Для сравнения проведены измерения износа трибосопряжений по стандарту Л8ТМ 077 (рис. 5).

Результаты экспериментов (рис. 5) подтверждают работоспособность конструкции трибодилатометра, а также корректность предложенных методов его настройки и использованных методик измерений.

Рис. 5. Влияние времени испытаний на износ сопряжений вал-вкладыш, измеренный при помощи трибодилатометра РС1^-01 и в соответствии со стандартом АЭТМ077.

Четвертая глава посвящена экспериментальной проверке разработанного метода оценки износа и дилатации на металлических парах трения скольжения и качения.

Как отмечено в главе 2, нагрузочно-скоростные режимы оказывают большое влияние на износ и дилатацию узлов трения. Варьирование нагрузки в процессе испытаний обусловливает изменение номинальных линейных размеров трибосистем не только по причине их дилатации и износа, но и также вследствие деформации деталей, составляющих пару трения.

Для металлических пар трения скольжения (сталь-бронза) установлено, что при увеличении скорости испытаний значения износа и дилатации имеют тенденцию к росту, причем абсолютные значения дилатации (теплового расширения) значительно (иногда в несколько раз) превосходят величины соответствующих им значений износа. Поэтому игнорирование вклада теплового расширения в общее изменение номинального линейного размера трибосистем может привести к весьма большим ошибкам в определении истинных значений их износа.

Как показано ранее, влияние предыстории (эксплуатационной наследственности) на износ и дилатацию трибосопряжений целесообразнее всего оценивать при значении коэффициента трансформации К=1. Эксперименты на парах трения скольжения сталь-бронза также подтверждают это. Исследования позволили установить, что при влияние скорости на изменение износа и дилатации трибосистем примерно в 2,5 раза больше, чем влияние нагрузки. Испытания при приводят к заметному изменению значений износа и дилатации трибосистем. Характерно, что испытания при приводят к более резкому изменению значений износа и дилатации по сравнению с испытаниями сопряжений при . Так, эксперименты показали, что после завершения испытаний при наибольшее отклонение номинального линейного размера трибосистемы от исходного составило 224 мкм, а при Кру=1,47 - только 57,2 мкм. Для сравнения, при Кру=1 это отклонение составило 103,5 мкм. Результаты экспериментов

свидетельствуют, что для повышения достоверности и снижения погрешности измерений износа и дилатации трибосистем необходимо проводить испытания при Если в силу каких-либо причин (целей исследова-

ния, ограниченных возможностей экспериментального оборудования и др.) это не может быть осуществлено, целесообразно повысить качество получаемой информации об износе и дилатации узлов трения путем разработки специальных исследовательских приемов и методик.

Источником дополнительной информации являются термоизносные характеристики, полученные при испытаниях сопряжений в условиях, характеризующихся изменяющимся значением коэффициента Отличительной особенностью таких характеристик является то, что все они имеют немонотонный характер изменения и состоят из последовательно чередующихся циклов износа и дилатации узлов трения. Период циклов зависит от скорости, при которой осуществляется испытание узлов трения. Кроме того, термоизносная характеристика обладает так называемой «памятью фазы».

Экспериментально установлено, что внешний вид термоизносной характеристики непосредственно зависит от состояния контактной зоны три-босистемы, например, наличия смазочного материала в узле трения, и, более того, при изменении этого состояния может трансформироваться из одной формы в другую.

Установление этих, а также некоторых других закономерностей стало возможным благодаря уникальным возможностям трибодилатометра и методического обеспечения измерительного процесса.

Испытания пар трения сталь-бронза в условиях трения без смазочного материала позволили установить существование прямо пропорциональной зависимости между величинами износа и максимальной дилатации трибо-сопряжений, а также износа и времени испытаний, соответствующего максимальной дилатации трибосопряжений.

В пятой главе рассмотрены особенности изнашивания и теплового расширения металлополимерных трибосистем, в которых полимерный элемент сопряжения выполнен в виде монолитной детали (втулки) или тонкослойного покрытия.

Износостойкость монолитных деталей, изготовленных из полиамидов, может быть существенно повышена путем использования метода поверхностного модифицирования (А. с. 939464). Испытания сопряжений сталь -композиция на основе полиамида показали, что при внешний вид

(форма) термоизносных характеристик претерпевает весьма значительные изменения в процессе, следующих один за другим тестов, проводимых без разборки исследуемых узлов трения. Явление трансформации термоизнос-ных характеристик было использовано для разработки методики оценки толщины модифицированного слоя полимерной детали вблизи поверхности трения, свойства которого зависят от технологической и эксплуатаци-

онной наследственности материалов. Критериями оценки толщины поверхностного слоя являлись стабильные значения износа и дилатации, а также продолжительность испытаний, обеспечивающая максимальное отклонение номинальных линейных размеров трибосопряжений от первоначальных (предшествовавших испытаниям) значений.

С учетом факторов, определяющих технологическую наследственность при переработке термопластичных полимеров в изделия, и с помощью специально разработанных для этого методов и устройств исследованы свойства антифрикционных покрытий на основе поликапроамида, полиэтилена и пентапласта.

Разработанный метод дилатометрического контроля использован для исследования резинометаллических сопряжений, в том числе и тех, у которых на рабочей поверхности вкладыша было сформировано тонкослойное фторопластовое покрытие. Нанесение покрытий на основе политетрафторэтилена осуществляли из активной газовой фазы в вакууме.

В процессе испытаний установлено, что термоизносная и фрикционная характеристики пар трения резина-сталь имеют циклический характер (рис. 6).

Рис. 6. Термоизносная (а) и фрикционная (б) характеристики рези-нометаллических сопряжений вал (сталь 111X15) - вкладыш (резина № 3826 с покрытием ПТФЭ); условия испытаний: нагрузка - 50 Н, скорость - 0,4 м/с; среда - дизтопливо (ГОСТ 305-82); Яавапа = 0,121 мкм.

Математическая обработка экспериментальных данных показала, что времена начала и продолжительность циклов (/га*) обеих характеристик практически полностью синхронизированы. Аналогичным образом коррелируют абсолютные значения амплитуд циклов дилатации (Лгя) и момента (коэффициента) трения сопряжений. Графическим способом на участке термоизносной характеристики, соответствующем установившемуся те-

пловому состоянию испытываемого узла трения, может быть определена абсолютная величина износа за один цикл (Иу (рис. 6).

Кинетика изменения амплитудных характеристик (рис. 7) свидетельствует, что номинальный линейный размер трибосопряжений не является постоянной величиной, а циклически изменяется в процессе испытаний с чередованием циклов износа и дилатации трибосистем.

Рис. 7. Амплитудные характеристики резиноме-таллических трибосопря-жений с шероховатостями стального вала Яй = 0,093 (а) и 0,432 (б) мкм; 1,2- экспериментальные и рассчитанные по уравнениям (8,9) амплитуды циклов (Ати), соответственно.

Исследования показали, что линейный размер трибосопряжений зависит от нагрузочно-скоростных режимов испытаний, шероховатости поверхности металлического контртела, состояния поверхности резинового вкладыша, параметров среды и некоторых других факторов.

Амплитудные характеристики, построенные по экспериментально определенным значениям амплитуд циклов дилатации трибосистем, могут быть представлены в виде соответствующих тригонометрических многочленов (гармонических рядов):

аГЯ,0 №

ТИ,0А32

(/)=5.417+ 2.428гт(г+2.792)+1.960в1и(2/+1.608)+ +1.4778тф-2.85б)+3.2488т(4*-0.013),

(<)=11.958+11.3б0зт(г+0.13б)+5.745зт(2/-2.218)н +8.1628ш(Зг+2.581)+9.465зт(4/+1.229)

(8)

(9)

где 0,093 и 0,432 - шероховатость (И.,) стальных валов, а со = 1 (Т :

2я

Расчеты показывают, что амплитудные характеристики, рассчитанные с использованием тригонометрических многочленов (8, 9), хорошо соответствуют экспериментально определенным характеристикам. Степень соответствия оценивается коэффициентами корреляции 0,679 и 0,902 для трибосистем с шероховатостями стального вала Л„= 0,093 и 0,432 мкм, соответственно.

Исследования позволили установить, что длительность циклов и значения износа за один цикл продолжительностью являются важнейшими параметрами, характеризующими процессы трения и изнашивания рези-нометаллических сопряжений. Средние экспериментальные значения длительностей циклов и циклического износа для сопряжений резина-сталь с шероховатостями вала /?0= 0,093 и 0,432 мкм, составляют, соответственно, 0,313 и 0,715 кс, 2,083 и 8,50 мкм. Испытания выявили существование линейной связи между величиной полного износа трибосистем и величинами их циклического износа, а также теплового расширения.

Полный износ трибосистем прямо пропорционален средней величине амплитуд циклов (Ати) резинометаллических сопряжений (рис. 8).

Это свидетельствует о том, что гармонические ряды (типа 8, 9) могут быть использованы для оценки величины износа трибосистем. В качестве предварительного оценочного критерия можно использовать среднее за период испытаний значение амплитуды циклов, соответствующее первому члену гармонического ряда

Рис. 8. Зависимость износа резинометаллических сопряжений, модифицированных фторопластом, от величины амплитуды циклов термоизносной характеристики: шероховатость стальных валов Ла - от 0,093 до 0,675 мкм; нагрузка - 30 Н, скорость - 0,5 м/с; продолжительность испытаний -7,2 кс.

Рассмотрена и развита феноменологическая модель фрикционного контакта, основные параметры которой получены в результате трибодила-тометрического эксперимента (амплитуды и продолжительности циклов, циклический износ).

Показано, что циклический характер изменения термоизносных характеристик может быть обусловлен изменением толщины смазочного слоя, разъединяющего элементы пары трения.

Дня оценки коэффициентов корреляции экспериментальных и расчетных значений амплитуд и длительностей циклов термоизносной и фрикционной характеристик, а также анализа связей между ними предложен метод корреляционных квадратов. Метод позволяет оценить степень совершенства методик измерений и предложить пути снижения погрешности результатов экспериментов.

Принципиальной конструкционной особенностью узлов трения с полимерным покрытием является наличие двух границ раздела полимер-металл. Одна из них образуется при формировании покрытия на поверхности металлической детали, например, втулки, другая - при контакте покрытия с металлическим контртелом, например, валом.

С помощью разработанной методики переменнотоковой полярографии для фрикционного и адгезионного металлополимерных контактов установлено диффузионное насыщение металлом контактирующих с ним поверхностных слоев полимера. В исследованных сопряжениях продиф-фундировавший металл обнаружен на расстоянии до 200...300 мкм от границы металлополимерного контакта. Содержание металла в покрытии зависит от природы используемых материалов, температуры в контакте и продолжительности ее действия. Диффузия металла приводит к изменению структуры полимерных покрытий. Интенсивная диффузия металла контртела в антифрикционное покрытие наблюдается при значительном фрикционном нагревании пары. С использованием уравнения Аррениуса определены величины энергии активации диффузионного процесса. Расчеты показали, что для фрикционного (при жестких режимах трения) и адгезионного (при формировании покрытия) контактов полиэтилена с медью энергия активации диффузии составляет, соответственно, 86 и 72 кДж/моль. Несколько большие значения энергии активации у фрикционных соединений по сравнению с адгезионными объясняются наличием в покрытии ориентированного поверхностного слоя полимера, участвующего в трении. По-видимому, наиболее вероятным механизмом переноса металла в полимерные материалы является диффузия через аморфные области и дефекты кристаллитов полимеров. Экспериментально установлена корреляция между температурой трения и диффузией металла в полимерный материал.

Установлена линейная зависимость между значениями поверхностной энергии резинового элемента сопряжений и амплитудой циклов термоиз-носных характеристик узлов трения. Как для исходной, так и для модифицированной фторопластом резины значения поверхностной энергии в вершинах циклов превышают значения энергии для стационарных участков в среднем на 15... 18 %. О существовании связи между физико-химическими процессами и триботехническими характеристиками резинометаллических сопряжений свидетельствует также то, что вклад полярной составляющей в общее значение поверхностной энергии составляет для исходной резины

90,5 % и для модифицированной - 93 %.

В шестой главе изложены результаты исследований изнашивания и теплового расширения узлов трения с покрытиями эпилама, включая влияние технологической наследственности, вида материалов, использованных для изготовления трущихся деталей, особенностей физико-химического взаимодействия в контакте металл - покрытие эпилама и некоторых других факторов.

Экспериментально установлено, что эпиламирование позволяет существенно снизить износ и дилатацию сопряжений сталь - бронза. Так, после завершения испытаний износ пар трения с эпиламированным стальным валом был почти в 4 раза меньше износа исходных пар. Для этих же узлов температуры жидкого смазочного материала к моменту окончания испытаний составляли, соответственно, 353 и 408 К. По результатам проведенных исследований предложены новые высокоэффективные способы улучшения триботехнических характеристик узлов трения (А.с. 1688545, 1751504).

Испытания исходных и эпиламированных шарикоподшипников (ЗОЗК2, ГОСТ 8338-75) выявили высокую эффективность поверхностной модифицирующей обработки. Покрытия эпилама обеспечивают не только повышенную износостойкость, в том числе и при наличии абразивной среды в смазочном материале, но также и снижение до 70 % абсолютных значений коэффициентов сопротивления качению при одновременном расширении и смещении диапазона их минимальных величин в область более высоких частот вращения: от 3,5...4,0 с"1 для исходных, до 7,5...8,5 с1 -для эпиламированных. Высокая эффективность эпиламирования была подтверждена также и при испытании металлополимерных узлов трения скольжения.

Термоизносные характеристики резинометаллических трибосопряже-ний, у которых эпиламированию был подвергнут элемент из материала с наибольшим значением поверхностной энергии, имеют вид во многом схожий с тем, который был установлен ранее при испытаниях пар трения: металл-металл и металлополимерный композит.

Практически все они имеют циклический характер изменения и состоят из периодически повторяющихся и следующих друг за другом циклов износа и дилатации трибосистем. Использование гармонического анализа позволило представить полученные экспериментальные данные в виде соответствующих тригонометрических многочленов. Установлено влияние нагрузочно-скоростных режимов, свойств среды, продолжительности испытаний, шероховатости поверхности стального вала и некоторых других факторов на параметры гармонических рядов.

Так, например, значения полного и циклического износа, а также скорости изнашивания составляют для трибосистем с шероховатостью стального вала /?„=0,185 мкм, соответственно, 153 мкм, 2,111 мкм и 43,928

мкм/кс, а для вала с Ла=0,608 мкм - 207 мкм, 4,083 мкм и 52,904 мкм/кс.

Исследования позволили установить существенное влияние физико-химических процессов на свойства эпиламированных узлов трения.

Так, в среде воздуха при повышенных температурах пленка эпилама может ингибировать или катализировать процесс трибоокисления металлического контртела. Установлено, что путем изменения температурного режима термообработки покрытий можно управлять интенсивностью физико-химического взаимодействия пленок эпилама с металлическим контртелом. На основе анализа физико-химических процессов, протекающих в зоне трения, и результатов экспериментальных исследований предложено аналитическое выражение, позволяющее оценить скорость изнашивания эпиламированных поверхностей.

С учетом определяющего влияния температуры не только на износ и дилатацию сопряжений, но и на процессы массопереноса при трении, определены температурные критерии оптимального функционирования покрытий эпилама.

На основе кинетических закономерностей изменения термоизносных характеристик трибосопряжений сталь-бронза разработана методика определения технического ресурса эпиламированных пар трения. Предельное состояние пары соответствовало времени начала заметного и стабильного отклонения (излома) термоизносной характеристики при испытаниях в условиях переменных нагрузочно-скоростных режимов. Зависимость ресурса покрытий эпилама от скорости скольжения для пар сталь-бронза близка к экспоненциальной. Так, например, при увеличении скорости скольжения с 0,2 до 0,47 м/с при постоянном давлении 0,25 МПа долговечность покрытия эпилама уменьшается с 6,0 до 1,66 кс, т. е. в 3,7 раза. Подобного рода испытания принципиально стали возможны лишь после разработки методик трибодилатометрических измерений, предусматривающих использование трибоанализатора РСЬ^^-01 и анализа получаемых с его помощью термоизносных характеристик.

В седьмой главе дана оценка современного состояния, достижений, проблем и перспектив развития трибодилатометрии как составной части трибодиагностики и в целом трибомониторинга, представлены данные о практическом использовании результатов исследования.

Использование разработанных методологических основ трибодилато-метрии позволяет повысить достоверность информации о дилатации и изнашивании трибосопряжений, изготовленных из конструкционных материалов, а также содержащих детали, на рабочие поверхности которых нанесены тонкие и сверхтонкие антифрикционные покрытия.

Комплект оборудования для проведения дилатометрических исследований узлов трения включает в себя компьютеризированный триботестер и непосредственно трибодилатометр. Широкими экспериментальными возможностями обладают разработанные с участием автора в департаменте

трибологии Института технологии эксплуатации (г. Радом, Польская республика) триботестеры моделей от Т-01 до Т-10 и трибодилатометр PCLW-01. Конструкционные особенности трибодилатометра PCLW-01 позволяют без каких-либо принципиальных ограничений оснащать им практически все триботестеры семейства «Т» и ряд других машин трения.

Разработка новых дилатометрических приборов и методик измерений, а также получаемые с их помощью закономерности трения и изнашивания материалов, оказали позитивное влияние на развитие трибомониторинга и некоторых других разделов трибологии, в частности, трибоанализа и триботехники. Это нашло свое выражение в создании оригинальных методов исследования триботехнических, физико-механических и теплофизических характеристик материалов (А.с. 567997, 802845, 1000862, 1469310), позволяющих по-новому подойти к изучению процессов трения. Проведенные исследования позволили на основе представлений об амплитудах, длительности циклов и циклического износа предложить численные оценки параметров феноменологической модели изнашивания и дилатации трибо-систем.

Применение разработанного трибодилатометрического метода исследований позволило также получить новые корреляционные зависимости между теплофизическими и триботехническими характеристиками материалов. Так, например, предложен способ диагностики изнашивания материалов (патент РБ 3443), согласно которому для оценки скорости износа узлов используют величину теплового расширения фрикционно-взаимо-действующих деталей трибосистемы. На этой основе предложен ряд оригинальных методов диагностики и конструкций узлов трения, содержащих встроенные устройства для измерения линейного износа (А.с. 1323777, 1388761, 1490587, 1732021). Предложенные конструкции могут быть также использованы в качестве элементов диагностических систем и комплексов (А.с. 1655581), обеспечивающих контроль за работоспособностью и управление состоянием трущихся сопряжений машин в процессе их эксплуатации.

Методики трибодилатометрических испытаний внедрены в ряде учебных, научно-инновационных и промышленных организаций Беларуси, России и Польши.

В департаменте трибологии Института технологии эксплуатации (г. Радом, Польша) был проведен комплекс научных и опытно-конструкторских работ в результате которых: разработан усовершенствованный вариант методики трибологических испытаний материалов; разработана новая конструкция трибоанализатора (патент РП 169099); разработан комплект конструкторской документации на трибоанализатор модели PCLW-01; выпущена опытная партия приборов и проведены их длительные эксплуатационные испытания. Результаты проведенных исследований позволили осуществить внедрение трибоанализатора, как непосредственно в

департаменте трибологии Института технологии эксплуатации, так и при реализации контрактов по поставкам триботестеров (в качестве их комплектующего элемента).

Трибоанализатор PCLW-01 и методики трибодилатометрических испытаний прошли апробацию в Ростовском инжиниринговом центре при оценке трибологических свойств смазочных составов и композиционных полимерных материалов. Результаты испытаний позволили: повысить точность оценки изнашивания узлов трения скольжения; сократить время, необходимое для проведения испытаний рекомендуемых к внедрению разработок; впервые установить для новых композиционных материалов, разработанных в центре, циклический характер их изнашивания.

В Гомельском государственном университете им. Ф. Скорины были произведены апробация и внедрение методик трибодилатометрических испытаний. Проведенные исследования показали, что использование анализатора PCLW-01 позволяет по сравнению с рядом других методов оценки изнашивания, например, предусматривающих применение индуктивных датчиков или индикаторов часового типа, повысить точность измерения износа и теплового расширения узлов трения скольжения.

В научно-исследовательской лаборатории «Физика поверхности и тонких пленок» кафедры «МО и УМ» Белорусского государственного университета транспорта (БелГУТа) в течение последних десяти лет производились испытания, совершенствование и внедрение трибодилатомет-рического метода измерения линейных размеров трибосистем. За указанный период времени сотрудниками кафедры подготовлены и защищены две кандидатские диссертации (И. С. Напрев, С. В. Петров). В указанных работах трибодилатометрический метод был существенно усовершенствован и доведен до конкретного практического применения - оценки изнашивания прецизионных узлов трения. Исследования, проведенные в Бел-ГУТе, позволили развить методы прецизионного контроля изнашивания тонких поверхностных слоев материалов, существенно снизить влияние радиальных биений и температурных расширений на точность определения линейного износа подшипниковых узлов, предложить новые методы диагностики изнашивания материалов, получить новые экспериментальные данные о механизме трения и изнашивания твердых тел.

В соответствии с перспективным планом развития предприятия, на Гомельском деревообрабатывающем заводе БелОСТО были внедрены следующие инновационные разработки: пальцы направляющих цепного механизма станков ПАРК-9, изготовленные из композиционного материала на основе поликапроамида (а. с. 939464 СССР) и рекомендации по практическому использованию результатов лабораторных трибодилато-метрических испытаний металлополимерных узлов трения.

Применение методики трибодилатометрического контроля позволило сократить затраты времени и средств на проведение триботехнических ис-

пытаний и путем учета теплового расширения узлов трения повысить достоверность оценки износоустойчивости (ресурса) разработанного композиционного материала для предохранительных муфт кормоуборочного комплекса «Полесье-2500» на ПО «Гомсельмаш».

Проведенные исследования и полученные в ходе их результаты позволили внедрить методики трибодилатометрических испытаний в ОАО «Гомельский подшипниковый завод» и УП «Гомельторгмаш». В результате внедрения стало возможным более точно определять ресурс подшипниковых узлов, а также более объективно назначать номинальный ресурс работы узлов трения электротехнического оборудования.

Существующие и требующие своего разрешения проблемы трибоди-латометрии становятся очевидны при определении перспективных направлений исследований. К их числу относятся:

1. Разработка унифицированных методов дилатометрических испытаний модельных и натурных узлов трения, включая необходимые для этого компьютеризированные приборы и устройства, с последующим хранением и использованием полученных результатов в банках данных.

2. Изучение особенностей изнашивания и дилатации пар трения с разработкой адекватных моделей фрикционных процессов.

3. Изучение изнашивания и дилатации трущихся сопряжений в экстремальных температурных, нагрузочно-скоростных и временных условиях эксплуатации.

4. Комплексное исследование влияния природы и параметров смазочных и окружающей сред на износ и дилатацию узлов трения.

5. Разработка композиционных материалов с оптимальными параметрами теплового расширения и изнашивания для специальных (прецизионных, высокоскоростных и др.) подшипниковых узлов.

6. Исследование влияния технологической и эксплуатационной наследственности на износ и дилатацию трибосистем.

7. Создание САПР унифицированных деталей и узлов трения, а также экономичных диагностических систем и комплексов с использованием базы данных об износе и тепловом состоянии трибосопряжений в качестве основных критериев проектирования.

8. Разработка миниатюрных приборов и технических устройств для диагностики изнашивания и дилатации, встроенных в работающие машины и механизмы.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

щих достоверно оценить изменения номинальных линейных размеров трибосистем, обусловленные их дилатацией и износом, и на этой основе углубить представления о механизмах трения и изнашивания твердых тел.

1. Разработаны методики измерений, позволяющие дифференцировать и численно оценить эффекты изнашивания и теплового расширения трибосистем. Для их реализации предложен исследовательский комплект, избирательно формируемый из семейства триботестеров, оснащаемых специально разработанным для этих целей прибором - трибодилатомет-ром, позволяющим практически полностью устранить то негативное влияние, которое оказывают на точность измерений износа и дилатации радиальные биения трущихся элементов сопряжений. Предложена система терминов и определений, характеризующих содержание нового направления в трибологии - трибодилатометрии [1,6,9,13, 15,18, 21,23,25,27,30, 38,39,41,42,43,44,45,58].

2. Выявлены особенности физико-химических процессов, инициированных термическим воздействием и протекающих в адгезионных соединениях и фрикционных сопряжениях полимер-металл. Показано что оба вида контактов характеризуются рядом аналогичных явлений. Диффузия металла в контактирующие с ним полимерные материалы приводит к изменению их электрофизических, адгезионных и фрикционных характеристик. Установлено влияние физико-химических процессов на работоспособность эпиламированных трибосопряжений. Впервые обнаружена корреляция между поверхностной энергией материалов трибоэлементов и амплитудой циклов термоизносных характеристик резинометаллических узлов трения [1,2,4,7,11,14,17,19,22,23,24,29,31,32,33].

3. В процессе испытаний узлов трения с различной технологической и эксплуатационной наследственностью определены основные факторы, обусловливающие погрешности трибодилатометрических измерений: температура и влажность окружающей среды; нагрузочно-скоростные режимы работы; шероховатость и качество очистки поверхностей трения; природа трибоматериалов; качество выполнения технологических операций монтажа-демонтажа испытываемых узлов трения. Предложен критерий -коэффициент трансформации для количественной оценки влияния предыстории (наследственности) на износ и дилатацию узлов трения.

Результаты оценки износа трибосистем с помощью разработанного метода, достаточно хорошо соответствуют данным, полученным по методике ASTM G77 [1,8,10,12,18,37,40].

моизносные характеристики синхронизированы и коррелированы с фрикционными по значениям амплитуд и длительностей циклов, обладают «памятью фазы» и могут трансформироваться, приближаясь к упорядоченной циклической форме [1,7,10,11,14,18,25,39,45,46].

5. Численный гармонический анализ цикличности экспериментальных зависимостей показал возможность их представления в виде соответствующих тригонометрических многочленов. Выявлено существование связи между параметрами тригонометрических многочленов (гармонических рядов) и шероховатостью поверхности металлического контртела, величинами циклического и полного износа трибосистем.

Разработана методика представления и анализа экспериментальных и расчетных значений амплитуд и длительностей циклов термоизносных характеристик путем построения корреляционных квадратов, что позволило определить направления совершенствования методического обеспечения трибодилатометрии [1,18,22,32].

6. С помощью разработанных методик измерений установлена прямо пропорциональная зависимость между тепловым расширением и износом узлов трения.

На основе представлений о параметрах термоизносных характеристик - амплитуды, длительности циклов и циклического износа, определяемых экспериментально, получила развитие феноменологическая модель изнашивания и дилатации трибосистем и методы количественной оценки ее параметров [1,14,18,32,44,45].

7. С учетом основных результатов проведенных исследований осуществлена оценка современного состояния трибодилатометрии. Показано, что ее развитие происходит как в рамках трибомониторинга, так и в тесной связи с развитием других основных направлений трибологии. Это нашло свое отражение в создании новых методов улучшения триботехнических характеристик и исследования трибологических, физико-механических и теплофизических свойств материалов, диагностических методов и систем, конструкций узлов трения. Определены перспективные направления развития трибодилатометрии [1, 3,5,6,27-33,38-40,47-63].

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ДИССЕРТАЦИИ ИЗЛОЖЕНЫ В ПУБЛИКАЦИЯХ

1. Потеха В. Л. Трибодилатометрия. - Гомель: ГГТУ, 2000. - 374 с.

2. Егоренков Н. И., Истерин А. Н., Потеха В. Л. Влияние кристаллизации на адгезию поликапроамида к металлу // Механика полимеров. - 1976.-№ 1. - С. 170-172.

3. Евдокимов Ю. А., Потеха В. Л. Выбор оптимальных режимов формирования антифрикционных покрытий из порошковых полимеров //

Известия Северо-Кавказского научного центра высшей школы. Сер. Технические науки. -1981. - № 3. - С. 57-59.

4. Евдокимов Ю. А., Потеха В. Л. Исследование диффузионных процессов в металлополимерных узлах трения // Трение и износ. -1982. -3,№3.- С. 478-483.

5. Эпиламирование деталей локомотивов / В. Л. Потеха, А. В. Дубина, Ю. И. Милинкевич и др. // Электрическая и тепловозная тяга. -1989. -№ 1 . - С. 28-29.

6. Потеха В. Л., Суслов А. А. Трибодиагностика высоконагруженных опор скольжения // Вест, машиностр. -1989. - № 7. - С. 21-22.

7. Потеха В. Л., Невзорова А. Б., Напрев И. С. Эпиламирование деталей трения // Электрическая и тепловозная тяга. - 1990. - № 5. - С. 28.

8. Potekha V. L, Szczerek M. M. Metoda u uizajdzenie do precyzyjnego pomiaru zuzycia element6w we,zlow tarcia // Zjawiska w strefie tarcia: Komunikaty, cz. II, XVIII Jesienna Szkola Tribologiczna, Kolobrzeg, 2124 wrzesnia 1992 r, Radom, 1992. - S. 145-154.

9. Потеха В. Л. Триботехнологическая эффективность эпиламирования режущего инструмента и деталей машин // Трение и износ. - 1992. -13, №5. -С. 1070-1076.

10. Szczerek M., Potekha V., Piekoszewski W. Badanie cieplnozuzyciowych charakterystyk slizgowego skojarzenia staf-polimer // Tribologia. -1993. -№ 3. - S. 63-66.

11. Szczerek M, Potekha V. Badanie cieplnozuzyciowych charakterystyk skojarzenia stal-polimer // Problemy eksploatacji, 1993. - № 4, S. 115124.

12. Потеха В. Л., Невзоров В. В., Шчерек М. М. Исследование термоиз-носных характеристик металлополимерных подшипников скольжения с прецизионной точностью // Трение и износ. -1994. -15, № 1. -С. 78-83.

13. Potekha V., Piekoszewski W., RogachevA., SzczerekM. Wear mechanism of epilamen treated triboengineering elements // Tribologia. -1996. - № 3. - S. 263-270.

14. Потеха В. Л., Рогачев А. В., Шчерек М. М., Пекошевски В. В. Прецизионный контроль изнашивания узлов трения скольжения // Трение и износ. -1996. -17, № 5. - С. 637-643.

15. Пекошевски В. В., Потеха В. Л., Шчерек М. М., Вишневски М. Системный анализ методологии трибологических испытаний конструкционных материалов // Трение и износ. -1996. -17, № 2. - С. 178-186.

16. Потеха В. Л., Рогачев А. В., Напреев И. С. Теоретико-экспериментальная оценка оптимальных условий эксплуатации эпиламиро-ванных трибосопряжений машин // Трение и износ. -1996. -17, № 6. - С. 764-768.

17. Потеха В. Л, Шчерек М. М, Холодилов О. В. Трибодилатометрия: Основные термины и определения // Трение и износ. - 1997. - 18, №1.-С. 121-124.

18. Потеха В. Л. Применение гармонического анализа в триболо-гических испытаниях материалов // Трение и износ. -1997. -18, № 5. - С. 687-693.

19. Потеха В. Л., Напреев И. С. Исследование особенностей физико-химических процессов в системе металл - покрытие эпилама // Весщ НАН Беларусь Сер. ф1з.-тэхн. навук. - 1998. - № 1. - С. 21-24.

20. Потеха В. Л., Петров С. В. Метод дилатометрического контроля изнашивания материалов. - Заводская лаборатория. - 1998. - 64, № 8.- С. 52-55.

21. Потеха В. Л., Напреев И. С. Исследование триботехнических характеристик эпиламированных подшипников качения машин // Вестн. машиностр. -1998. - № 5. - С. 16-18.

22. Потеха В. Л, Петров С. В. Гармонический анализ результатов три-бологических испытаний резинометаллических сопряжений // Весщ НАН Беларусь Сер. ф1з.-тэхн. навук. - 1998. - № 4. - С. 78-83.

23. Шимановский А. О., Потеха В. Л., Петров С. В. Расчет и экспериментальная проверка работоспособности устройства для оценки износостойкости деталей транспортных средств // Измерительная техника. -1998. - № 8. - С. 33-35.

24. Петров СВ., Рогачев А. В., Щебров А. В., Потеха В. Л. Изучение механизма периодических изменений линейных размеров резиноме-таллических трибосопряжений в процессе трения // Трение и износ. -1999.-20, №6.-С. 669-673.

25Лотеха В. Л., Шчерек М. М. Трибодилатометрия. Становление, развитие и перспективы // Известия вузов. Северо-Кавказский регион. -2001. Спецвыпуск. - С. 112-120.

26.Потеха В. Л. Моделирование и оптимизация технологических процессов ремонта железнодорожного подвижного состава // Оптимизация управления и повышение эффективности работы локомотивов: Сб. ст. - Гомель: БелИИЖТ, 1984. - С. 96-101.

21.Потеха В. Л. Триботехническая подготовка локомотиворемонтной технологии // Совершенствование управления и повышение эффективности работы энергетической цепи тепловоза: Сб. ст. - Гомель: БелИИЖТ, 1989.-С. 52-59.

28. Потеха В. Л., Сидорский С. С., Рогачев А. В., Напреев И. С, Бойко Ю. С. Оптимизация условий эксплуатации покрытий эпилама / Сб. тр. Физика и технология тонкопленочных материалов. - Гомель: Бел-ГУТ; Вып. 2. - 1994. - С. 21-28.

29. Потеха В. Л., Петров С. В. Трибологические характеристики модифицированных резинометаллических уплотнений железнодорожных

транспортных средств // Современные материалы, оборудование и технологии упрочнения и восстановления деталей машин: Тематич. сб.; Вып. 3. - Новополоцк, 1997. - С. 154.

30. Potekha V. L, Napreev I. S. The application of epilam compositions for improvement of tribological characteristics of materials surface layers // INTERTRIBO'90: Proceedings.- sekcia F, 17-20 april 1990. - Vysoke Ta-try, Ceskoslovensko, 1990. - S. 104.

31. Potekha V. L, SzczerekM., Piekoszewski W., Nevzorov V. V., NapreevI. S. Precision Control of Bearing Units Deterioration //INTERTRIBO'93: Proceedings. - T. 2. - Bratislawa, 26-28 august 1993. - Bratislawa, 1993. -S. 154-157.

32. Пекошевски В., Потеха В., Шчерек М. Основные направления совершенствования оборудования для трибологических испытаний материалов // Анализ и рациональное использование трибообъектов: материалы междунар. науч.-практ. семинара ТРИБОЛОГ-ЮМ-SLAVYAN-TRIBO-1. - Рыбинск-Москва, 1993. - С. 17-22.

33. Потеха В. Л., Напреев И. С, Петров С. В. Термодиагностирование трибосопряжений транспортной техники // Современные проблемы машиноведения: Материалы междунар. конф., Гомель, 1-3 июня 1996 г. - Гомель: Гомельск. политехи, ин-т, 1996. - С. 86-87.

34. Потеха В. Л. Методологические основы трибодилатометрии и ее практические приложения // Современные проблемы машиноведения: Материалы междунар. науч.-техн. конф., Гомель, 1-3 июля 1998 г. - Гомель: Гомельск. политехи, ин-т, 1998. - С. 161-162.

35. Потеха В. Л., Напреев И. С, Перхунова Л. А. Влияние температур-но-временных режимов формирования покрытий эпилама на энергетические характеристики металлических поверхностей // Современные проблемы машиноведения: Материалы междунар. науч.-техн. конф., Гомель, 1-3 июля 1998 г. - Гомель: Гомельск. политехи, ин-т, 1998.- С. 162-163.

36.Потеха В. Л. Высокие технологии в практике современного трибо-мониторинга. Трибодилатометрия // Инновационные технологии. Теория и практика: Материалы докладов Первой международной научно-практической конференции, Гомель, 7-8 июня 2001 г. - Гомель, 2001.-С. 73-81.

37. Евдокимов Ю. А., Потеха В. Л. Особенности физико-химического взаимодействия в металлополимерных системах // Влияние среды на взаимодействие твердых тел при трении: Тез. докл. Всес. науч.-техн. конф., 20-22 мая 1981 г. - Днепропетровск, 1981. - С. 39-40.

38. Евдокимов Ю. А., Потеха В. Л., Харитонов В. В. Особенности высокотемпературного взаимодействия в металлополимерных системах // X Юбилейный Всесоюзный симпозиум по механоэмиссии и механо-химии твердых тел: Тез. докл., Ростов-на-Дону, 24-26 сентября 1986

г.-М, 1986.-С. 175.

39. Потеха В. Л, Напреев И. С. Контактная тепловая диагностика подшипников скольжения машин // Оптический, радиоволновой и тепловой методы неразрушающего контроля: Тез. докл. Всес. науч.-техн. конф., Могилев, 23-25 мая 1989 г. - Могилев, 1989. - С. 134-135.

40. Потеха В. Л., Ляшенко В. Ф., Напреев И. С, Суслов А. А. Информационно-техническое обеспечение микропроцессорных трибо-диагностических систем локомотивов // Микропроцессорные системы и устройства управления ответственными технологическими процессами на транспорте: Тез. докл. Всес. науч.-техн. конф., Москва, 15-19 ноября 1989 г. - Москва, 1989. - С. 34-35.

41. Потеха В. Л., Напреев И. С, Суслов А. А. Материаловедческие вопросы создания диагностируемых металлополимерных подшипников скольжения // Физика и механика композиционных материалов на основе полимеров: Тез. докл. науч.-техн. конф., Гомель, 1989. - С. 17.

42. Рогачев А. В., Потеха В. Л., Щербаков С. В., Серенков А. Г. Трибо-технологические свойства поверхностно модифицированных резиновых уплотнений // РЕМОНТ90. Программа-резюме. Вторая меж-дунар. конф., 3-5 октября 1990 г. - Болгария, Албена, 1990. - С. 51-52.

43. Potekha V. L, Nevzorov V. V., ScherekM. M. High Précision Analysis of Temperature Induced Behaviour of Metal-Polymeric Sliding Bearings // New materials and technologies in tribology: The Joint Soviet-American conference with international participation. 06-09 October 1992, Minsk, 1992. - S. 205-206.

44. Потеха В. Л., Шчерек М. М., Пекошевски В., Невзоров В. В., Напреев И. С. Устройство для прецизионного контроля изнашивания тонких поверхностных слоев материалов // Физика и технология тонкопленочных полимерных систем: Тез. докл. науч.-техн. конф., Пружа-ны, 26-28 мая 1993 г. - Гомель, 1993. - С. 112-114.

45. Пекошевски В, Потеха В., Шчерек М. Системный анализ методологии трибологических испытаний конструкционных материалов // Ресурсосберегающие и экологически чистые технологии: Тез. докл. на-уч.-техн. конф., Гродно, 28-30 июня 1994 г. - Гродно, 1994. - С. 8586.

46. Потеха В. Л., Невзоров В. В., Напреев И. С. Метод непрерывного прецизионного контроля изнашивания деталей узлов трения // Проблемы качества и надежности машин: Тез. докл. науч.-техн. конф., Могилев, 4-5 октября 1994 г. - Ч.1. Могилев: Могилевск. машиностр. ин-т, 1994. - С. 123.

47. Потеха В. Л., Петров С. В. Методика дилатометрического контроля трибосистем // Надежность и безопасность технических систем: тез. докл. междунар. науч.-техн. конф., Минск, 28-29 октября 1997 г. -Минск, 1997.-С. 110-112.

48.Шчерек М. М., Потеха В. Л. Методологические основы экспериментальных трибологических исследований // О природе трения твердых тел: Тез. докл. междунар. симпозиума, Гомель, 8-10 июня 1999 г. - Гомель: ИММС НАН Беларуси, 1999. - С. 56-57.

49.Устройство для диагностики линейного износа трибомеханических систем «ТРИБАН»: ТУ РБ 14438964.002-95. № 001904 от 19.04.95.

50. А. с. 567997 СССР, МКИ G 01 N 3/40. Способ определения зависимости твердости образца от температуры / Я. И. Егоренков, Д. Г. Лин, В. Л. Потеха (СССР). - № 2193292/28; Заявл. 26.11.75; Опубл. 05.08.77, Бюл. № 29 //Открытия. Изобретения. -1977. - № 29.

51. А. с. 802845 СССР, МКИ G 01 N 19/04, G 01 N 25/02. Устройство для определения теплостойкости полимерных материалов / В. Л. Потеха (СССР). - № 2724867/18-25; Заявл. 01.02.79; Опубл. 07.02.81; Бюл. № 5 // Открытия. Изобретения. -1981. - № 5.

52. А. с. 1000862 СССР, МКИ G 01 N 19/04. Устройство для определения теплостойкости полимерных материалов / В. Л. Потеха, А. К Сенатрев (СССР). - № 3337558/18-25; Заявл. 23.10.81; Опубл. 28.02.83; Бюл. № 8 // Открытия. Изобретения. -1983. - № 8.

53. А. с. 1323777 СССР, МКИ F 16 С 17/24. Подшипник скольжения с устройством для определения износа / В. Л. Потеха, И. С. Напреев,

A. А. Суслов, Э. Э. Чернявская (СССР). - № 3974996/27; Заявл. 14.11.85; Опубл. 15.07.87, Бюл. № 26 // Открытия. Изобретения. -1987.-№26.

54. А. с. 1388761 СССР, МКИ G 01N 3/56. Устройство для контроля величины износа материала / В. Л. Потеха, И. С. Напреев, В. С. Ста-ровойтов, А. А. Суслов (СССР). - № 3988459/25-28; Заявл. 12.12.85; Опубл. 15.04.88, Бюл. № 14 // Открытия. Изобретения. -1988. - № 14.

55. А. с. 1469310 СССР, МКИ G 01 N 3/56. Машина трения для испытания материалов / В. Л. Потеха, Я Г. Донченко, В. И. Колесников, Д. Я Любимов (СССР). - № 4312495/25-28; Заявл. 23.06.87; Опубл. 30.03.89, Бюл. № 12 // Открытия. Изобретения. - 1989. - № 12.

56. А. с. 1482180 СССР, МКИ С 10 М 107/30 // (С 10 М 107/30, 143:04,143:02) С 10 N 40:10. Приработочный состав / В. Л. Потеха (СССР). - № 4220666/23-04; Заявл. 30.03.87 (ДСП).

57. А. с. 1490587 СССР, МКИ G 01 N 3/56. Способ определения величины износа материала / В. Л. Потеха, В. Ф. Ляшенко (СССР). -№ 4279799; Заявл. 07.07.87; Опубл. 30.06.89, Бюл. № 24 // Открытия. Изобретения. - № 24.

58. А. с. 1655581 СССР, МКИ G 05 В 6/02. Диагностическая система /

B. Л. Потеха, И. С. Напреев, А. А. Суслов, В. Ф. Ляшенко (СССР). -№ 4629746/27; Заявл. 02.01.89; Опубл. 15.06.91, Бюл. № 22.

59. А. с. 1688545 СССР, МКИ В 61 F 15/02. Способ повышения ресурса моторно-осевого узла локомотива / В. Л. Потеха, И. С. Напреев, В.

Г. Гавриш, Е. Л. Райтман (СССР). - № 4717621/11; Заявл. 11.07.89 (ДСП).

60. А. с. 1732021 СССР, МКИ F 16 С 17/24. Подшипник скольжения с устройством для определения износа / В. Л. Потеха К Т. Вавриш (СССР). - № 4776977; Заявл. 02.10.90; Опубл. 07.05.92, Бюл. № 17.

61. А. с. 1751504 СССР, МКИ F 16 С 33/10. Способ обработки пористого материала преимущественно для трибомеханической системы / В. Л. Потеха, И. С. Напреев, Л. М. Бондарук (СССР). -№ 4837811/27; Заявлено 11.06.90; Опубл. 30.07.92, Бюл. № 28 // Открытия. Изобретения. - 1992. - № 28.

62.

zuzycia skojarzen tr^cych / V. Potekha (BY), V. Nievzorov (BY), M.

ностики изнашивания материалов / В. Л. Потеха, А. В. Рогачев, И. С. Напреев, С. В. Петров (Беларусь). - № 970101; Заявлено 28.02.1997; Опубл. 30.06.2000 // Афщыйны бюлетэнь. Вынаходствы, карысныя мадат, прамысловыя узоры.- 2000, № 2.

Подписано к печати 5.05.2005 г. Формат бумаги 60x90.1/16 Объем 2,5 п.л. Заказ 96 Тираж 100 экз. Типография ВНИИЖТ, 3-я Мытищинская ул., д. 10

961

-, \

1Ч ¡'ЮН 2005 /

Оглавление автор диссертации — доктора технических наук Потеха, Валентин Леонидович

УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ

ВВЕДЕНИЕ

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Глава 1. ВВЕДЕНИЕ В ТРИБОМОНИТОРИНГ 16 ИЗНАШИВАНИЯ ПРЕЦИЗИОННЫХ УЗЛОВ ТРЕНИЯ

1.1. Современное состояние и тенденции развития трибологии

1.2. Диагностика прецизионных узлов трения

1.3. Основные факторы, определяющие изнашивание, 51 деформацию и дилатацию трибосистем

1.4. Выводы по первой главе

Глава 2. МЕТОДОЛОГИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ

Щ ТРИБОДИЛАТОМЕТРИИ

2.1. Основы теории и терминология

2.2. Методики исследования изнашивания и дилатации 98 трибосистем

2.3. Факторы, влияющие на точность и сходимость результатов 111 измерений

2.4. Статистическая обработка результатов эксперимента

2.5. Выводы по второй главе

Глава 3 ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ 128 * ИЗНАШИВАНИЯ И ДИЛАТАЦИИ ТРИБОСИСТЕМ 3.1. Анализ и систематизация методов трибологических 128 испытаний материалов

3.2. Триботестеры

3.3. Трибодилатометры

3.4. Выводы по третьей главе

Глава 4. ИЗНАШИВАНИЕ И ДИЛАТАЦИЯ 152 МЕТАЛЛИЧЕСКИХ ТРИБОСИСТЕМ

4.1. Узлы трения скольжения сталь - сталь

4.2. Узлы трения скольжения сталь - бронза

4.3. Особенности изнашивания и дилатации металлических 158 трибосистем

4.4. Выводы по четвертой главе

Глава 5. ИЗНАШИВАНИЕ И ДИЛАТАЦИЯ 163 МЕТАЛЛОПОЛИМЕРНЫХ ТРИБОСИСТЕМ

5.1. Монолитные полимерные детали

5.2. Полимерные покрытия на металлах

5.3. Полимерные покрытия на резиновых уплотнительных 170 элементах

5.4. Особенности физико-химических явлений в 182 металлополимерных системах

5.5. Выводы по пятой главе

Глава 6. ИЗНАШИВАНИЕ И ДИЛАТАЦИЯ 197 ЭПИЛАМИРОВАННЫХ ТРИБОСОПРЯЖЕНИЙ

6.1. Влияние технологической наследственности на 198 изнашивание и дилатацию эпиламированных узлов трения

6.2. Трение и изнашивание эпиламированных металлических 201 сопряжений

6.3. Трение и изнашивание эпиламированных 210 металлополимерных узлов трения

6.4. Физико-химические процессы в эпиламированных узлах 218 трения

6.5. Выводы по шестой главе

Глава 7. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ И ПЕРСПЕКТИВЫ 231 РАЗВИТИЯ ТРИБОМОНИТОРИНГА ИЗНАШИВАНИЯ ПРЕЦИЗИОННЫХ УЗЛОВ ТРЕНИЯ

7.1. Трибодилатометрия - состояние, достижения, проблемы

7.2. Практическое использование результатов исследований

7.3. Перспективные направления трибодилатометрических 241 исследований

7.4. Выводы по седьмой главе

Введение 2005 год, диссертация по машиностроению и машиноведению, Потеха, Валентин Леонидович

9 марта 1966 года профессором П. Джостом в отчете комитета Министерства науки и образования Великобритании (DES) был впервые использован термин «трибология», который был определен как «наука и технология взаимодействия поверхностей, находящихся в относительном движении, а также связанные с этим явления и их практические следствия» [1,2]. Фактически это событие может интерпретироваться как реальное начало нового этапа развития трибологии в условиях все более ускоряющегося научно-технического прогресса нашей цивилизации. Признание определяющего вклада трибологии в обеспечение надежной и безопасной эксплуатации самых разнообразных технических средств обусловило включение исследований вопросов трения, изнашивания и смазывания материалов в государственные программы большинства развитых стран мира [3-7].

Быстрое развитие трибологии и, соответственно, связанных с ней смежных областей знания, необходимость систематизации проводимых работ, их оптимизации по экономическому критерию, а также координации международных исследовательских программ потребовали определения актуальных направлений и тенденций развития трибологических исследований [8-11].

В современной трибологии, как области знания, выделяют шесть важнейших развиваемых и перспективных направлений: трибоанализ, трибоматериаловедение, триботехнология, триботехника, трибоинформатика и трибомониторинг [8, 9]. Последний, как известно, состоит из трибометрии и трибодиагностики. Трибометрия, в свою очередь, охватывает методы и средства измерения основных параметров фрикционного контакта и является важнейшим элементом практически всех видов экспериментальных модельных и натурных исследований материалов и триботехники [8-18].

Трибодиагностика - как совокупность методов и средств непрерывного контроля и управления состоянием фрикционных параметров деталей и узлов машин - одно из самых молодых и перспективных направлений в современной трибологии [12, 19, 20]. В связи с все более повышающимися требованиями к трибологической надежности машин и механизмов особую значимость приобретает разработка новых высокоинформативных методов и средств диагностики узлов трения, и, в первую очередь, изнашивания материалов.

В настоящее время при проведении лабораторных исследований и эксплуатации машин используются самые разнообразные способы оценки износа деталей, которые, с известной степенью условности, можно разделить на две группы: методы периодического (с остановкой) и непрерывного (без остановки) контроля состояния трибосопряжений. С точки зрения информативности и универсалыюсти наибольшее распространение получили следующие методы второй группы: акустикоэмиссионные, электрофизические, температурные, виброакустические, спектральные, а также феррографические, и магнитометрические. Обладая многими, зачастую уникальными, возможностями эти методы не всегда могут быть использованы для контроля линейных размеров, в частности, так называемых прецизионных узлов трения, т. е. сопряжений, предельная величина износа которых составляет от долей до нескольких микрометров. Во многом это обусловлено тем, что при реализации большинства методик трибо-технических испытаний имеет место изменение температуры фрикционного нагрева трибосистем (например, вследствие изменения нагрузочно-скоростных режимов) и, как следствие, изменение их размеров в довольно значительных пределах. Еще одним фактором, негативно влияющим на точность измерения износа, являются радиальные биения фрикционно взаимодействующих элементов трибосопряжений, зачастую имеющие значения в несколько десятков микрометров.

Среди большого разнообразия методов непрерывной оценки износа узлов трения особое место принадлежит методам, основанным на измерении линейных размеров трибосистем или их отдельных элементов. К достоинствам этих методов относятся: сравнительная простота используемых конструкций и методик измерений, малая энергоемкость, сравнительно небольшая инерционность по отношению к процессам фрикционного взаимодействия, возможность сочетания регистрирующих приборов с микропроцессорными устройствами и создания на их базе многофункциональных систем автоматизированного контроля и управления изнашиванием сопряжений. Следует также отметить значительную сложность изучения закономерностей изменения линейных размеров трибосистем, зависящих от большого числа факторов: нагрузочно-скоростных и температурных режимов, конструкции узлов трения, особенностей физико-химического взаимодействия в зоне высокотемпературного контакта материалов, технологии формирования трибоматериалов и др. Реализация потенциальных возможностей указанных методов непосредственно связана с решением целого комплекса проблем, и, в первую очередь, с необходимостью разработки их теоретических и методологических основ, а также конструкционно-технологическим обеспечением измерительного процесса. Работы в этом направлении являются достаточно актуальными и перспективными как с точки зрения установления и объяснения новых научных фактов и явлений в трибологии, так и решения конкретных задач прикладного характера, обеспечивающих надежную и безопасную эксплуатацию самых разнообразных, например, транспортных или сельскохозяйственных машин и механизмов.

Настоящее исследование по большому счету является результатом совместного творчества многих талантливых и преданных своему делу людей. Трудно перечислить имена тех, кого мне хотелось бы поблагодарить за самую разностороннюю помощь в этой работе. Вместе с тем, не могу не назвать имена тех моих учителей, коллег по работе и совместной деятельности в трибологии, учеников и соратников, без реальной помощи которых настоящий труд вряд ли бы состоялся.

Особая благодарность в то время директорам Института механики метал-лополимерных систем АН БССР академикам Владимиру Алексеевичу Белому и Анатолию Ивановичу Свириденку (ныне Институт механики металлополимер-ных систем имени В. А. Белого Национальной Академии Наук Республики Беларусь), которые в течение многих лет способствовали моему становлению как ученого. Многое для меня значили мудрые советы, жизненные подсказки и поддержка профессоров П. Н. Богдановича, Э. Д. Брауна, Ю. А. Евдокимова (моего научного руководителя по кандидатской диссертации), В. И. Колесникова (научного консультанта по докторской диссертации), Б. И. Купчинова, Д. Г. Лина, Л. С. Пинчука, А. В. Рогачева, В. Г. Савкина. Благодарю также своих учеников и соратников И. С. Напреева, С. В. Петрова, А. А. Суслова и других за их увлеченность и труд, который они вложили в наши общие разработки и исследования.

Моя искренняя благодарность Председателю польского трибологического общества, лауреату Большой Международной золотой медали по трибологии профессору Станиславу Пытко, не только ознакомившего меня с достижениями польской трибологии, но и организовавшего совместную работу белорусских и польских трибологов в рамках ряда международных проектов. Хочу также поблагодарить профессоров Януша Янецкого и Марека Вишневского, и особо выразить мою благодарность и признательность профессору Марьяну Шчереку, доктору Витольду Пекошевскому и всем сотрудникам Департамента трибологии Института технологии эксплуатации (Institute for terotechnology) за те незабываемые годы совместной работы.

Отдельная благодарность всем сотрудникам организации, от которой представляется данная работа - «Ростовский государственный университет путей сообщения» (г. Ростов-на-Дону, Россия).

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы диссертации. Одним из основополагающих направлений развития современной трибологии является тенденция к исследованию процессов контактного взаимодействия материальных сред на микро-и наноуровнях. Актуальность работ в этом направлении обусловлена все более повышающимися требованиями к надежности современных машин и механизмов и необходимостью создания новых высокоинформативных методов и средств диагностики узлов трения и, в первую очередь, их изнашивания.

В настоящее время при проведении лабораторных исследований, стендовых и эксплуатационных испытаний машин используются разнообразные способы оценки износа, которые, с известной степенью условности, можно разделить на две группы: методы периодического (с остановкой - для измерений контролируемых параметров) и непрерывного (без остановки) контроля состояния трибосопряжений. С точки зрения информативности и универсальности наибольшее распространение получили методы второй группы: акустоэмиссионные, электрофизические, тепловые, виброакустические, спектральные, а также феррографические и магнитометрические. Обладая широкими, зачастую уникальными возможностями, эти методы не всегда могут быть использованы для контроля изнашивания так называемых прецизионных узлов трения, т. е. сопряжений, предельная величина износа которых составляет от долей до нескольких микрометров. Среди методов непрерывной оценки износа наибольшее распространение получили методы, основанные на измерении линейных размеров трибосистем или их отдельных элементов. К их достоинствам относятся: сравнительная простота используемого оборудования, малая энергоемкость, относительно небольшая инерционность по отношению к процессам фрикционного взаимодействия, возможность сочетания регистрирующих приборов с микропроцессорными устройствами и создания на их основе многофункциональных систем автоматизированного контроля и управления изнашиванием сопряжений. Ряд недостатков этих методов ограничивает их эффективное использование на практике. Например, они не позволяют учитывать степень влияния теплового фактора (дилатации) на линейные размеры узлов трения. (В свете современных физических представлений дилатация может определяться не только температурой, но и, например, физико-химическим взаимодействием фрикционно контактирующих материалов.) По этой причине практически все методы непрерывного контроля износа, особенно при проведении испытаний в условиях переменных нагрузочно-скоростных режимов (изменяющегося теплового фактора), часто имеют значительную погрешность измерений.

Реализация потенциальных возможностей указанных методов непосредственно связана с решением комплекса проблем, в первую очередь, с необходимостью разработки теоретических и методологических основ трибодила-тометрии, а также конструкционно-технологическим обеспечением измерительного процесса. Актуальность и перспективность такого рода исследований представляются несомненными как с точки зрения установления и объяснения новых научных фактов и явлений в трибологии, так и решения многочисленных вопросов прикладного характера, призванных обеспечить надежную и безопасную эксплуатацию самых разнообразных машин и механизмов.

Связь работы с крупными научными программами, темами. Диссертационная работа выполнялась в соответствии с программами 2-го республиканского народнохозяйственного плана (научно-техническая проблема 0.10.16) в 1979-1981 гг., республиканскими программами по решению важнейших проблем в области естественных наук «Композиты» в 1981-1982 гг. и «Триботехника» (задание 5.10) в 1994-1996 гг., программой международного трибологического проекта УАМА8 в 1992-1995 гг., а также при проведении НИР и ОКР по заказам ряда научно-исследовательских институтов, организаций и предприятий.

Цель и задачи исследования. Цель настоящей работы заключается в создании методологических основ, теоретическом обосновании и экспериментальной проверке трибодилатометрического метода для достоверного контроля изнашивания и дилатации сопряжений машин и механизмов.

Задачи исследования:

- теоретически обосновать целесообразность применения разработанного метода для оценки изнашивания и дилатации металлических и металлопо-лимерных сопряжений, а также узлов трения, на поверхности деталей которых нанесены тонкослойные антифрикционные покрытия;

- оценить практическую целесообразность и перспективы развития трибодилатометрии.

Объект и предмет исследования. В работе исследуются узлы трения скольжения и качения, изготовленные с использованием металлических, полимерных и олигомерных материалов. Предметом исследования является изучение процессов изнашивания, дилатации и деформации трибосопряже-ний.

Методология и методы проведения исследования. Суть работы состоит в дальнейшем развитии методологии трибодилатометрического метода контроля сопряжений и оценке возможностей его практического использования. Развитие методологии трибодилатометрии предусматривало разработку ряда носящих общий, а в некоторых случаях частный характер, методик измерений, представления и обработки экспериментальных данных, например, посвященных изучению кинетики изменения линейных размеров пар трения, которые использовались в диссертации при решении конкретных исследовательских задач. В работе представлены и другие методы исследований структуры поверхности и поверхности материалов: измерения шероховатости с помощью профилометра, дифференциального термического анализа, Оуэнса и Вендта оценки поверхностной энергии материалов, рентгеноструктурного анализа и др.

Научная новизна и значимость полученных результатов. С использованием основных положений системного анализа развита методология дилатометрического метода контроля состояния трибосопряжений, позволяющего достоверно осуществлять оценку изменений линейных размеров трибо-систем, обусловленных их дилатацией и износом.

Разработаны методологические основы трибодилатометрии, включая методики, позволяющие разделить эффекты изнашивания и дилатации три-босистем и использующие разработанный для этих целей прибор - трибоди-латометр.

Предложена методика оптимальной настройки трибодилатометра и показана возможность его использования в современных методах испытания материалов на изнашивание. В процессе испытаний узлов трения с различной технологической и эксплуатационной наследственностью определены главные факторы, обусловливающие основные погрешности трибодилатометри-ческих измерений. Предложен критерий - коэффициент трансформации для оценки влияния наследственности на изнашивание и дилатацию узлов трения. Результаты оценки износа трибосистем согласно разработанному методу соответствуют результатам, полученным по стандарту ASTM G77.

Выявлены особенности физико-химических процессов, инициированных термическим воздействием и протекающих в статических (адгезионных) и динамических (фрикционных) металлополимерных соединениях. Показано, что оба вида соединений характеризуются рядом аналогичных явлений. Диффузия металла в контактирующие с ним полимерные материалы приводит к изменению их электрофизических, адгезионных и фрикционных свойств. Для эпиламированных узлов трения (содержащих на рабочих поверхностях деталей мономолекулярный или близкий к нему по свойствам слой фторсодержащего поверхностно-активного вещества) в зоне фрикционного контакта также возможно протекание процессов массопереноса и изменения фазового состояния поверхностных слоев материалов, влияющих на дилатацию и характеристики трибосистем. На основе кинетических закономерностей изменения термоизносных характеристик эпиламированных трибосопряжений предложена методика определения триборесурса тонких покрытий.

Впервые экспериментально установлен немонотонный характер изменения термоизносных характеристик трибосопряжений, состоящих из последовательно чередующихся циклов изнашивания и дилатации, амплитуда и продолжительность которых определяются силовыми и кинематическими параметрами трения, характеристиками смазочной или окружающей среды и материалов пары трения. Показано, что термоизносные характеристики синхронизированы с фрикционными по значениям амплитуд и длительностей циклов, обладают «памятью фазы» и могут трансформироваться в упорядоченную циклическую форму. Установлена связь между тепловым расширением и износом узлов трения.

Численный гармонический анализ цикличности экспериментальных зависимостей свидетельствует о возможности их представления в виде соответствующих тригонометрических многочленов. Выявлено существование связи между параметрами тригонометрических многочленов (гармонических рядов) и шероховатостью поверхности металлического контртела, величинами циклического и полного износа трибосистем.

Разработана новая методика представления и анализа экспериментальных и расчетных значений амплитуд и длительностей циклов термоизносных и фрикционных характеристик испытанных пар трения путем построения корреляционных квадратов.

Дана оценка современного состояния и определены перспективы развития трибодилатометрии.

Новизна результатов подтверждена 12-ю авторскими свидетельствами на изобретения и 2 патентами.

Практическая (экономическая, социальная) значимость полученных результатов. Проведенный комплекс теоретических и экспериментальных работ позволил обосновать и предложить дилатометрический метод контроля состояния трибосистем как методологическое направление трибологии, предназначенное для проведения фундаментальных исследований и решения задач триботехники, имеющих прикладной характер.

- оптимизация конструкций подшипниковых узлов, в том числе, с помощью исследовательских триботестеров, оснащенных встроенными устройствами для измерения линейного износа и использующих в качестве диагностических параметров данные о тепловом состоянии и теплофизических характеристиках материалов пар трения;

Результаты исследований, выполненных в рамках настоящей диссертационной работы, использованы в практической деятельности ряда научно-исследовательских и учебных организаций: в Белорусском государственном университете транспорта при трибологических испытаниях узлов трения с тонкослойными антифрикционными покрытиями; департаменте трибологии Института технологии эксплуатации (г. Радом, Польская Республика) при изготовлении серийных (модели Т-01 - Т-10) и разработке новых перспективных образцов компьютеризированных триботестеров, выпуске опытной партии трибоанализатора модели РС1^-01, проведении трибологических испытаний материалов; Ростовском инжиниринговом центре (Россия) при испытаниях композиционных полимерных материалов для узлов трения скольжения и др.

Основные положения диссертации, выносимые на защиту:

- Методики оценки изнашивания и дилатации, анализа и исследования параметров трибосистем.

- Система терминов и определений трибодилатометрии.

- Оборудование для трибодилатометрических испытаний (триботестеры, трибодилатометры).

- Коррелированность термоизносных характеристик с фрикционными.

- Особенности физико-химических процессов, инициированных термическим воздействием и протекающих в зоне адгезионного и фрикционного контактов полимер - металл и металл - покрытие эпилама.

- Феноменологическая модель изнашивания и дилатации трибосистем, использующая результаты трибодилатометрических испытаний.

Личный вклад соискателя. Автором самостоятельно сформулирована цель и разработана структура работы, включая ее методологические основы [466, 480, 497], произведена апробация разработанных методик [444, 452, 466,480,497], предложены оригинальные методы представления и обработки экспериментальных данных [452, 497], а также пути использования результатов исследований для создания новых конструкций научных приборов и диагностируемых узлов трения [484, 497]. В остальных публикациях личный вклад соискателя связан с постановкой задачи, участием в экспериментах, обсуждении результатов и формулировании выводов.

Апробация результатов диссертации. Основные положения диссертационной работы доложены и обсуждены на: международных симпозиумах «Интертрибо-90» (Высокие Татры, Чехословакия) и «Интертрибо-93» (Братислава, Словакия), 10-м юбилейном по механоэмиссии и механохимии твердых тел (Ростов-на-Дону, 1986), «ВЕЬТМВ-99» (Гомель, Беларусь); конференциях «Износ материалов-91» (Орландо, США, 1991), «Новые материалы и технологии в трибологии» (Минск, Беларусь, 1992), «Ремонт-90» (Албена, Болгария, 1990), «Ресурсосберегающие и экологически чистые технологии» (Гродно, Беларусь, 1994), «Современные проблемы развития железнодорожного транспорта» (Москва, Россия, 1996); семинаре «Триболог-10М-Славянтрибо-1», «Анализ и рациональное использование трибообъек-тов» (Рыбинск, Россия, 1993); всесоюзных конференциях «Трибоника и антифрикционное материаловедение» (Новочеркасск, Россия, 1980), «Повышение долговечности и надежности машин и приборов» (Куйбышев, Россия, 1981), «Оптический, радиоволновой и тепловой методы неразрушающего контроля» (Могилев, Беларусь, 1989), «Методы и средства диагностирования технических средств железнодорожного транспорта» (Омск, Россия, 1989), «Микропроцессорные системы и устройства управления ответственными технологическими процессами на транспорте» (Москва, Россия, 1989), «Износостойкость машин» (Брянск, Россия, 1991), «Надежность и безопасность технических систем» (Минск, Беларусь, 1997); республиканских конференциях и семинарах «Повышение надежности изделий триботехническими методами» (Пенза, Россия. 1988), «Физика и технология тонкопленочных полимерных систем (Минск, Беларусь, 1997); республиканских конференциях и семинарах «Повышение надежности изделий триботехническими методами» (Пенза, Россия, 1988), «Физика и технология тонкопленочных полимерных систем» (Гомель, Беларусь, 1990; Ташкент, Узбекистан, 1991; Пружаны, Беларусь, 1993), «Современные методы наплавки, упрочняющие защитные покрытия и используемые материалы» (Харьков, Украина, 1990), «Современные технологические процессы упрочнения и восстановления деталей» (Но-вополоцк, Беларусь, 1991, 1997), «Проблемы качества и надежности машин» (Могилев, Беларусь, 1994). Кроме того, материалы диссертации были представлены и обсуждены на заседании филиала Межведомственного научного Совета по трибологии при АН СССР, ГКНТ СССР и Союзе НИО СССР при Северо-Кавказском научном центре высшей школы Минвуза РСФСР и Секции механики контактных взаимодействий в трибологии (Ростов-на-Дону, Россия, 1990), семинарах департамента трибологии Института технологии эксплуатации (г. Радом, Польша, 1990-1995) и Горно-металлургической Академии (Краков, Польша, 1990), заседании Польского трибологического общества (Варшава, 1990) и осенней Польской трибологической школе (Ко-лобжег, Польша, 1992).

Опубликованность результатов. По основным результатам выполненных исследований опубликовано 63 печатные работы, в том числе 1 монография, 24 статьи в научных журналах, 12 статей в научных сборниках и материалах конференций и семинаров, 12 тезисов докладов на конференциях, получены ТУ, 12 авторских свидетельств на изобретения и 2 патента.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, общей характеристики работы, семи глав, заключения, списка использованной литературы и приложений. Общий объем работы составляет 274 страницы, содержит 94 иллюстрации, 17 таблиц и список использованной литературы, включающей 497 наименований на 28 страницах.

Заключение диссертация на тему "Трибомониторинг изнашивания прецизионных узлов трения с учетом их дилатации"

ВЫВОДЫ по седьмой главе

1. С учетом основных результатов проведенных исследований осуществлена оценка современного состояния трибодилатометрии, являющейся динамично развивающимся разделом трибодиагностики, имеющим свой круг задач и эффективных методов их решения в самых разнообразных направлениях трибологии.

2. Показано, что развитие трибодилатометрии происходит как в рамках трибомониторинга, так и в тесной связи с развитием других основных направлений трибологии. Это нашло свое отражение в создании новых методов улучшения триботехнических характеристик и исследования трибологиче-ских, физико-механических и теплофизических свойств материалов, диагностических методов и систем, конструкций узлов трения.

3. Разработанные методики трибодилатометрических испытаний прошли апробацию и используются в учебных и научно-инновационных организациях Беларуси, России и Польши.

4. Определены перспективные направления развития трибодилатометрии.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

На основании результатов теоретических и экспериментальных исследований развиты методологические основы дилатометрического метода контроля трибосопряжений и решена актуальная научно-техническая проблема создания комплекса взаимно дополняющих методик, позволяющих достоверно оценить изменения номинальных линейных размеров трибосистем, обусловленные их дилатацией и износом, и на этой основе углубить представления о механизмах трения и изнашивания твердых тел.

1. Разработаны методики измерений, позволяющие дифференцировать и численно оценить эффекты изнашивания и теплового расширения трибосистем. Для их реализации предложен исследовательский комплект, избирательно формируемый из семейства триботестеров, оснащаемых специально разработанным для этих целей прибором - трибодилатометром, позволяющим практически полностью устранить то негативное влияние, которое оказывают на точность измерений износа и дилатации радиальные биения трущихся элементов сопряжений. Предложена система терминов и определений, характеризующих содержание нового направления в трибологии - трибоди-латометрии [443, 451, 454, 459, 463, 464, 466, 474, 475, 476, 478, 479, 480, 481, 482, 488, 495, 497].

2. Выявлены особенности физико-химических процессов, инициированных термическим воздействием и протекающих в адгезионных соединениях и фрикционных сопряжениях полимер-металл. Показано, что оба вида контактов характеризуются рядом аналогичных явлений. Диффузия металла в контактирующие с ним полимерные материалы приводит к изменению их электрофизических, адгезионных и фрикционных характеристик. Установлено влияние физико-химических процессов на работоспособность эпиламиро-ванных трибосопряжений. Впервые обнаружена корреляция между поверхностной энергией материалов трибоэлементов и амплитудой циклов термо-износных характеристик резинометаллических узлов трения [441, 447, 453, 458, 459, 460, 467, 468, 469, 479, 480, 497].

3. В процессе испытаний узлов трения с различной технологической и эксплуатационной наследственностью определены основные факторы, обусловливающие погрешности трибодилатометрических измерений: температура и влажность окружающей среды; нагрузочно-скоростные режимы работы; шероховатость и качество очистки поверхностей трения; природа трибо-материалов; качество выполнения технологических операций монтажа-демонтажа испытываемых узлов трения. Предложен критерий - коэффициент трансформации для количественной оценки влияния предыстории (наследственности) на износ и дилатацию узлов трения.

Результаты оценки износа трибосистем с помощью разработанного метода, достаточно хорошо соответствуют данным, полученным по методике ASTM G77 [454, 458, 459, 466, 479, 480, 481, 497].

4. Экспериментально установлен немонотонный характер изменения термоизносных характеристик трибосопряжений, состоящих из последовательно чередующихся и следующих друг за другом циклов изнашивания и дилатации, амплитуда и продолжительность которых определяются силовыми и кинематическими параметрами трения, характеристиками среды и природой образующих трущуюся пару материалов. Показано, что термоизнос-ные характеристики синхронизированы и коррелированы с фрикционными по значениям амплитуд и длительностей циклов, обладают «памятью фазы» и могут трансформироваться, приближаясь к упорядоченной циклической форме [443, 445, 446, 448, 454, 456, 458, 459, 463, 466, 477, 478, 479, 480, 481, 497].

5. Численный гармонический анализ цикличности экспериментальных зависимостей показал возможность их представления в виде соответствующих тригонометрических; многочленов. Выявлено существование связи между параметрами тригонометрических многочленов (гармонических рядов) и шероховатостью поверхности металлического контртела, величинами циклического и полного износа трибосистем.

На основе представлений о параметрах термоизносных характеристик -амплитуды, длительности циклов и циклического износа, определяемых экспериментально, получила развитие феноменологическая модель изнашивания и дилатации трибосистем и методы количественной оценки ее параметров [459, 479, 480, 497].

7. С учетом основных результатов проведенных исследований осуществлена оценка современного состояния трибодилатометрии. Показано, что ее развитие происходит как в рамках трибомониторинга, так и в тесной связи с развитием других основных направлений трибологии. Это нашло свое отражение в создании новых методов улучшения триботехнических характеристик и исследования трибологических, физико-механических и теплофизиче-ских свойств материалов, диагностических методов и систем, конструкций узлов трения. Определены перспективные направления развития трибодилатометрии [439, 440, 442, 444, 447, 450, 455, 457, 460, 461, 462, 463, 464, 465, 470, 471, 472, 473, 475, 480, 482, 483, 484, 485, 486, 487, 488, 489, 490, 491, 492, 493, 494, 495,496, 497].

Похожие работы

Машиностроение и машиноведение
05.02.00