ОЦЕНКА СПОСОБОВ УПРАВЛЕНИЯ РАБОТОСПОСОБНОСТЬЮ ТРУЩИХСЯ ПОВЕРХНОСТЕЙ ДЕТАЛЕЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ОБОРУДОВАНИЯ

 

Маленко П.И. (ТулГУ, г. Тула, РФ)

 

In clause the estimation of ways of management of serviceability rub oneself of surfaces - management of serviceability by change of properties of an environment in tribosystem and management of serviceability by change of a geometrical condition of surfaces of friction is given.

 

Направленное использование некоторых технологических и эксплуатационных способов для повышения работоспособности трущихся поверхностей состоит в нивелировании процессов катастрофического поверхностного повреждения в сторону усталостных повреждений. Объектом воздействия при этом может быть окружающая среда трибосистемы, а также сам изнашивающийся материал [1].

В процессах поверхностного разупрочнения и разрушения исключительно важную роль играют микродеформации в активном слое материала, что связано с зарождением, размножением и перемещением дислокаций. Окружающая среда может радикальным образом влиять на свойства этих линейных дефектов и коренным образом изменять характеристики трения и изнашивания.

В соответствии с существующими представлениями о механизме смазочного действия среды основные формы ее влияния сводятся к экранированию поверхностей соприкасающихся тел и к прямому воздействию на свойства поверхностных слоев [2]. В зависимости от природы контактирующих материалов и среды, а также режима трения преобладает одна из этих двух форм или проявляется их совместное действие. При экранирующем воздействии смазочного материала важную роль играют его структурно-механические свойства. Вместе с тем весьма значительна роль поверхностно-активных компонентов среды, обусловливающих устойчивость смазочного слоя.

Прямое воздействие среды на свойства твёрдых тел в зоне контакта может осуществляться различными путями. Во-первых, может иметь место непосредственное проявление эффекта понижения прочности и облегчения деформации твердых тел в условиях снижения их поверхностной энергии. Во-вторых, возможен вариант, когда в активной смазочной среде в результате механико-химических реакций и поверхностного диспергирования создается прочно связанный с поверхностями контактирующих материалов слой, отличный от них по своей структуре и свойствам. С этим могут быть связаны такие эффекты, как коррозия, старение, диффузионные процессы и другие.

Свойства окисных пленок, возникающих на трущихся поверхностях, в сильной степени зависят от активности и контакта с кислородом воздуха. Оптимальное пассивирование обеспечивается при давлении воздуха для трения без смазочного материала в диапазоне от 13 Па и выше, для граничных условий трения - от 13 до 13×10^-4 Па. Уменьшение концентрации кислорода в зоне трения обусловливает формирование тонких ненасыщенных структур, хорошо связанных с основным материалом. Дальнейшее увеличение разряжения считается нежелательным из-за потери ими экранирующих свойств.

Для жестких режимов трения, когда возможна активация процессов разрушения окисных пленок, прогрессивным предполагается применение пассивирующих рабочих сред, среди которых наиболее эффективным оказался аммиак, диссоциирующий в зоне контакта с выделением атомарного азота.

Другим эффективным средством управления изнашиванием является введение в триботехническую среду специальных адсорбционно- и химически активных присадок. В результате взаимодействия присадок с активированным поверхностным слоем материала образуются вторичные структуры некислородного происхождения, имеющие более высокую износостойкость, чем окисные. Такими присадками являются, например, роданиды меди, железа и марганца, а также некоторые комплексные серо-, фосфор- и хлорсодержащие соединения. Считается перспективным направлением воздействия на работоспособность пары трения введение в среду поверхностно-активных веществ (ПАВ), в качестве которых чаще всего используют углеводороды. Эффективность действия ПАВ, как правило, наблюдается лишь в определенной, хотя и достаточно широкой области скоростей деформации. Положение этой области зависит от температуры в зоне контакта.

В основе эффекта адсорбционного пластифицирования лежит чисто поверхностное взаимодействие металла со средой. Результаты многочисленных исследований подтвердили, что хотя первичным действием ПАВ является пластифицирование материала, конечным этапом может оказаться значительное упрочнение поверхностных слоев вследствие очень большой пластической деформации. Активная среда на некотором этапе упрочнения слоя может оказать и разупрочняющее действие, что связывается с проникновением молекул ПАВ в трещины повреждающегося поверхностного слоя [3]. Кроме того, при трении в среде ПАВ уменьшается глубина наклепанного слоя, что является позитивным с позиций повышения износостойкости. Особая роль ПАВ среды проявляется в изменении дислокационной структуры в деформируемом слое и повышении плотности дислокаций до 1,5 раз по сравнению с исходным субструктурным состоянием.

В работе [4] была предпринята попытка использовать ПАВ для измельчения блоков тонкой структуры при обработке поверхности методом пластической деформации. Повышение микротвердости до 20 % и глубины наклепа на 30 %, достигнутое при этом, позволило повысить износостойкость в 2 раза.

Особое место в современной триботехнике занимает направление использования твердых смазочных материалов для повышения работоспособности трущихся поверхностей. Смазочные вещества с высокой теплостойкостью, хорошей адгезией к металлам, малым газовыделением даже в условиях вакуума успешно работают в экстремальных условиях изнашивания.

Из твердых смазочных материалов в узлах трения часто применяют дисульфиды молибдена и вольфрама На воздухе MoS₂ в интервале температур до 350 ⁰С окисляется до МоО₃ или SeO₃. При температуре выше 480 ⁰С окисление протекает очень быстро, в вакууме этот смазочный материал стабилен вплоть до температур 1100 ⁰С. По сравнению с ним дисульфид вольфрама является более стойким к температуре и окислению. Кроме того, он химически инертен, нерастворим почти во всех средах, включая многие кислоты. В настоящее время для диапазона рабочих температур твердого MoS₂ установлены характерные зоны их взаимодействия с изнашивающимся материалом и со средой, что позволяет определять оптимальную толщину твердого смазочного материала в зависимости от действующих давлений.

Работа фрикционных пар сопровождается нормальными и касательными вибрациями их элементов. Спектр частот и амплитуд этих собственных колебаний является весьма широким и зависит от реализуемого механизма изнашивания трущихся материалов [4].

Существует несколько моделей, объясняющих в первую очередь роль нормальных вибраций в формировании триботехнических свойств контакта. Модель скоростного резонанса объясняет в пределах скоростей трения до 1 м/с снижение силы трения за счет кинематического влияния на процессы взаимодействия микронеровностей трущихся поверхностей. Этому процессу должен соответствовать резонанс, когда средняя частота взаимодействия выступов соответствует собственной частоте микроколебаний. Помимо скоростного резонанса существует дополнительное снижение силы трения при действии нормальной периодической силы, если ее частота сопоставима с собственной частотой колебаний микроконтактов. Снижение силы трения в этих условиях доходило иногда до 85 % в зависимости от резонансной частоты, предопределяемой свойством трибосистемы. Интересным представляется уменьшение амплитуды собственных нормальных колебаний и повышение их собственной частоты при наличии на контакте смазочного материала, что в резонансном режиме самовозбуждения максимально снижает фрикцию. Резонансная частота повышается при удалении пассивирующих пленок на контактной поверхности.

В проблеме повышения работоспособности трущихся поверхностей ставится цель исследовать влияние внешних, и в первую очередь ультразвуковой частоты, колебаний на трение и изнашивание [6]. Исходя из наблюдаемого уменьшения площади контакта и влияния на него инерционной составляющей, изучена степень снижения фрикционности под действием вводимых на контакт вибраций. Определено, что позитивный эффект в работоспособности пары трения вследствие кинематических причин достигается при повышении модулей упругости материала, при снижении контактных давлений, повышении скорости трения и при повышении смазывающей способности внешней среды.

Возможно нелинейное снижение фрикционности вплоть до 60 % в интервале контактных давлений 10-1,2×10⁷ Па при введении на контакт вибрации с амплитудой от 3×10^-4 до 10^-3 мм. Причиной этого является изменение молекулярной активности поверхностного слоя атомов и условий упругопластического деформирования контакта. Данные предположения подтверждаются некоторыми экспериментальными результатами повышения работоспособности контакта при введении параллельно вибрациям поверхностно-активного вещества.

Заслуживает внимания с позиций повышения работоспособности способ влияния на трение и изнашивание электрического тока, пропускаемого через смазываемый контакт трения [7]. При этом отмечено изменение цикличности в реализации механизмов трения, что объясняется особенностью формирования дислокационной структуры в активном слое материала.

Литература

1. Власов В.М. Работоспособность упрочненных трущихся поверхностей. – М.: Машиностроение, 1987. – 304 с.

2. Ящерицын П.И., Скорынин Ю.В. Работоспособность узлов трения машин. – Минск: Наука и техника, 1984. – 288 с.

3. Рыжов Э.В., Суслов А.Г., Улашкин А.П. Комплексный параметр для оценки состояния поверхности трения //Трение и износ. – 1980. – Т.1. – № 3. – С.436-439.

4. Алексеев П.Г., Щеглова А.В. Влияние поверхностно-активной среды на процессы деформационного упрочнения и износостойкости поверхностей //Трение и износ. – 1983. – Т.2. – № 4. – С.189-193.

5. Запорожец В.В. Варюхно В.В. Взаимосвязь силы трения и свойств вторичных структур //Трение и износ. – 1983. – Т.2. – № 1. – С.59-67.

6. Криштал М.А., Пигузов Ю.В., Головин С.А. Внутреннее трение в металлах и сплавах. – М.: Металлургия, 1964. – 245 с.

7. Плазмотроны для напыления порошковых материалов. Экспресс-информация. – М.: ЦНИИтракторсельхозмаш, 1978. – №2. – С.46.