Авторефераты по всем темам  >>  Авторефераты по разное  

На правах рукописи

Меделяев Игорь Алексеевич

ПОВЫШЕНИЕ РАБОТОСПОСОБНоСТИ узлов трения

агрегатов ГИДРавлических систем

ТРАНСПОРТНОЙ техники

  Специальности: 05.02.02 - Машиноведение, системы приводов 

  и детали машин

05.02.04 - Трение и износ в машинах

Автореферат

диссертации на  соискание ученой степени

доктора технических наук

Москва - 2011

Работа выполнена в Московском государственном университете

приборостроения и информатики

Научный консультант:	Доктор технических наук, профессор Албагачиев Али Юсупович
Официальные оппоненты:	Доктор технических наук, профессор ужнов Юрий Михайлович
	Доктор технических наук, профессор Куксенова Лидия Ивановна
	Доктор технических наук, профессор Мороз Владимир Петрович

  Ведущая организация: Федеральное государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Государственный университет - учебно-научно-производственный комплекс (ФГОУ ВПО Госуниверситет - УНПК)        

Защита диссертации состоится л__ _____ 2011г. в ____час. на заседании диссертационного совета Д 212.126.03 при Московском автомобильно-дорожном государственном техническом университете (МАДИ) по адресу: 125319, г. Москва, Ленинградский проспект, 64, зал заседаний Ученого Совета

С диссертацией можно ознакомиться в научно-технической библиотеке Московского автомобильно-дорожного государственного технического университета (МАДИ)

Автореферат разослан л__ __________ 2011 г.

Отзыв на автореферат в двух экземплярах, заверенный гербовой печатью, просим направлять по адресу диссертационного совета университета

Ученый секретарь

диссертационного совета,
кандидат технических наук, доцент       Д.С. Фатюхин

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Причиной выхода из строя 85 - 90 % деталей машин является износ. По данным Международного совета по трибологии потери средств от трения и износа в развитых странах составляют 4-5% национального дохода, а преодоление сопротивления трения поглощает во всём мире 20-25% вырабатываемой за год электроэнергии. Поэтому одно из основных требований, предъявляемых к современным машинам и механизмам, состоит в обеспечении достаточной их долговечности при уменьшении их удельного веса на единицу мощности и интенсивную эксплуатацию.

Работы А.С. Ахматова, С.Б. Айнбиндера, Ф.П. Боудена, Д. Бакли, Э.Д. Брауна, Н.А. Буше, И.А. Буяновского, Н.А. Воронина, Д. Тейбора, Б.В. Дерягина, Ю.Н. Дроздова, Н.Б. Дёмкина, В.Д. Кузнецова, И.В. Крагельского, Б.И. Костецкого, Л.И. Куксеновой, Ч. Кайдаса, Ю.М. Лужнова, Н.М. Михина, Р.М. Матвеевского, В.П. Мороз, А.П. Семёнова, Г.И. Фукса, У.Б. Харди, М.М. Хрущова, В.В. Харламова, А.В. Чичинадзе, В.Ф. Пичугина, С.М. Захарова показали, что при трении поверхностные слои определяют поведение и свойства всего объёма материала, его эксплуатационные характеристики.

Управление трением, правильный подбор материалов по критериям трения и износостойкости, рациональное конструирование узлов трения и деталей машин и оптимизация условий эксплуатации могут существенно продлить ресурс работы и повысить эффективность машин.

Изложенное убедительно показывает актуальность проблемы износостойкости пар трения в машинах и механизмах транспортной техники, одной из составляющих которой является авиационная техника.

Для агрегатов (насосов, насосных станций, гидромоторов, гидроприводов) гидравлических систем авиационной техники актуальность проблемы обеспечения работоспособности и ресурса пар трения обусловлена следующими причинами:

а) применяемые пары трения - со смазочным материалом - в агрегатах большой мощности, работают в режиме смешанной смазки и подвергаются воздействию высоких механических и тепловых нагрузок. В части обеспечения работоспособности и ресурса пары трения находятся на пределе своих возможностей, и нередко нагрузки превышают допустимые (регламентированные), в особенности при изменении состояния смазочного материала (рабочей жидкости). Высокие механические и тепловые нагрузки приводят к реализации режима схватывания материалов пар трения,  снятию агрегатов с испытаний и отказам в эксплуатации.

Эти ситуации обусловлены отсутствием надёжных экспериментальных данных о критериях работоспособности пар трения агрегатов гидравлических систем авиационной техники.

б) предельная нагруженность пар трения и нерегламентированные условия их работы возникают и при технологической обкатке (приработке) пар трения (после изготовления) в части формирования пары трения в процессе её приработки;

в) практически не исследованы воздействия состояния смазочного материала (рабочей жидкости) - в частности, газосодержания и содержания твёрдых частиц - на пары трения, влияние которых на их работоспособность является критическим;

г) без экспериментального исследования основных закономерностей процессов, определяющих работоспособность трущихся поверхностей, формирование и сохранение защитных смазочных плёнок, невозможно обеспечить надёжную работу пар трения;

д) в дальнейшем тенденция к росту механической и тепловой нагрузок на пары трения будет сохраняться, и отсутствие экспериментально-теоретических исследований не позволяет обеспечить создание и отработку новых более долговечных пар трения.

По данным предприятия Рубин за 5 лет (1990 1994г.г.) сход агрегатов с обкатки составил 76,8%, а с приёмо-сдаточных испытаний - 22%; количество дополнительных обкаток составило 65,1%; некоторые агрегаты проходили обкатку 2-3 раза. При этом гидропривод ГП25 проходил обкатку 3 раза, а насос НП123 - 4 раза.

Это показывает актуальность исследования процесса трения и изнашивания узлов трения агрегатов гидравлических систем авиационной техники при смешанной смазке, разработки технических решений и практических рекомендаций по обеспечению их работоспособности при действии высоких механических и тепловых нагрузок, что позволит получить общенаучный и практический подход к решению проблемы обеспечения работоспособности других механических и тепловых систем транспортной техники.

Работа соответствует Приоритетным направлениям развития науки, технологий и техники Российской Федерации (2006г.) по направлению Транспортные, авиационные и космические системы и направлена на развитие технологий, входящих в Перечень критических технологий Российской Федерации (2006г.) по направлениям: Технологии создания новых поколений ракетно-космической, авиационной и морской техники, Технологии создания энергоэффективных двигателей и движителей для транспортных систем.

Объектом исследования в данной работе являются агрегаты (насосы, насосные станции, гидромоторы, гидроприводы) гидравлических систем авиационной техники.

Предметом исследования служат пары трения скольжения агрегатов гидравлических систем авиационной техники.

Цель работы. Целью диссертационной работы является разработка технических решений и практических рекомендаций по работоспособности узлов трения агрегатов гидравлических систем авиационной техники при действии высоких механических и тепловых нагрузок на основе исследования изнашивания металлических материалов в условиях смешанной смазки  при использовании в качестве смазочных материалов рабочих жидкостей гидравлических систем.

Задачи исследования. Исходя из поставленной цели, в работе были сформулированы и решены следующие основные задачи диссертационного исследования:

• провести анализ современных представлений о природе трения и изнашивания металлических материалов при трении скольжения в условиях смешанной смазки;
• разработать методы исследования трения и изнашивания металлических материалов при трении скольжения в условиях смешанной смазки;
• выполнить экспериментальное исследование трения и изнашивания металлических материалов при трении скольжения в условиях смешанной смазки;
• провести исследование температуры поверхности трения при смешанной смазке;
• разработать физические представления о трении и изнашивании при смешанной смазке;
• разработать научные основы управления трением и изнашиванием металлических материалов при смешанной смазке;
• разработать технические решения и практические рекомендации по работоспособности узлов трения агрегатов гидравлических систем авиационной техники при действии высоких механических и тепловых нагрузок, а также осуществить внедрение результатов исследований в промышленное производство.

Положения, выносимые на защиту:

1. Методы исследования трения и изнашивания металлических материалов при трении скольжения в условиях смешанной смазки в узлах трения агрегатов гидравлических систем авиационной техники.
2. Результаты экспериментального исследования трения и изнашивания металлических материалов при трении скольжения в условиях смешанной смазки в узлах трения агрегатов гидравлических систем авиационной техники.
3. Результаты исследования температуры поверхности трения при смешанной смазке в узлах трения агрегатов гидравлических систем авиационной техники.
4. Физические представления о процессе трения и изнашивания при смешанной смазке в узлах трения агрегатов гидравлических систем авиационной техники.
5. Научные основы управления процессом трения и изнашивания металлических материалов при смешанной смазке в узлах трения агрегатов гидравлических систем авиационной техники.
6. Технические решения и практические рекомендации по работоспособности узлов трения агрегатов гидравлических систем авиационной техники при действии предельных механических и тепловых нагрузок.

Научная новизна полученных результатов заключается в том, что:

1. Разработан экспериментальный метод определения предельных значений удельной нагрузки, скорости скольжения и толщины смазочного слоя в паре трения при смешанной смазке. Для его реализации создана установка для испытаний материалов на трение и износ.
2. Разработан алгоритм расчёта предельных значений удельной нагрузки и скорости скольжения пар трения по изменению коэффициента трения с учётом толщины смазочного слоя.
3. Разработана методика экспериментальной оценки температуры поверхности трения при смешанной смазке с учётом толщины смазочного слоя в паре трения.
4. Разработан алгоритм расчёта разности температур в стыке торцевой пары трения, который в сочетании с алгоритмом расчёта предельных значений удельной нагрузки и скорости скольжения повышает эффективность подбора материалов для пар трения агрегатов гидравлических систем авиационной техники и позволяет прогнозировать их работоспособность в области высоких удельных нагрузок и скоростей скольжения с учётом применяемого смазочного материала.
5. Предложены критерии оценки износостойкости пар трения со смазочным материалом: критерий РпрV, характеристики механических свойств (твёрдость, предел прочности, относительное удлинение) и соотношение твердостей стали и бронзы.
6. Сформулированы основные физические представления о процессе трения и изнашивании при смешанной смазке в узлах трения агрегатов гидравлических систем авиационной техники.
7. Разработаны научные принципы управления процессом трения и изнашивания  в узлах трения агрегатов гидравлических систем авиационной техники и способы их решения.
8. Получены следующие новые научные результаты:
• установлены для условий смешанной смазки закономерности изменения коэффициента трения, скорости изнашивания, сопротивления сдвигу, температуры, удельного теплового потока от удельной нагрузки, скорости скольжения и толщины смазочного слоя;
• установлено влияние содержания воздуха в смазочном материале на коэффициент трения и сопротивление сдвигу;
• показано, что одной из важных характеристик пары трения является сопротивление сдвигу;
• выявлены закономерности внешнесилового воздействия на процесс трения и изнашивания металлических материалов в условиях смешанной смазки;
• установлено явление трибомутации при комплексной термохимической обработке поверхностей трения смазочным материалом и механическим нагружением: до начала механического нагружения нужно создать смазочную плёнку на поверхностях трения за счёт использования теплоты смазочного материала и активизации физико-химических процессов на поверхностях трения;
• установлено, что приработка материалов пары трения в условиях смешанной смазки наиболее эффективно происходит при двух режимах внешнесилового воздействия:

• при постоянной скорости скольжения и росте удельной нагрузки с одновременным регулированием фрикционного тепловыделения циклическим нагружением пары трения;
• в режиме запуска;

• установлена оптимальная равновесная эксплуатационная шероховатость поверхностей трения для условий смешанной смазки в узлах трения агрегатов гидравлических систем авиационной техники и показана взаимосвязь шероховатости поверхности, трения и изнашивания;
• установлены начальные условия переноса бронзы на поверхность стали в узлах трения агрегатов гидравлических систем авиационной техники;
• установлено, что избирательный перенос в узлах трения агрегатов при заданных режимах нагружения и применяемых смазочных материалах отсутствует;
• установлено влияние режимов нагружения и вида смазочного материала на твёрдость поверхностей трения в узлах трения агрегатов гидравлических систем авиационной техники и выяснено физическое состояние смазочной плёнки в процессе работы пары трения;
• выявлена связь коэффициента трения пары сталь-бронза с механическими свойствами бронзы и соотношением твердостей стали и бронзы в узлах трения агрегатов гидравлических систем авиационной техники;
• получена связь предельных значений коэффициента трения, температуры поверхности трения и коэффициента взаимного перекрытия с предельной удельной нагрузкой, определяющей при фиксированной скорости скольжения границы схватывания материалов в узлах трения агрегатов гидравлических систем авиационной техники;
• подтверждена  - для условий смешанной смазки в узлах трения агрегатов гидравлических систем авиационной техники - гипотеза о решающем влиянии температуры на работоспособность пары трения, для которой предельные значения удельной нагрузки и скорости скольжения непосредственно связаны с температурами вспышки, поверхности трения и смазочного материала на входе в узел трения;
• установлена взаимосвязь изменения коэффициента трения и линейного износа при смешанной смазке в узлах трения агрегатов гидравлических систем авиационной техники.
9. На основе полученных результатов разработаны:

• научно-обоснованные технические решения и практические рекомендации по обеспечению работоспособности и ресурса пар трения в условиях смешанной смазки при высоких уровнях механической и тепловой нагрузок в агрегатах авиационной техники;
• практические рекомендации по техобслуживанию колёсной строительной и дорожной техники.

Научная значимость работы заключается в решении проблемы обеспечения работоспособности узлов трения агрегатов гидравлических систем авиационной техники при действии высоких механических и тепловых нагрузок.

ичный вклад автора в разработку проблемы. Автором осуществлены: научное обоснование работы, разработка методов исследования изнашивания металлических материалов при трении в условиях смешанной смазки, экспериментальное исследование изнашивания металлических материалов при трении в условиях смешанной смазки, исследование температуры поверхности трения при смешанной смазке, анализ и обобщение результатов исследований, разработка физических представлений о процессе трения и изнашивания при смешанной смазке, разработка научных основ управления процессом трения и изнашивания металлических материалов при смешанной смазке, разработка и внедрение технических решений и практических рекомендаций по работоспособности узлов трения агрегатов гидравлических систем авиационной техники.

Методы и средства исследований включают анализ источников научно-технической информации, постановку и проведение теоретических и экспериментальных исследований, базирующихся на применении основных положений трибологии, гидравлики, математической обработки результатов эксперимента.

Экспериментальные исследования выполнены:

• на разработанной установке для испытаний материалов на трение и износ;
• на основе разработанной методики экспериментальной оценки температуры поверхности трения пары сталь-бронза с учётом толщины смазочного слоя в паре трения.

Достоверность результатов обеспечивается корректностью постановки задач исследования, обоснованностью принятых допущений и ограничений, подтверждается достаточным объёмом и сходимостью результатов экспериментальных исследований и расчётов, а также положительным опытом применения экспериментальных данных и разработанных методов расчёта в практике проектирования и стендовой отработки агрегатов.

Практическая ценность работы заключается:

• в разработанном экспериментальном методе исследования изнашивания металлических материалов при трении скольжения в условиях смешанной смазки;
• в алгоритме расчёта предельных значений удельной нагрузки и скорости скольжения пар трения по изменению коэффициента трения с учётом толщины смазочного слоя;
• в алгоритме расчёта разности температур в стыке торцевой пары трения;
• в методике экспериментальной оценки температуры поверхности трения пары сталь-бронза с учётом толщины смазочного слоя в паре трения;
• в номограммах взаимосвязи предельных значений удельной нагрузки Рпр, скорости скольжения V и толщины смазочного слоя Н в паре трения, позволяющих по критерию РпрV определить условия перехода к режимам схватывания и переноса бронзы на поверхность стали с учётом реально существующего в паре трения значения толщины смазочного слоя Н.
• в рекомендациях:

• по обеспечению работоспособности и ресурса пар трения со смазкой при высоких уровнях механической и тепловой нагрузок в агрегатах авиационной техники;
• по техническому обслуживанию колёсной наземной строительной и дорожной техники;

• в разработанной и запатентованной оригинальной конструкции установки для испытаний материалов на трение и износ;
• в разработанных и запатентованных способах управления процессом изнашивания при трении в условиях смешанной смазки в узлах трения агрегатов гидравлических систем авиационной техники.

Реализация работы. Результаты работы внедрены и используются:

• в ОАО Авиационная Корпорация Рубин при разработке:

• основных направлений гидравлических машин (ГМ) - насосов, насосных станций, гидромоторов, гидроприводов - авиационной техники;
• новых образцов ГМ, модернизации существующих ГМ и их составных частей, а также технических заданий, по которым выполняются опытно-конструкторские работы;
• программ и методик испытаний новых (модернизации) образцов ГМ и их составных частей;

• в ОАО л345 механический завод при техническом обслуживании колёсной строительной и дорожной техники.

Апробация работы. Научные положения и основные результаты исследований докладывались и обсуждались на симпозиуме и научно-технических конференциях: Триботехника - машиностроению (Москва, 1987), на VII Международной научно - практической конференции Фундаментальные и прикладные проблемы приборостроения, информатики, экономики и права (Сочи, 2004), на Международной научно - технической конференции Полимерные композиты и трибология (Гомель, 2005), на VI Международном Симпозиуме по фрикционным изделиям и материалам Ярофри - 2006 (Ярославль, 2006), на Международной научно-практической конференции Фундаментальные проблемы и современные технологии в машиностроении (Москва, 2010), на заседании научного семинара Лаборатории трибологии Института проблем механики им. А.Ю. Ишлинского (2009.), на заседании научного семинара Кафедры ТИ-1 Технологическая информатика и технология машиностроения Московского государственного университета приборостроения и информатики (2010), на VIII Международном Симпозиуме по фрикционным изделиям и материалам Ярофри - 2010 (Ярославль, 2010).

Публикации. Основное содержание диссертации опубликовано в 44 научных работах, в том числе  2 монографии, 15 статей в журналах, включённых в перечень ВАК РФ.

Структура и объём. Диссертационная работа состоит из введения, шести глав, выводов, списка литературы из 172 наименований, приложений. Основная часть работы содержит 417страниц текста, 150 рисунков, 11таблиц.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

       Во введении обоснована актуальность работы, которая определяется ее направленностью на решение вопросов обеспечения работоспособности и ресурса пар трения со смазкой при высоких уровнях механической и тепловой нагрузок в агрегатах авиационной техники, развитие которой относится к приоритетным государственным задачам России. Определена цель и сформулированы задачи исследования, изложены научная новизна и практическая ценность работы, положения, выносимые на защиту.

       В первой главе на основе литературных данных и результатов эксплуатации проанализирован режим смазки в узлах трения агрегатов гидравлических систем авиационной техники, рассмотрены особенности трения и изнашивания металлических материалов в присутствии смазочного материала.

Анализ показал, что повышенная маневренность авиационной техники обусловливает высокофорсированные режимы нагружения агрегатов (насосов, насосных станций, гидромоторов, гидроприводов) гидросистем по давлению рабочей жидкости  и частоте вращения вала и, как следствие, приводит:

1. К возникновению высоких динамических удельных нагрузок на  пары трения (блок цилиндров - распределительный золотник, башмак - наклонная шайба, торцевые уплотнения, работоспособностью которых определяется надёжность агрегатов).

2. К быстрой смене контактных взаимодействий.

3. К образованию в парах трения клиновидного зазора из-за нарушения в них перпендикулярности поверхностей контакта к оси вращения, наличия торцевого биения и динамической неуравновешенности вращающихся частей и, как следствие, к реализации режима смешанной смазки, при которой нагрузка частично воспринимается смазочной плёнкой (гидродинамическая смазка) и частично микронеровностями поверхностей контакта сопряжённых деталей (граничная смазка). При этом виде смазки важное значение приобретают объёмная характеристика смазочного материала - его вязкость, так и способность смазочного материала создавать на поверхностях трения прочные граничные слои.

4. К неравномерности локального износа сопряжённых поверхностей, что приводит к потере герметичности пар трения, образованию сложной картины трения между ними. Дополнительный вклад в износ пар трения вносят частицы загрязнителя, попадающие в клиновидный зазор в момент пуска и резкого заброса давления и превышающие при этом величину клиновидного зазора.

Наблюдаемые в эксплуатации отказы агрегатов, их сходы со стендовых испытаний и обкатки по парам трения дают основание считать, что при трении в условиях смешанной смазки в зависимости от режимов нагружения имеют место элементы трения:

а) без смазочного материала (сухое трение); б) при граничной смазке; в) при гидродинамической смазке.

Трение при смешанной смазке наиболее полно отражает процессы, происходящие в паре трения; является неустойчивым и при повышении нагрузки переходит в трение при граничной смазке.

Поэтому работу пар трения скольжения целесообразно рассматривать при смешанной смазке двух типов:

а) первый тип: включает трение при гидродинамической смазке и граничной смазке;

б) второй тип: включает трение при граничной смазке и трение без смазочного материала (сухое трение).

Введение двух типов трения при смешанной смазке даёт возможность описать поведение пар трения скольжения в зоне, находящейся слева от минимума кривой Герси-Штрибека.

В этом случае трение при граничной смазке является основой для объяснения поведения узла трения при смешанной смазке. Выявление присущих граничной смазке закономерностей позволяет описать поведение узлов трения при смешанной смазке.

На текущий момент времени трение при смешанной смазке является малоизученной областью трибологии. Известна работа В.В. Харламова, в которой излагаются основные положения теории трения при смешанной смазке, суть которой сводится к описанию взаимодействия поверхностей трения на площадях фактического контакта (ПФК) в опорах скольжения и движения жидкой смазки между ПФК с позиций теории фильтрации жидкостей в пористых средах.

Трение при смешанной смазке является наиболее сложным с точки зрения описания физики процесса и его моделирования. Поэтому можно сделать вывод, что  создание экспериментальной модели исследования трения при смешанной смазке в узлах трения агрегатов с последующей разработкой  физических основ теории смешанной смазки и практических рекомендаций применительно к узлам трения агрегатов гидросистем авиационной техники является актуальной задачей.

Анализ трения и изнашивания металлических материалов в присутствии смазочного материала показал, что в зависимостях коэффициента трения и скорости изнашивания от удельной нагрузки и скорости скольжения, сочетания свойств материалов трения и смазочного материала прослеживаются три области работы пары трения: области повреждаемости при малых и высоких нагрузках и стационарная область с минимальным трением и изнашиванием (область нормального трения и изнашивания); выявляется тенденция к взаимосвязи между трением и изнашиванием.

При этом объём и уровень знаний о силовом воздействии и условиях испытания на трение и изнашивание твёрдых тел в условиях смешанной смазки минимален и не позволяет более полно судить о поведении трибосистемы в процессе эксплуатации, при которой поверхностный слой деталей машин и смазочный материал подвергаются динамическим воздействиям, приводящим к упругопластическим деформациям, генерированию теплоты трения, нарушению динамического равновесия между разрушением и восстановлением смазочной плёнки на поверхностях трения, повреждаемости материалов трения.

Анализ работ К. Джонсона, А.Ю. Ишлинского, Ф. Кеннеди, Ф. Линге, А.В. Чичинадзе показал, что имеется ещё один немаловажный, но очень малоизученный аспект воздействия теплоты трения на элементы пары трения, который заключается в нарушении термоупругой стабильности контакта (макроконтакта). Неравномерный нагрев по толщине может привести к тепловым деформациям элементов пары трения - выпучиванию отдельных участков поверхности. В результате чего контакт поверхностей будет осуществляться по вершинам отдельных термических неровностей, даже если в исходном (приработанном) состоянии контактирующие поверхности были плоскими.

Ухудшение условий контактирования, концентрация нагрузки, тепловыделения в зонах контакта термически деформированных поверхностей приводит к росту напряжений и износа, дальнейшему росту температуры и к существенному ухудшению работоспособности узлов трения.

Следует отметить, что для трения при смешанной смазке исследование температурного поля остается проблематичной, так как имеют место трудности технического замера температур, возникающих в местах контакта, в которых смазка присутствует  в небольших количествах. Поэтому исследования в области температуры трения являются в настоящей работе одним из основных направлений для получения закономерностей, способствующих повышению долговечности поверхностей трения.

При этом отсутствие данных о влиянии коэффициента взаимного перекрытия на работоспособность узлов трения агрегатов гидравлических систем авиационной техники  также осложняет прогнозирование их долговечности с учётом температуры поверхности трения. Поэтому наряду с оценкой температуры поверхности трения целесообразно выяснить влияние на неё коэффициента взаимного перекрытия пар трения.

Анализ работ И.В. Крагельского, Н.Б. Дёмкина, В.С. Комбалова, А.А. Маталина, Э.В. Рыжова, П.И. Ящерицына показал, что одним из основных факторов, определяющих изнаншивание пар трения, является шероховатость их поверхностей. Исходная шероховатость поверхностей, близкая к оптимальнной равновесной эксплуатационной шероховатости, уменьшает износ, температуру на поверхности трения и коэффициент трения. Этой шероховатости соотнветствует минимум коэффициента трения и величины износа. Если такую шероховатость получить на поверхности в процеснсе механической обработки, то величина износа и длительность приработки поверхностей трения будут минимальными. В этой связи следует отметить, что вопрос об оптимальной равновесной эксплуатационной шероховатости при трении в условиях смешанной смазки для узлов трения агрегатов не решен и является весьма актуальным.

Анализ работ А.Д. Дубинина, В.Д. Кузнецова, И.В. Крагельского, Б.И. Костецкого, А.В. Чичинадзе, Г.М. Сорокина показывает, что явления трения и изнашивания взаимно обусловлены: трение приводит к изнашиванию, а изнашивание поверхностей деталей в ходе работы приводит к изменению трения. Изнашивание поверхностей деталей возникает под действием трения и зависит от материалов пары трения, качества обработки их поверхностей, нагрузки, скорости относительного перемещения поверхностей, их температур и, пожалуй, самое важное - от качества и количества смазочного материала.

Анализируя диаграмму изнашивания Лоренца, можно заметить, что целесообразно создавать такие условия изнашивания, которые позволили бы сократить продолжительность этапа приработки, что можно достичь специальными технологическими мероприятиями, и естественно продлить зону установившегося режима изнашивания.

Анализ принципов выбора смазочных материалов на современном этапе позволил установить, что основными критериями при выборе смазочного материала являются: конструкция узла трения, режим работы (нагрузка, скорость скольжения, температура), особенности рабочего и технологического процесса, удобства смазки, требования надёжности, параметры внешней среды (температура воздуха, его влажность, запылённость, наличие агрессивных газов), экономические факторы, профессиональность обслуживающего состава.

Исследования С.Г. Арабяна, А.Б. Виппера, И.А. Холомонова, М.А. Григорьева, Б.М. Бунакова, В.А. Долецкого, В.А. Рокшевского, Н.З. Савченко, В.А. Сомова, Г.Ф. Беногу, Ю.Л. Шепельского, Б.Н. Шафаренко показали, что наличие в смазочном материале воздуха (растворённого, и особенно нерастворённого) и воды снижает срок его службы и эксплуатационные свойства машин. В смазочном материале активизируются процессы трения и износа за счёт снижения антиизносных и антикоррозионных свойств, что приводит к значительному износу деталей и преждевременному выходу их из строя. Пузырьки воздуха увеличивают вязкость смазочного материала, что ухудшает его смазочные свойства и приводит в процессе работы пары трения к разрыву сплошности смазочной плёнки. Происходит схватывание материалов трения.

Анализ влияния содержания воздуха и воды на работу пар трения показывает актуальность этой проблемы и необходимость постановки исследований с целью снижения содержания воздуха и воды в смазочном материале.

Выполненный обзор опубликованных работ по тематике трения и изнашивания металлических материалов при смешанной смазке позволил сформулировать научные предпосылки для исследования изнашивания узлов трения агрегатов в условиях смешанной смазки. 

Во второй главе представлены методы исследования изнашивания металлических материалов при трении в условиях смешанной смазки:

- экспериментальный метод определения предельных значений удельной нагрузки, скорости скольжения и толщины смазочного слоя в паре трения;

- алгоритм расчёта предельных значений удельной нагрузки и скорости скольжения пар трения по изменению коэффициента трения с учётом толщины смазочного слоя в паре трения.

При разработке экспериментального метода определения предельных значений удельной нагрузки, скорости скольжения и толщины смазочного слоя в паре трения, превышение которых вызывает перенос и схватывание материалов трения, основная задача состояла в проектировании и изготовлении машины трения, с помощью которой можно было воспроизводить возникновение клиновидного зазора между поверхностями трения с учётом условий работы пар трения (блок цилиндров - распределительный золотник, башмак - наклонная шайба, торцевые уплотнения) агрегатов гидравлических систем авиационной техники.

В итоге для реализации метода создана установка для испытаний материалов на трение и износ (патент РФ № 1711572), на которой выполнены экспериментальные исследования работы пар трения.

Применяемая на машине трения система ориентирования пяты 3 на жидкостной подушке имеет принципиальную особенность, состоящую в том, что с повышением скорости скольжения образца 1 пята 3 из-за наличия сил инерции не успевает отслеживать торцевое биение вращающегося образца 1 и между поверхностями трения образуется клиновидный зазор Н, увеличивающийся с ростом частоты вращения и уменьшающийся с ростом удельной нагрузки на пару трения.

Если частота возмущений намного меньше собственной частоты колебаний пяты 3, то пята отслеживает торцевое биение с минимальным фазовым запаздыванием. При увеличении пята 3 не успевает за вращающимся образцом и занимает положение, показанное на рис. 1.

При отсутствии сил инерции и действии периодической возмущающей силы критическая частота безотрывной работы определяется из соотношения

(1)

где 0 - собственная частота колебаний системы ориентирования; Хпр - величина предварительного поджатия пяты, обеспечивающего заданную величину зазора С; А - амплитуда перемещения верхнего образца.

Отсюда видно, что с увеличением величины предварительного поджатия пяты или снижением величины торцевого биения граница безотрывной работы пяты сдвигается в зону более высоких частот вращения и наоборот.

Анализируя в этой связи работу пар трения (блок цилиндров - распределительный золотник, башмак - наклонная шайба, торцевые уплотнения) агрегатов гидравлических систем авиационной техники следует отметить, что условия их работы достаточно удовлетворительно воспроизводятся на машине трения.

Наличие на машине трения системы автоматической разгрузки образцов позволяет исключить повреждение поверхностей скольжения при переходе к предельным режимам работы и многократно использовать пары трения, что существенно повышает точность эксперимента, исключая переборки, доводку и замену пар трения.

Для оценки влияния содержания воздуха в гидравлической жидкости на трение и изнашивание пар трения подвод воздуха в линию подачи гидравлической жидкости в узел трения осуществляли от воздушной сети низкого давления. Контроль расхода воздуха в линии подвода воздуха выполняли газовым счётчиком барабанного типа, а контроль расхода жидкости в линии подачи гидравлической жидкости в узел трения - датчиком ТДР-3.

Для исследования трения и изнашивания пар трения  разработаны и применены схемы силового взаимодействия образцов трения.

В бронзовых образцах устанавливали термопару для измерения температуры поверхности трения. Диаметр спая термопары, как и расстояние  от его центра до поверхности трения составляло 0,5мм. Термопарой, укрепленной в узле трения, дополнительно регистрировали температуру смазочного материала, окружающего образцы трения.

Толщину Н смазочного слоя в паре трения определяли как разность между средними за период значениями Н при исходной скорости и скорости, равной нулю. С этой целью сигнал от индуктивного датчика, установленного между образцами трения и фиксирующего зазор между ними, выводили также на электронно-лучевой осциллограф и регистрировали мгновенные значения зазора в паре трения. Для фиксации момента V=0 на осциллограф был выведен также сигнал от преобразователя частоты вращения ПЧ-2.

Для оценки предельных значений Рпр. удельных нагрузок при заданной скорости скольжения и предельных значений Нпр толщины смазочного слоя в паре трения разработана методика проведения эксперимента, анализа и обработки экспериментальных данных. В процессе эксперимента при определении предельных значений Рпр. удельных нагрузок при заданной скорости скольжения нормальную нагрузку на пару трения увеличивали последовательно до резкого возрастания момента трения и срабатывания автоматической системы разгрузки пары трения.

  Математическая обработка результатов эксперимента позволила установить, что для обеспечения достоверности и надежности измеряемых значений температуры, линейного износа и коэффициента трения при доверительной вероятности 0,95 необходимое и достаточное количество экспериментов n = 3.

В процессе исследования изнашивания были изучены, применяемые  в агрегатах, сочетания материалов пары трения сталь-бронза при их работе в  смазочных материалах, которыми являются гидравлические (рабочие) жидкости гидросистем. При назначении режимов нагружения исходили из реальных нагрузок  и скоростей скольжения, которые имеют место при работе агрегатов.

В процессе испытаний коэффициент трения с увеличением удельной нагрузки на пару трения при фиксированной скорости скольжения снижался, затем имел область с минимальным трением и изнашиванием (область нормального трения) и при достижении предельных значений удельной нагрузки резко увеличивался, что соответствовало предельному значению коэффициента трения и началу схватывания материалов пары трения.

Несмотря на отличие условий эксперимента (метода, материалов, машин трения, смазочных сред и т.д.), получаемая зависимость коэффициента трения от удельной нагрузки на пару трения при фиксированной скорости скольжения по характеру изменения совпадала с классическими зависимостями коэффициента трения от удельной нагрузки, но её принципиальным отличием от них является то, что она учитывает толщину смазочного слоя в паре трения. Это позволило в процессе эксперимента по испытанию пар трения при смешанной смазке установить предельные значения удельной нагрузки Рпр при фиксированной скорости скольжения по изменению коэффициента трения с учётом толщины Н смазочного слоя в паре трения.

Экспериментальные исследования работы пар трения скольжения при смешанной смазке, выполненные на машине трения, показали, что рост коэффициента трения приводит к схватыванию пары трения. Увеличение коэффициента трения начинается при достижении предельного значения скорости скольжения при данной нагрузке или предельного значения нагрузки при данной скорости скольжения, при которых прекращается образование устойчивой смазочной плёнки. Происходит обнажение ювенильных микроучастков контактирующих поверхностей, обладающих высокой склонностью к адгезии, непосредственное соприкосновение которых приводит к неустойчивости сил трения и, как следствие, к переносу бронзы на поверхность стали и схватыванию. Значительное влияние на протекание физико-химических процессов в зоне трения оказывает повышение температуры, возникающее из-за трения и увеличивающееся с ростом нагрузки и скорости скольжения. В зоне непосредственного контакта развиваются высокие контактные температуры, превосходящие температурный порог применимости смазочного материала. При его превышении в зоне контакта начинается деструкция смазочного материала, и он теряет способность препятствовать металлическому контакту поверхностей трения. Коэффициент трения в начальный период работы пары трения с ростом нагрузки или скорости скольжения снижается, затем имеет область стационарного изменения с минимальным трением и изнашиванием (область нормального трения) и при достижении предельных значений нагрузки или скорости скольжения, резко увеличивается.

Анализ зависимости предельного значения fпр коэффициента трения от  Рпр и V показал, что характер её изменения аналогичен получаемым впоследствии зависимостям РпрV при Нпр = const (где Нпр - предельная толщина смазочного слоя в паре трения). Таким образом, итоговая зависимость РпрV при Нпр = const  представляет зависимость коэффициента трения от Рпр и  V, изменение которого учитывается при определении Рпр при фиксированной скорости скольжения.

Для получения обобщенной критериальной зависимости РпрV при Нпр=const необходимо иметь несколько зависимостей  Рпр = f(V) и Нпр = f(V) при разных величинах торцевых биений в паре трения. Эти зависимости были получены в эксперименте и позволили построить искомые зависимости РпрV при постоянных значениях зазора Нпр. В этом случае  достаточно для полученных при различных торцевых биениях зависимостей Нпр=f(V) провести линии Нпр = const и в точках пересечения с зависимостью  Нпр=f(V) найти соответствующие этим значениям значения Рпр.

Поясним это положение на следующем примере (рис. 2). Для получения критериальной зависимости РпрV при Нпр = const, например, при  Н = 2 мкм, проводим линию Нпр = 2 мкм до пересечения с зависимостями Нпр=f(V).

Из точек пересечения восстанавливаем линии, перпендикулярные Нпр = const. Эти линии проводим до пересечения с зависимостями Рпр= f(V). Поскольку зависимости Рпр= f(V) и Нпр=f(V) получены при различных значениях торцевых биений, то перпендикулярные линии из точек пересечения зависимостей Нпр=f(V) проводим к зависимостям Рпр= f(V), учитывая торцевые биения, при которых определены зависимости  Рпр= f(V) и Нпр=f(V). Например, зависимости 1 и 4 на рис. 2 получены при = 60 мкм. Для нахождения  Рпр при Нпр = const проводим линию из точки пересечения зависимостей Нпр = const и Нпр=f(V) - это линия 1, до пересечения с зависимостью Рпр= f(V) - линия 4. В точке пересечения находим значение Рпр, соответствующее Нпр = const. Аналогичным образом проводим линии из точек пересечения зависимостей Нпр = const и Нпр=f(V) - линии 2,3 до пересечения соответственно с линиями 5,6 зависимости Рпр= f(V). В результате в точках пересечения получаем значения критериального комплекса РпрV.

Определяем среднее значение критериального комплекса РпрV и строим кривую 8 (см. рис. 2), определяющую границу работоспособности пары трения при постоянном зазоре Нпр = 2 мкм.

В итоге аналогичных построений зависимостей РпрV при Нпр = const получены номограммы для определения границ работоспособности пар трения по критерию РпрV  при Нпр = const (рис. 2, 3).

Номограммы позволяют оценить режимы работы пар трения агрегатов, при которых во время работы происходит их схватывание, и дают ориентацию при назначении оптимальных режимов приработки (обкатки) пар трения по допустимой скорости роста нагрузки в процессе приработки, показывают возможность регулирования фрикционного тепловыделения в процессе приработки пар трения и снижения вероятности их схватывания.

Для пояснения номограмм рассмотрим пример пользования ими для пары трения "блок цилиндров - распределительный золотник" с коэффициентом взаимного перекрытия, равным 0,8. Пусть имеются гидромашины, у которых для указанной пары трения значения критериального комплекса РпрV равны 24 и 35 МПа м/с. Поскольку рассматриваем случай с Квз=0,8, то обратимся к результатам, приведенным на рис. 3.

Из них следует, что предельные значения  критериального комплекса РпрV составляют 26 МПа м/с при Нпр=0,5 мкм и 60 МПа м/с при Нпр=0,75 мкм (кривые 5 и 6 соответственно). Сравнивая их со значениями, равными 24 и 35 МПа м/с, приходим к выводу, что нормальная работа материалов этой пары для гидромашины, у которой РудV = 24 МПа м/с, будет обеспечиваться до РпрV = 26 МПа м/с при Нпр=0,5 мкм, а для гидромашины  с РудV = 35 МПа м/с - до РпрV = 60 МПа м/с при Нпр=0,75 мкм, т.е. анализ пар трения по критерию РпрV позволил определить условия их перехода к режимам схватывания и переноса с учётом реально существующего в паре трения зазора Н, от величины которого зависит расход перетечек по зазору пары трения и, как следствие, степень охлаждения зоны контакта.

Анализ номограмм (рис. 2, 3) показал, что на значения критериального комплекса РпрV оказывают влияние: а) толщина смазочного слоя в паре трения; б) коэффициент взаимного перекрытия, увеличение которого снижает предельные значения критерия РпрV. 

В процессе эксперимента получены номограммы сравнительной экспресс - оценки материалов пар трения по критериальному комплексу РпрV при одном торцевом биении. Одна из них представлена на рис. 4.

Её анализ показывает, что из исследованных пар трения лучший критериальный комплекс РпрV в жидкости 7-50с-3 имеет пара  30Х3ВА - БрОСН 10-2-3, а в жидкости АМГ-10 - пара ШХ -15 - БрОСН 10-2-3, что обусловлено избирательной активностью жидкостей к поверхностям трения контактирующих материалов и повышением  Нпр с увеличением скорости скольжения (рис. 5). Рост величины Нпр приводит к улучшению смазки поверхностей скольжения и смещению границ схватывания в область больших значений Рпр. Наряду с относительной скоростью скольжения значительное влияние на величину Н оказывает удельная нагрузка. Её повышение при постоянной скорости скольжения приводит к снижению Н, что подтверждается результатами эксперимента (см. рис. 5).

Таким образом, разработан экспериментальный метод оценки материалов торцевых пар трения по критериальному комплексу РпрV. Установлено, что численные значения этого комплекса зависят от коэффициента взаимного перекрытия и смазочного зазора в паре трения, величина которого возрастает с увеличением торцевого биения, скорости скольжения и уменьшается с ростом удельной нагрузки.

Установлен характер связи критериального комплекса РпрV и зазора Н с областями, в которых схватывание материалов пар трения отсутствует. Подтверждена целесообразность использования критериального комплекса для режимов трения при смешанной смазке в широком диапазоне скоростей скольжения и удельных нагрузок, а также показана возможность сравнительной экспресс - оценки пар трения на его основе.

Выполненные исследования позволили понять физическую сущность явлений, протекающих в контактной зоне трения, выявить факторы и причины, приводящие к схватыванию поверхностей контакта, установить характер изменения коэффициента трения с учётом толщины смазочного слоя в паре трения и сделать вывод о возможности определения предельных значений нагрузки и скорости скольжения расчётным путём по изменению коэффициента трения для условий трения при смешанной смазке.

В основу физической модели трения при смешанной смазке при разработке алгоритма расчёта было положено:

• представление о дискретности контакта двух сопряжённых металлических поверхностей;
• контактные поверхности представляют набор сферических выступов заданного радиуса. Причём, соседние выступы одной поверхности расположены достаточно далеко один от другого и не взаимодействуют друг с другом;
• решающее влияние на режим трения температуры, нагрузки, скорости скольжения и коэффициента взаимного перекрытия пары трения.

При этом учитывали особенность работы системы ориентирования на машине трения, состоящую в том, что при изменении режимного фактора (Руд и V) в паре трения изменяется смазочный зазор Н, определяющий степень охлаждения контактной зоны трения.

С учётом принятой физической модели трения при смешанной смазке разработан алгоритм расчёта предельных значений удельной нагрузки и скорости скольжения по изменению коэффициента трения с учётом толщины смазочного слоя в паре трения. В основу алгоритма расчёта положено уравнение для оценки коэффициента трения, полученное А.Д. Дубининым и уточнённое нами при разработке алгоритма расчёта.

В итоге алгоритм расчёта предельных значений удельной нагрузки и скорости скольжения по изменению коэффициента трения с учётом толщины смазочного слоя в паре трения включает следующие соотношения:

    (3)

где: , 

   

 

 

В уравнении (3): Sтр - площадь трения; Е1 и Е2 - модули упругости материалов пары трения; G1 и G2 - модули сдвига материалов пары трения; К - коэффициент соотношения между нормальной и касательной удельными нагрузками в паре трения; Тf -температура гидравлической жидкости; J - механический эквивалент теплоты; тп - коэффициент распределения тепловых потоков между материалами пары трения через разделяющую смазочную плёнку; - коэффициент теплоотдачи между гидравлической жидкостью и материалами пары трения; U - периметр сечения трущегося тела, участвующего в теплообмене с окружающей средой; f - коэффициент теплопроводности гидравлической жидкости; 1 - шаг микронеровностей; 1 - удельный вес; а1-коэффициент температуропроводности; 0 - сопротивление сдвигу; - пьезокоэффициент; 1 - коэффициент Пуассона; НВ1 - твёрдость; t - продолжительность работы пары трения; - торцевое биение в паре трения: Кn - коэффициент, зависящий от термоэлектронных процессов, возникающих при трении и характеризует относительную величину тепловой энергии, рассеиваемую непосредственно микрообъёмами поверхностного слоя в результате термоэлектронных и термоионных эмиссий, термодиффузии, структурных превращений и других явлений и представляет собой произведение коэффициентов, учитывающих влияние удельного давления Kp и скорости скольжения КV:

 

  (4)

 

Оценка коэффициента распределения тепловых потоков с учётом изменения Квз выполняется по соотношению А.В. Чичинадзе:

  , (5)

где i, ci, i - теплофизические свойства материалов пары трения.

Для многослойной структуры металл - смазочная плёнка - металл определяются приведенные теплофизические свойства с учётом эффективной глубины проникновения теплоты за период трения.

В свою очередь коэффициент теплоотдачи между гидравлической жидкостью и материалами пары трения:

  (6)

где:  Nu - критерий Нуссельта; d - диаметр трубопровода, подводящего гидравлическую жидкость к узлу трения.

В зависимости от режима течения жидкости критерий Нуссельта определяется по соответствующим формулам:

а) для ламинарного течения жидкости

    (7)

б) для турбулентного течения жидкости

(8)

В уравнениях (7), (8): Re - критерий Рейнольдса; Pr - критерий Прандтля; Gr - критерий Грасгофа; f - индекс для жидкости: - индекс для материала трения.

При этом:

- критерий Рейнольдса (9)

где: - средняя скорость движения жидкости; - плотность жидкости.

- критерий Прандтля    (10)

где: - кинематическая вязкость;  . 

- критерий Грасгофа (11)

где: g - ускорение силы тяжести; - коэффициент объёмного расширения жидкости; t - температурный напор.

- ,  (12)

где: 0 - плотность жидкости при 20С.

В итоге получен алгоритм в виде системы уравнений (312) для расчёта коэффициента трения скольжения в зависимости от скорости, нагрузки, температуры, упругих и термических констант материалов пары трения, физических свойств материалов трения и гидравлической жидкости, геометрических параметров пары трения. Сравнительный анализ расчётных и экспериментальных значений  коэффициента трения показал их удовлетворительное соответствие (рис. 6).

Это даёт основание заключить, что полученная система уравнений позволяет достаточно точно определять как текущие, так и предельные значения коэффициента трения с учётом смазочного зазора в паре трения.

Одновременно был выполнен расчёт коэффициента трения по уравнению И.В. Крагельского для упругого контакта. Анализ уравнения И.В. Крагельского показал:

• в уравнении не учитывается влияние режимного фактора, определяемого нагрузкой и скоростью скольжения (учитывается только влияние нагрузки);
• значения коэффициента трения практически не зависят от микрогеометрии поверхности и определяются физико-химическим состоянием поверхностей трения (параметры 0 и ) и механическими свойствами менее жёсткого из взаимодействующих тел;
• не учитывается влияние смазочного материала на трение и изнашивание сопряжённых поверхностей.

Анализ экспериментальных и расчётных значений коэффициента трения (см. рис. 6), полученных по предложенному алгоритму расчёта предельных значений удельной нагрузки и скорости скольжения по изменению коэффициента трения и по уравнению И.В. Крагельского для упругого контакта, показывает на удовлетворительную сходимость значений коэффициента трения, полученных в эксперименте и по алгоритму расчёта, что указывает на достоверность данного метода расчёта коэффициента трения.

Таким образом, разработан  алгоритм расчёта предельных значений удельной нагрузки и скорости скольжения по изменению коэффициента трения с учётом толщины смазочного слоя в паре трения.

В третьей главе описаны материалы и условия испытаний, классификация пар трения по кинематическим признакам, структура гидравлической машины и определены основные процессы, воздействующие на её узлы, представлены результаты экспериментального исследования процесса трения и изнашивания металлических материалов при трении скольжения в условиях смешанной смазки.

Установлено, что износ пар трения в значительной мере зависит от вида гидравлической жидкости и её максимально допустимой, рабочей, температуры: чем выше уровень температуры, тем ниже износ.

Выявлено резкое снижение коэффициента трения и сопротивления сдвигу с ростом температуры жидкости на входе в узел трения (рис. 7).

По результатам эксперимента оптимальная температура жидкости на входе в узел трения составила 6080С. С повышением температуры гидравлической жидкости на входе в узел трения коэффициент трения покоя и момент страгивания контробразца относительно образца пары трения снижаются. Минимальные значения указанных параметров наблюдались при температуре гидравлической жидкости, равной 100С. Однако при этой температуре пара трения выдерживает меньшее значение предельной удельной нагрузки Рпр, чем при температурах 20С и 60С. При температурах 20С и 60С различие в значениях предельной удельной нагрузки составляет 8%. Минимальные значения коэффициента трения покоя и момента страгивания при температуре Тf гидравлической жидкости на входе в узел трения, равной 100С обусловлены наличием на поверхности трения хемосорбционной смазочной плёнки с высокой адгезией, чем при температуре Тf =20C.

Повышение температуры Тf обусловливает снижение внутреннего трения жидкости из-за снижения вязкости и одновременное увеличение поверхностной активности жидкости к контактирующим поверхностям.

Вязкостно-температурные свойства гидравлических жидкостей в период пуска в значительной мере влияют на износ и схватывание материалов трения. Чем ниже вязкость жидкости, тем легче она при прочих равных условиях поступает к поверхностям трения, снижая их износ и предотвращая их схватывание. С ростом температуры Тf  жидкости на входе в узел трения коэффициент трения и сопротивление сдвигу снижаются за счёт интенсификации физико-химических процессов в зоне трения, ускоряющих образование хемосорбционных плёнок на поверхностях трения.

Скорость скольжения, как следует из результатов эксперимента, так же влияет на температуру контактирующих поверхностей. Связанное с этим тепловыделение является одним из источников активации химических процессов, интенсивность которых зависит от сочетания температуры Тf гидравлической жидкости и скорости скольжения: при равном уровне температуры Тf гидравлической жидкости повышение скорости скольжения снижает коэффициента трения покоя менее интенсивно, чем при одновременном увеличением температуры Тf гидравлической жидкости и скорости скольжения.

Установлено, что повышение температуры Тf снижает значения предельной удельной нагрузки Рпр на пару трения и сокращает область нормального трения (рис.8).

       

       

Для её расширения, как показывают результаты эксперимента, целесообразно выполнять:

а) ступенчатое снижение температуры Тf  до её нормального значения. Если повышение температуры Тf гидравлической жидкости на входе  в узел трения снижает коэффициент трения покоя  (момент страгивания), то в области высоких удельных нагрузок и скоростей скольжения происходит значительное выделение фрикционной теплоты, взаимодействие которой с теплотой гидравлической жидкости приводит к нарушению динамического равновесия между скоростями образования и разрушения хемосорбционных плёнок на поверхностях трения с превалированием последней и, как следствие, к снижению предельной удельной нагрузки Рпр на пару трения. Результаты эксперимента (см. рис.7) указывают путь регулирования фрикционной теплоты в процессе испытания пары трения, состоящий в ступенчатом снижении температуры Тf  гидравлической жидкости на входе  в узел трения. В этой связи дегазацию гидравлической жидкости в гидросистеме, образование хемосорбционных плёнок и пуск узла трения следует выполнять при температуре Тf =100C. При переходе в область средних удельных нагрузок и скоростей скольжения температура Тf  гидравлической жидкости на входе в узел трения снижается до 60C, а в диапазоне высоких удельных нагрузок и скоростей скольжения - до 20C.

б) регулирование параметров режимного фактора: удельной нагрузки и скорости скольжения, изменение которых позволяет поддерживать динамическое равновесие между разрушением и восстановлением плёнок на поверхностях трения. Подтверждением этому является гармонический характер изменения силы трения.

в) переход с одного вида жидкости на другой, т. е. осуществлять циклическое применение гидравлических жидкостей. Подтверждением этому являются значения предельных удельных нагрузок Рпр в зависимости от температуры гидравлической жидкости, полученные при трении стали 30Х3ВА по бронзе БрОСН 10-2-3 в гидравлических жидкостях АМГ-10 и 7-50с-3 (см. рис.8). Их анализ показывает, что для данной пары трения в исследованном диапазоне изменения температуры Тf  значения предельной удельной нагрузки Рпр в жидкости 7-50с-3 выше, чем в АМГ-10. Например, при равном уровне температуры Тf = 50С и V=2м/с в гидравлической жидкости АМГ-10 значение Рпр =2,7МПа, а в 7-50с-3 - Рпр =3,8МПа.

При циклическом применении гидравлических жидкостей важна последовательность их воздействия на пару трения. В этой связи были проведены испытания пар трения по следующим схемам:

• исходная жидкость - жидкость ВРЖ-2 - исходная жидкость;
• жидкость 7-50с-3 - исходная жидкость АМГ-10;
• жидкость ВРЖ-2 - исходная жидкость.

Результаты эксперимента показали, что:

1. Предельные значения удельных нагрузок после испытаний материалов пар трения по схеме "исходная жидкость - жидкость ВРЖ-2 - исходная жидкость" выше предельных удельных нагрузок, полученных в исходной жидкости. В частности, при температуре жидкости Тf = 100С и V=1,5м/с при трении стали 30Х3ВА по бронзе БрОСН 10-2-3 предельные значения удельных нагрузок Рпр составили: в АМГ-10 - 0,6МПа, в ВРЖ-2 - 1,5МПа и вновь в АМГ-10 - 1,0МПа, т.е. конечная предельная нагрузка Рпр в АМГ-10 увеличилась примерно в 1,67раза по сравнению с Рпр, полученной на начальном этапе испытаний в АМГ-10. Предельные значения температуры поверхности при указанных условиях испытания составили: в АМГ-10 - 44С, в ВРЖ - 2 - 93С и вновь в АМГ-10 - 86С.

Аналогичная ситуация прослеживается при испытании этой же пары при использовании в качестве исходного смазочного материала гидравлической жидкости 7-50с-3. При температуре жидкости Тf = 100С и V=1,5м/с предельные значения удельных нагрузок Рпр составили: в 7-50с-3 - 1,5МПа, в ВРЖ-2 - 2,95МПа и вновь в 7-50с-3 - 5,0МПа. Предельные значения температуры поверхности при указанных условиях испытания составили: в 7-50с-3 - 78,5С, в ВРЖ - 2 - 80С и вновь в 7-50с-3 - 89С (рис. 9).

2. Предельные значения удельных нагрузок при трении стали 30Х3ВА по бронзе БрОСН 10-2-3 по схеме "жидкость 7050с-3 - исходная жидкость АМГ-10" при температуре Тf = 100С повышаются примерно на 40-50% по сравнению с предельными удельными нагрузками, полученными после испытаний пары в жидкости АМГ-10.

3. При использовании в качестве исходных смазочных материалов жидкостей 7-50с-3 и АМГ-10 предельные значения удельных нагрузок, полученные при трении стали 30Х3ВА по бронзе БрОСН 10-2-3 по схемам "исходная жидкость - жидкость ВРЖ-2 - исходная жидкость" и "жидкость ВРЖ-2 - исходная жидкость", одинаковы.

Поэтому с позиций рационального нагружения материалов в части повышения значений предельных удельных нагрузок и, как следствие, расширения области нормального трения следует проводить испытания пар трения по схемам "жидкость 7050с-3 - исходная жидкость АМГ-10", "жидкость ВРЖ-2 - исходная жидкость".

Содержание газа (воздуха) в гидравлической жидкости в зависимости от ее температуры оказывает на область нормального трения неодинаковое влияние: при нормальной температуре 20С повышение содержания газа в жидкости снижает ее, а при температуре, превышающей нормальную, содержание газа повышает ее за счет улучшения образования смазочных  хемосорбционных пленок на поверхностях трения.

Обобщенные результаты исследований влияния содержания воздуха в гидравлической жидкости 7-50с-3 для пары трения Х12Ф1-БрОСН 10-2-3 при коэффициенте взаимного перекрытия Квз = 1 и торцовом биении в паре = 60мкм  представлены на рис.10. Коэффициент растворимости воздуха в гидравлической жидкости Кр = 9,3% при Тf = 20 0С. Расход гидравлической жидкости через узел трения G = 0,25, 0,5 и 0,8 л/мин.

Установлено, что уменьшение или увеличение расхода гидравлической жидкости изменяет как структуру потока и газосодержание, так и область нормального трения. Значения критериального комплекса РпрV при нормальной температуре (20 0С) гидравлической жидкости наглядно иллюстрируют полученные закономерности (см. рис. 10, линии 3, 5, 6 и точки 7, 8).

Для пояснения результатов эксперимента рассмотрим значения предельной нагрузки  Рпр  при V = 2 м/с и нормальной температуре 20 0С гидравлической жидкости при ее разных расходах через узел трения. При расходе гидравлической жидкости через узел трения 0,25 л/мин  предельная нагрузка  Рпр = 8,2 МПа (см. рис. 10 точка 7), при расходе 0,5 л/мин -  Рпр = 11,3 МПа (см. рис. 10, линия 6) и при расходе 0,8 л/мин - Рпр = 12,2 МПа (см. рис. 10 точка 8). Анализ этих значений показывает, что при уменьшении расхода гидравлической жидкости с 0,5 до 0,25 л/мин значение Рпр снижается на 27,4%, а при ее увеличении с 0,5 до 0,8 л/мин значения Рпр повышается на 8%, т. е. уменьшение расхода гидравлической жидкости через узел трения сокращает область нормального трения, а ее увеличение расширяет область нормального трения.

Аналогично снижению расхода гидравлической жидкости через узел трения увеличение газосодержания в гидравлической жидкости сокращает область нормального трения (см. рис. 10, линии 3, 5, 6).

Анализ результатов эксперимента показывает значительное влияние  на трение и изнашивание энергии активации гидравлической жидкости. Рост температуры жидкости на входе в узел трения:

• повышает энергию активации жидкости;
• повышает реакционную способность поверхностных слоёв материалов трения за счёт увеличения температуры в объёмах поверхностных слоёв и смещения констант химических реакций;
• способствует дегазации жидкости;
• исключает влияние воздуха на образование хемосорбционных плёнок и процесс трения;
• предельные значения температуры гидравлической жидкости при равных уровнях Рпр и V определяются видом жидкости.

Изнашивание пар трения при смешанной смазке является сложным физическим процессом, зависящим от механического взаимодействия трущихся поверхностей, возникающего теплового воздействия, химического взаимодействия смазочной среды с поверхностями, а также геометрии контакта (характером и формой контактной площади сопряжённых пар трения, их сближением) и физических свойств, как материалов трения, так и смазочной среды.

Результаты эксперимента показали, что процессы трения и изнашивания, а также сопутствующие им процессы взаимосвязаны и их следует рассматривать как единый физический процесс, обусловленный внешнесиловым воздействием на материалы трения.

Анализ условий работы пар трения агрегатов гидравлических систем авиационной техники и, в частности, условий внешнесилового воздействия показал, что наиболее энергонагруженным (лжёстким) режимом их работы, в отличие от нормального, является режим запуска, который приводит: а) к повышенному износу пар трения; б) их лучшей приработке; в) к большей вероятности проявления процесса схватывания.

В этой связи исследовали внешнесиловое воздействие на трение и изнашивание металлических материалов в условиях смешанной смазки при изменении режимного фактора (удельной нагрузки Руд и скорости скольжения V) в следующих направлениях:

а) при постоянной скорости скольжения удельную нагрузку на пару трения увеличивали постоянно, ступенями;

б) при постоянной удельной нагрузке на пару трения повышали постепенно, ступенями, скорость скольжения;

в) одновременно увеличивали как удельную нагрузку на пару трения, так и скорость скольжения.

Об эффективности внешнесилового воздействия судили по величине предельной удельной нагрузке Рпр, которую выдерживали пары трения при условии их испытания на машине трения.

Сравнительный анализ результатов исследований, полученных при трёх режимах внешнесилового воздействия на трение и изнашивание металлических материалов, позволил заключить, что:

1. Эффективность процесса трения и изнашивания, в частности приработки, в значительной мере определяется режимом нагружения.

2. В случае режима нагружения, реализуемого при постоянной скорости и повышении удельной нагрузки, приработка протекает более эффективно.

3. Повторное внешнесиловое воздействие во всех рассмотренных случаях нагружения приводит к снижению коэффициента трения по сравнению с предыдущими значениями.

4. Регулирование фрикционного тепловыделения за счёт изменения смазочного зазора в паре трения оказывает существенное влияние на трение и изнашивание металлических материалов и на расширение области нормального трения. Например, при скорости скольжения V=2м/с были получены следующие результаты: без регулирования фрикционного тепловыделения Рпр=5,4МПа и Qпр=18,6Вт, а при регулировании фрикционного тепловыделения Рпр=6,8МПа и Qпр=32,7Вт, т.е. при регулировании фрикционного тепловыделения величина предельной удельной нагрузки Рпр повысилась примерно на 25% по сравнению с величиной предельной удельной нагрузки Рпр, полученной без регулирования фрикционного тепловыделения.

Результаты исследований показывают, что эффективность внешнесилового воздействия на процесс трения и изнашивания (в том числе и приработки) достигается при постоянной скорости скольжения и допустимой скорости роста удельной нагрузки и регулировании фрикционного тепловыделения циклическим внешнесиловым воздействием на пару трения.

Исследования по влиянию режимов запуска на трение и изнашивание пар трения агрегатов гидравлических систем авиационной техники показали:

а) коэффициент трения и износ пары в режиме запуска значительно выше, чем при нормальном режиме трении;

б) скорость изнашивания пары трения с ростом числа запусков снижается, проходит через минимум и возрастает при последующем увеличении числа запусков (рис.11);

в) приработка пары трения в режиме запуска происходит быстрее, чем при нормальном режиме трения.

Результаты эксперимента позволили заключить, что процесс трения и изнашивания в значительной мере определяется внешнесиловым воздействием на пару трения.

Основными факторами, влияющими на процесс трения и изнашивания пар трения, являются нагрузка, скорость скольжения, продолжительность испытания, температура поверхности трения, удельный тепловой поток и вид гидравлической жидкости. Управляя режимными параметрами, можно влиять на неустановившееся состояние контакта тел (приработку материалов трения) и на область нормального трения.  Приработка материалов пары трения наиболее эффективно происходит при двух режимах внешнесилового воздействия: а) при постоянной скорости скольжения  и росте удельной нагрузки с одновременным регулированием фрикционного тепловыделения циклическим нагружением пары трения, что приводит к расширению области нормального трения; б) в режиме запуска. Результаты исследований применены при построении схем обкатки агрегатов. В качестве одного из вариантов механического нагружения предложен и реализован режим запуска.

На основе проведенных исследований установлены зависимости предельных значений коэффициента трения, температуры в поверхностном слое бронзового образца и коэффициента взаимного перекрытия от предельной удельной нагрузки, определяющей - при фиксированной скорости скольжения - границы схватывания поверхностей трения. Из них следует важное положение о том, что уменьшение коэффициента взаимного перекрытия сопровождается ростом предельных значений удельных нагрузок и снижением коэффициента трения. Установлено, что уменьшение коэффициента взаимного перекрытия приводит к снижению коэффициента трения, расширению области нормального трения и диапазона изменения тепловой и удельной нагрузок на пару трения за счёт улучшения теплопередачи между поверхностями трения и смазочным материалом. В итоге границы схватывания смещаются в область более высоких удельных нагрузок и температур (рис.12).

При фиксированных значениях коэффициента взаимного перекрытия и скорости скольжения решающее влияние на процесс трения и изнашивания наряду с температурой поверхности трения оказывает температура смазочного материала на входе в узел трения. С её ростом предельные значения коэффициента трения смещаются в область меньших удельных нагрузок на пару трения и скоростей скольжения. При этом рост температуры смазочного материала с 60 до 100С снижает коэффициент трения в период пуска пары трения, создаёт ей "мягкие" стартовые условия и снижает вероятность её выхода из строя. При прочих равных условиях больший коэффициент взаимного перекрытия приводит к росту общей температуры узла трения и снижению его сопротивляемости разрушению; уменьшение коэффициента взаимного перекрытия  снижает температуру поверхности трения.

Таким образом, исследования подтвердили гипотезу о влиянии коэффициента взаимного перекрытия на работоспособность пар трения агрегатов гидравлических систем авиационной техники, для которых предельные значения удельной нагрузки и скорости скольжения непосредственно связаны с температурами поверхности трения и смазочного материала на входе в узел трения.

Результаты исследований по оценке взаимосвязи шероховатости поверхности, трения и изнашивания металлических материалов в условиях смешанной смазки позволили установить оптимальную равновесную эксплуатационную шероховатость Rz поверхностей трения, равную 0,16мкм и 2,5мкм для стали и бронзы соответственно. Суммарная скорость изнашивания  данной пары трения меньше скорости изнашивания эталонной пары трения, имеющей шероховатость Rz поверхноснтей контакта 0,08мкм и 0,16мкм для стали и бронзы соответственно (рис. 13).

Значения критериального комплекса РпрV для пары трения, имеющей оптимальную шероховатость Rz поверхностей трения, в 2-3 раза выше, чем для эталонной пары трения.

При оптимальной шероховатости поверхностей трения (0,16мкм и 2,5 мкм для стали и бронзы соответственно) сопротивление сдвигу в паре трения минимально по сравнению с другими исследованными парами трения с разной шероховатостью поверхностей трения (рис. 14).

Одним из основных показателей эффективности работы пары трения в условиях смешанной смазки является сопротивляемость данной пары схватыванию и переносу одного материала на другой. Процессы схватывания во многом определяют трение и износ материалов при реализации режимов трения при граничной смазке и трения без смазочного материала (сухого трения).

Установлено, что превышение предельно допустимых значений удельной нагрузки Рпр и скорости скольжения V для конкретной пары трения в процессе её работы приводит к резкому росту силы трения Fтр и величины износа. Нормальный режим трения сменяется режимом повреждаемости при высоких (предельных) температурах трения. Именно в области повреждаемости при высоких температурах трения  проявляются явления схватывания и переноса одного материала на другой.

Анализ результатов эксперимента позволяет сделать вывод о том, что развитие процесса схватывания во времени в парах трения агрегатов гидравлических систем авиационной техники включает в себя несколько стадий:

а)  сближение атомов контактирующих материалов за счёт пластической деформации;

б) разрушение смазочной плёнки и образование активных центров на поверхности более твёрдого материала;

в) объёмное взаимодействие (схватывание).

Применительно к агрегатам гидравлических систем авиационной техники установлены начальные условия переноса бронзы на поверхность стали. Для пары трения Х12Ф1-БрОСН10-2-3 при начальной температуре 100С жидкости АМГ-10, нагрузке 11,8МПа и скорости скольжения 10м/с в течение одной минуты имеет резкое увеличение силы трения, рост температуры поверхности трения до 280-320С, температура жидкости вблизи зоны трения достигает 150-160С. Многократное повторение эксперимента подтвердило полученные результаты. Осмотр образцов после окончания эксперимента показал перенос бронзы на поверхность стали, на бронзовом образце имеются следы микровырывов бронзы и начальный износ. На обоих образцах на внутренней и внешней поверхности имеются цвета побежалости. Микроструктурный анализ показал, что полученный на машине трения перенос бронзы идентичен переносу бронзы в парах трения агрегатов. При заданных режимах нагружения и применяемых смазочных материалах избирательный перенос в узлах трения агрегатов отсутствует.

Анализ результатов эксперимента показывает значительное влияние на продолжительность жизни смазочной плёнки и на достижение предельной нагрузки таких факторов, как удельная нагрузка и скорость скольжения, температура смазочного материала, температура поверхности трения, коэффициент распределения тепловых потоков, коэффициент взаимного перекрытия.

Установлено, что управление этими факторами за счёт технологических, конструкторских и металловедческих мероприятий расширяет область нормального трения и увеличивает продолжительность жизни смазочной плёнки.

Анализ результатов эксперимента по измерению твёрдости и изменению коэффициента трения в зависимости от режимов нагружения (Руд и V) даёт основание считать, что в контактной зоне трения происходит изменение физического состояния смазочной плёнки, которая приобретает свойства квазиупругого твёрдого тела с низким сопротивлением сдвигу, а твёрдость поверхностей трения практически не изменяется с изменением режимов нагружения и вида смазочного материала.

Исследования подтвердили положительное влияние нагрева и последующего ступенчатого снижения температуры смазочного материала на расширение диапазона нормального трения и повышение ресурса работы пары трения, а также показали, что:

а) коэффициент трения и сопротивление сдвигу на начальном этапе работы пары трения тем ниже, чем выше температура смазочного материала;

б) при ступенчатом снижении температуры смазочного материала прослеживается рост удельной нагрузки на пару трения за счёт регулирования фрикционного тепловыделения и снижения в связи с этим теплонапряжённости пары трения;

в) увеличение удельной нагрузки на пару трения на 16-24% и повышение ресурса её работы на 30-40%.

Разработаны и экспериментальным путём проверены способы создания паре трения мягких стартовых условий в период её запуска, обеспечения динамического равновесия между образованием и разрушением смазочных плёнок на поверхностях трения и расширения диапазона нормального трения за счёт:

1. Цикличности  механического нагружения.

2. Динамичности изменения температуры смазочного материала в процессе обкатки (приработки).

3. Цикличности применения смазочного материала.

4. Изменения коэффициента взаимного перекрытия пары трения.

Установлено влияние механических свойств пары сталь-бронза на коэффициент трения при смешанной смазке.

Эксперименты показали, что коэффициент трения изменяется с изменением не только внешнесилового воздействия, но и механических свойств: твердости, предела прочности и относительного удлинения.

При раздельном учете влияния механических свойств бронзы на коэффициент трения стали по бронзе при смешанной смазке выявились две принципиально различные зависимости: при увеличении характеристик прочности бронзы (твердости, предела прочности) коэффициент трения снижается, при повышении показателей пластичности (относительного удлинения) увеличивается.

При совместном учете показателей прочности и пластичности минимальные значения коэффициента трения для пары сталь - бронза в условиях смешанной смазки фиксируются при максимальных значениях твердости, предела прочности и минимальных значениях относительного удлинения бронзы.

Сопоставление зависимостей коэффициента трения и износостойкости от характеристик прочности (твердости, предела прочности) при трении стали по бронзе, при смешанной смазке, свидетельствует об их полном подобии. При увеличении характеристик прочности износ и коэффициент трения при скольжении стали по бронзе уменьшаются, а износостойкость повышается. Все характеристики пластичности влияют на характеристики трения и изнашивания однозначно: при скольжении стали по бронзе повышение пластичности вызывает увеличение износа и коэффициента трения. Результаты исследований позволяют заключить, что при трении стали по бронзе в условиях смешанной смазки взаимосвязь механических свойств бронзы с коэффициентом трения аналогична взаимосвязи этих характеристик бронзы с износостойкостью при раздельном учете.

Полученные результаты исследований дают основание считать, что коэффициент трения зависит от структуры и механических свойств стали и бронзы и определяется соотношением их твердостей. Твёрдость бронзы в этом соотношении является ведущим показателем. С её ростом коэффициент трения и износ снижаются, а износостойкость возрастает.

Коэффициент трения в известной мере является показателем концентрации напряжений в твердом теле. Показательна в этом плане зависимость коэффициента трения от критерия  Руд / HVб.(t), характеризующего напряженное состояние контакта и безразмерную площадь фактического касания тел (здесь Руд - удельная нагрузка, НVб.(t) - твердость изнашивающегося материала с учетом ее изменения от температуры). Характер связи коэффициента трения и критерия Руд / HVб показывает, что при сохранении общей закономерности изменения коэффициента трения от удельной нагрузки решающая роль при трении твердых тел принадлежит тепловым флуктуациям, приводящим к снижению прочности межатомных связей и впоследствии к их разрыву, а внешняя сила облегчает и направляет их разрушающее действие.

Установлено, что коэффициент трения в условиях смешанной смазки в принципиальном плане стоит в одном ряду с износом и износостойкостью (рис. 15).

Механические свойства бронзы (предел прочности, твёрдость, относительное удлинение) и соотношение твердостей стали и бронзы влияют на эти характеристики с таким же знаком эффекта, как на коэффициент трения. Если предел прочности бронзы положительно влияет на коэффициент трения, то он так же влияет на износостойкость.

Применительно к насосу НП96Т, в котором в качестве смазочного материала используется топливо ТС-1, изучено влияние покрытий поверхностей контакта на трение и изнашивание металлических материалов в условиях смешанной смазки.

На основании полученных результатов для применения в насосе НП96Т рекомендованы следующие сочетания материалов трения:

• Х12Ф1-БрОСН10-2-3 для пар трения "блок цилиндров - распределительный золотник", "башмак-наклонная шайба";
• 30Х3ВА - БрОСН10-2-3 + Ag (3-х слойное покрытие) для пары трения "плунжер-блок цилиндров".

В четвёртой главе представлены результаты исследований температуры поверхности трения скольжения при смешанной смазке и алгоритм расчёта температуры в стыке торцевой пары трения агрегатов гидравлических систем авиационной техники.

Расчётным путём установлено решающее влияние температуры вспышки на прочность граничного смазочного слоя, разделяющего поверхности трения, и на общий температурный режим трения пары сталь - бронза.

Снижение коэффициента взаимного перекрытия приводит к уменьшению температуры вспышки. При фиксированном значении коэффициента взаимного перекрытия повышение температуры смазочного материала на входе в узел трения сопровождается незначительным различием значений температуры вспышки (рис. 16). При достижении предельных значений температур вспышки и поверхности трения наблюдается резкий рост коэффициента трения. Температура вспышки оказывает решающее влияние на прочность граничного смазочного слоя.

Показано проявление в паре трения эффекта грелки. В процессе трения имеет место возникновение на поверхности трения отдельных горячих пятен за счет неравномерного распределения на ней удельной нагрузки, что обусловлено наличием изначальных неровностей (волнистости, шероховатости) на взаимодействующих поверхностях. Эти участки располагаются выше  уровня окружающей поверхности за счёт термоупругого выпучивания материала поверхностей трения и уменьшают область действительного контакта  при одновременном повышении локальной температуры по сравнению с ее первоначальным значением.

В связи с этим на движущейся поверхности, учитывая условие устойчивости пары трения, имеет место возникновение как минимум трёх пятен с высокими локальными температурами, обусловливающими ползучесть материала трения и постепенное перемещение пятен. Образуется термоупругая волна, продольная ось которой  совпадает с вектором скорости относительного движения тел (деталей пары трения). Изменение геометрии волны в процессе ползучести материала (лразрушение более нагретой волны) компенсируется процессом непрерывного восстановления волны при выпучивании материала на менее нагретой ее границе. Равновесие геометрии волны определяется термоупругими свойствами материала, а трение происходит на движущейся волне. При этом в контакт вступают массы материала волны на её менее нагретой границе. В результате волна перемещается от более нагретых участков материала к менее нагретым.

При снятии удельной нагрузки контактная зона трения охлаждается, и пятно контакта исчезает, как бы проваливается. При последующем нагружении пары трения новое пятно контакта возникает около предыдущего пятна. При снятии нагрузки оно исчезает, и при дальнейшем нагружении поверхности появляется новое пятно. Цикличность нагружения приводит к циклическому возникновению пятен контакта на новых, последующих, участках поверхности и их исчезновению на предыдущих участках. Поверхность работает подобно грелке.

Процесс перемещения пятен продолжается до тех пор, пока они не пройдут всю поверхность трения. В результате происходит постепенная подготовка поверхности к восприятию более высоких удельных нагрузок.

Проведенные на машине трения исследования по оценке температурной нагруженности пар трения подтвердили гипотезу о решающем влиянии температуры на работоспособность материалов трения, для которых предельные значения удельной нагрузки и скорости скольжения непосредственно связаны с температурами вспышки, поверхности трения и смазочного материала на входе в узел трения.

Это позволило  наметить пути расширения диапазона нормального трения за счет снижения коэффициента  взаимного перекрытия и регулирования фрикционного тепловыделения. При этом измеряемая температура поверхности трения представляется наиболее информативным диагностическим параметром, определяющим реальное состояние узла трения.

Выполнена оценка характера распределения температуры поверхности по диаметру образца в присутствии смазочного материала и её влияния на трение и изнашивание, в том числе и на процессы переноса и схватывания пар трения.

Полученные результаты свидетельствуют о неравномерном характере распределения температуры по поверхности трения: прослеживается тенденция снижения температуры с увеличением расстояния от оси вращения образцов.

Максимальные значения измеряемой температуры имеют место при минимальном расположении термопары от оси вращения образцов. Рост нагрузки независимо от точки расположения термопары - расстояния от оси вращения образцов - повышает температуру поверхности трения.

Дополнительное влияние на температуру поверхности трения оказывают скорость скольжения и температура смазочного материала. Их рост приводит к более высоким значениям температуры поверхности трения.

Экспериментальные исследования температуры поверхности трения скольжения при смешанной смазке, выполненные на машине трения, создали предпосылки для разработки методики оценки температуры в стыке торцевой пары трения (торцевого уплотнения).

При оценке температуры в основу физической модели трения при смешанной смазке была положена модель, принятая при разработке алгоритма расчёта предельных значений удельной нагрузки и скорости скольжения в паре трения, и дополненная тем, что предельные значения удельной нагрузки и скорости скольжения непосредственно связаны с температурами вспышки, поверхности трения и смазочного материала.

Температура ТS в стыке торцевой пары трения может быть определена по уравнению:

(13)

где: Ткорп - температура стенки корпуса узла трения; Т - разность температур в стыке торцевой пары трения.

Температура Ткорп стенки корпуса узла трения измеряется хромель-копелевой термопарой в соответствии с разработанной методикой её оценки.

В некоторых случаях (например, при сравнительной оценке материалов трения по тепловыделению или при обосновании ускоренных испытаний узла трения) требуется экспресс-оценка температуры в стыке торцевой пары трения, которую можно выполнить по разности температур Т.

Разность температур Т может быть определена расчётом. Для её оценки разработан алгоритм расчёта разности температур Т в стыке торцевой пары трения. При его разработке применён методический приём, состоящий в том, что распределение теплового потока от места стыка по деталям торцевого уплотнения и от них к смазочному материалу представляется в виде схемы, составленной из термических сопротивлений поверхностей и деталей торцевого уплотнения.

Принятая схема торцевого уплотнения для расчёта разности температур Т в паре трения при её работе на машине трения и схема тепловых потоков от места стыка представлены соответственно на рис. 17 и 18.

Принятые допущения:

• поверхность "А" соприкасается с большим объёмом металла и имеет температуру, равную температуре охлаждающего смазочного материала;
• поверхности "В" и "С" охлаждаются движущимся смазочным материалом;
• поверхность "D" соприкасается с большим объёмом металла и имеет температуру, равную температуре охлаждающего смазочного материала; для расчёта теплопроводности через поверхность "D" выделяется цилиндр высотой 10мм, наружным диаметром 40мм и внутренним диаметром 34мм.

Тепло от места стыка через кольцевую поверхность образцов передаётся к поверхностям "А" и "D" путём теплопроводности, а через цилиндрические поверхности "В" и "С" образцов к смазочному материалу путём конвекции при вынужденном движении смазочного материала.

Теплоотдача от поверхностей "В" и "С" к жидкости при её вынужденном движении вычисляется при следующих предположениях:

• скорость движения Vf жидкости в узле трения принимается равной половине окружной скорости вращения поверхности "А" стального образца;
• расчётная поверхность "В" при расчёте принята равной половине этой поверхности у образца, так как предполагается линейная зависимость температуры от поверхности "А" к месту стыка и температура в месте стыка равна ТS, а температура поверхности "А" равна Ткорп и средний расчётный температурный напор равен (ТS - Ткорп);
• расчётная поверхность "С" при расчёте принята равной половине этой поверхности у образца, так как предполагается линейная зависимость температуры от поверхности "С" к месту стыка и температура в месте стыка равна ТS, а температура поверхности "D" равна Ткорп и средний расчётный температурный напор равен (ТS - Ткорп).

В итоге алгоритм расчёта разности температур Т в стыке торцевого уплотнения на машине трения включает следующие соотношения:

 

 

 

  (14)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

где: МТР - момент трения; f - коэффициент трения, определяется по системе уравнений (312) или принимается из эксперимента;  n - скорость вращения вала машины трения; N - нормальная нагрузка; Руд - удельная нагрузка; FА - площадь поверхности "А"; FВ - площадь поверхности "В"; FС - площадь поверхности "С"; FД - площадь поверхности "D"; - коэффициент теплоотдачи; Re - критерий Рейнольдса; Рr - критерий Прандтля; Nu - критерий Нуссельта; f - коэффициент теплопроводности смазочного материала; - коэффициент теплопроводности твёрдого тела (стали или бронзы); Сf - теплоёмкость смазочного материала; - удельный вес смазочного материала; а - коэффициент температуропроводности смазочного материала; - кинематическая вязкость смазочного материала; Vf - скорость движения смазочного материала в узле трения; D - наружный диаметр верхнего образца; dг -гидравлический диаметр канала, подводящего смазочный материал в узел трения.

Если расчёт Т выполняется при постоянной скорости n вращения вала машины трения и при разных значениях удельной нагрузки Руд, то при других значениях постоянной скорости nТ вращения вала машины трения, но при тех же значениях Руд значения Т могут быть приблизительно пересчитаны по формуле: .

По системе уравнений (14) был выполнен расчёт значений Т в стыке торцевого уплотнения пары трения сталь 30Х3ВА-Нигран - В при её работе в гидравлической жидкости НГЖ-4 на машине трения. Результаты расчёта и эксперимента представлены на рис. 19.

Сравнительный анализ расчётных и экспериментальных значений температуры для стыка торцевого уплотнения на машине трения показал их полную сходимость, что служит подтверждением правильности принятой методики расчёта разности температур Т в стыке торцевого уплотнения.

Результаты расчёта и эксперимента показали возможность применения данного алгоритма расчёта разности температур Т к реальной конструкции торцевого уплотнения насоса.

Методика и алгоритм расчёта разности температур Т были применены для оценки действительных температур в стыке торцевого уплотнения насоса НП 108.

Расчёт Т был выполнен для пары втулка - кольцо торцевого уплотнения насоса для вариантов выполнения кольца из Ниграна - В и бронзы в гидравлических жидкостях НГЖ-4 и АМГ-10.

Результаты расчёта разности температур для торцевого уплотнения из Ниграна-В и бронзы в гидравлических жидкостях НГЖ-4 и АМГ-10 для насоса НП108 приведены на рис. 20. 

На основании исследований по оценке температуры в паре трения сталь-бронза разработана и внедрена методика оценки температуры в зоне подшипников вала агрегата

Анализ результатов расчёта разности температур Т для торцевого уплотнения насоса НП108 позволил сделать выводы:

1. Зависимость перепада температур от удельной нагрузки  на поверхности стыка является линейной.

2. При неизменном коэффициенте трения применение смазочного материала АМГ-10 вместо НГЖ-4 приводит к несколько более высоким значениям температуры в стыке, что обусловлено:

• разными теплофизическими характеристиками смазочных материалов;
• различием в  коэффициентах теплоотдачи, которые для АМГ-10 будут ниже, чем для НГЖ-4.

3. Применение уплотнения из бронзы вместо Ниграна-В приводит к снижению температур в стыке за счёт уменьшения тепловыделения в нём и улучшения условий теплоотвода по бронзе по сравнению с Ниграном-В.

4. Применение бронзы БрОС10-10 по сравнению с бронзой БрОФ7-0,2 при неизменном коэффициенте трения приводит к несколько более высоким перепадам температур.

Таким образом, алгоритм расчёта разности температур Т в стыке торцевого уплотнения принят для оценки действительных температур в стыке торцевого уплотнения насосов типа НП108. В сочетании с алгоритмом расчёта предельных значений удельной нагрузки и скорости скольжения в паре трения методика оценки разности температур Т в торцевой паре трения повышает эффективность подбора материалов для пар трения и позволяет прогнозировать их работоспособность в области предельных удельных нагрузок и скоростей скольжения с учётом применяемого смазочного материала.

В пятой главе изложены физические представления о трении и изнашивании при смешанной смазке в узлах трения агрегатов гидравлических систем авиационной техники.

Испытания пар трения, выполненные на машине трения, позволили установить основные закономерности  изменения коэффициента f трения, сопротивления сдвигу, скорости изнашивания и температуры Т поверхности трения в зависимости от удельной нагрузки и скорости скольжения при трении в условиях смешанной смазки (рис. 21), выяснить сущность физических процессов в контактной зоне трения и сформулировать физические представления о природе трения и изнашивания при смешанной смазке с учётом макротермоупругих эффектов на поверхностях трения. Анализ этих закономерностей позволил установить наличие трёх областей: I - неустойчивых процессов, характерной для режимов запуска (пары трения выходят из строя в основном в этой области); II - нормального трения; III - повреждаемости при высоких температурах (пары трения выходят из строя при достижении предельных температур для применяемого смазочного материала). Для нормального трения (область II) характерно существование стационарной области с минимальным трением и изнашиванием, а для режимов нестационарного трения (область I) и повреждаемости при высоких температурах (область III) -  наличие износа и схватывания вследствие срыва смазочной плёнки.

Неконтролируемое смещение режимов нагружения влево или вправо в точках перехода из области II в области  I и III от режимов нормального трения (с минимальным трением и изнашиванием) приводит к  выходу из строя пары трения.

Область I проявляется на режимах запуска и останова агрегата. Минимальная адгезия смазочной плёнки к поверхности трения и высокая деформационная составляющая обусловливают срыв смазочной плёнки и повреждаемость поверхностей трения.

В области II нормального трения имеют место граничная смазка и клиновидный зазор, в котором реализуется гидродинамическая смазка. Увеличение удельной нагрузки при фиксированной скорости скольжения уменьшает клиновидный зазор и при превышении предельной толщины смазочного зазора в области III возникает режим трения при наличии граничной смазки и сухого трения; на отдельных точках контакта происходит срыв смазочной плёнки и перенос бронзы на поверхность стального образца.

Анализ результатов эксперимента по влиянию различных факторов (режима нагружения, механических и геометрических характеристик контактирующих поверхностей) позволил считать удельную нагрузку, скорость скольжения и температуру, развиваемую при трении, основными факторами, определяющими свойства материалов пары трения.

Выполненные исследования позволили установить взаимосвязь изменения коэффициента трения и износа при трении скольжения в условиях смешанной смазки (рис. 15, 21): с повышением коэффициента трения  наблюдается рост износа, а с его уменьшением - износ снижается. В области нормального трения коэффициент трения практически не изменяется и величина износа минимальна. При достижении для данной пары трения предельных значений критериального комплекса РпрV коэффициент трения и линейный износ резко увеличиваются. Повышение температуры смазочного материала на входе в узел трения снижает коэффициент трения и величину износа в области I неустойчивых процессов, а также создает для пары трения мягкие стартовые условия за счет уменьшения зоны сцепления и увеличения зоны проскальзывания.

Синхронный характер изменения коэффициента трения и износа указывает на их единую физическую природу. Первопричина этого общенаучного явления лежит в механизме относительного перемещения сопряженных тел, для которых их относительное перемещение затруднено действием на них сжимающей нагрузки и сопротивлением неровностей в зоне контакта, обусловливающих сопротивление перемещению, именуемое силой трения. Перемещение одной поверхности по другой неизбежно сопровождается разрушением очагов сопротивления, что, по своей сути, и является изнашиванием.

В главе развивается подход к обеспечению ресурса пар трения, основанный на анализе и исследовании механизма формирования поверхностных слоёв и защитных смазочных плёнок, их свойств на различных режимах и при различных условиях трения.

Изучена принципиальная особенность в механизме контактирования двух тел в паре трения со смазочной плёнкой в области II нормального трения. Результаты исследований позволяют сделать вывод о том, что структура смазочной плёнки в сформировавшейся (обкатанной) паре  трения включает в себя в процессе трения: а) подслой непосредственно на поверхности каждого из двух тел; б) массу основного материала пленки (собственно пленка).

Такая структура обладает определенной анизотропией в отношении её свойств по нормали и по касательной к траектории относительного перемещения двух тел в паре трения, т.е. к "плоскости" трения.

Изменение свойств материала смазочной плёнки в подслое сводится к образованию ненпосредственно на поверхностях тел в паре трения вязких компонентов за счет интенсивного механического и термохимического воздействия на материал смазочной плёнки. При этом сами поверхности играют роль катализатора термохимических процессов на этих поверхностях.

Слоистая структура смазочной плёнки, при которой между соседними слоями образуются плоскости лёгкого скольжения с правильным послойным расположением ориентированных молекул, облегчает скольжение между поверхностями трения, затрудняет продавливание смазочной плёнки действующими тангенциальными усилиями сдвига. Особый интерес представляют закономерности динамического равновесия между разрушением и восстановлением плёнок на поверхностях трения при нормальном режиме трения.

Для средней температуры в слое смазочной плёнки на контурной площади услонвия динамического равновесия определяются прочностью плёнки на сдвиг, скоростью относительного перемещения двух тел в паре и эффективностью теплоотвода из зоны трения: температура в смазочной плёнке на контурной площади увеличивается при повышении прочности плёнки на сдвиг и при возрастании скорости относительного перемещения двух тел в паре, а также ухудшении теплоотвода из зоны контакта.

Изменение теплоотвода из зоны трения в значительной мере определяется коэффициентом взаимного перекрытия Квз пары трения. Установлено, что уменьшение Квз приводит к снижению диапазона изменения тепловой и удельной нагрузок на пару трения вследствие улучшения теплопередачи между поверхностями трения и смазочным материалом. В результате границы схватывания смещаются в область более высоких удельных нагрузок.

Показано, что существенную роль для процессов трения и изнашивания в парах трения со смазочным материалом и в создании защитных слоев (подслоев) на поверхностях тел, образующих пару трения, в результате действия нагрузочно-скоростных  параметров играют адгезия, пластическая и упругая деформации, диффузия, адсорбция, химическое взаимодействие (окисление).

В главе описан нормальный режим трения в парах со смазкой. Показано, что область II нормального трения определяется взаимодействием смазочного слоя с поверхностями трения и молекулярно-механическими свойствами этого слоя.

Установлено, что не нагрузочные, а технологические факторы приработки (обкатки) поверхностей трения позволяют значительно отодвинуть вправо - в область  более высоких температур в паре - точку перехода из области нормального трения II в область повреждаемости при высоких температурах III и расширить диапазон нормального трения. Эффективным технологическим фактором при этом становится достаточно высокая температура смазки Тf на этапе приработки. Такая пара трения пригодна для работы при более высоких удельных нагрузках и скоростях скольжения.

При нормальном трении и изнашивании области II между двумя критическими точками характерна стабильность основных параметров: = const при Руд = const во всем диапазоне скоростей скольжения вплоть до V= Vпр, а также f = const и h = const.

Экспериментально подтверждены свойства в области II нормального трения:

а) анизотропия свойств смазочной пленки по нормали и по касательной к поверхности двух тел в паре:

• высокая лупругая прочность тонкой смазочной плёнки при очень высоких нормальных нагрузках на контурных площадях термоупругой волны (по нормали к поверхности контакта);
• свойства пластичности или квазиупругости на сдвиг по касательной к поверхности контакта двух тел в паре;

б) фрикционное поведение смазочной плёнки между телами как плёнки твёрдого тела.

С точки зрения антифрикционных свойств пара трения со смазкой при высоких нагрузках на контурной площади Ас  в области II ведёт себя как пара трения с тонкой твёрдой пленкой при внешнем трении, т. е. пара демонстрирует лупрочнение смазочной пленки на сдвиг при повышении на неё нормальной нагрузки. Эти свойства наблюдаются вплоть до второй предельной точки  перехода из области II в область III.

Упрочнение смазочной плёнки заключается:

• в ориентированных выглаживании и пластической деформации непосредственно поверхностных слоев в исходном материале (металле) после обработки, которые накапливаются постепенно с повышением нагрузок по q (соответственно Руд и V)  и Т;
• в пластической деформации, которая сопровождается окислением поверхностного слоя металла  при температурном (тепловом) воздействии, что защищает поверхность от схватывания (процесс интенсифицируется с повышением поверхностной температуры);
• в пластической деформации, которая сопровождается выбрасыванием (лзатягиванием) из смазочного материала тонкой защитной плёнки, которая лупрочняется при температурном воздействии в процессе трения (неметаллическая защита), при этом металлическая поверхность играет роль катализатора для создания приповерхностного слоя;
• смазочная плёнка, разделяющая металлические поверхности в паре трения, лобновляется (лзамещается) при работе пары трения (за исключением непосредственно приповерхностного слоя). Смазочная плёнка в целом лупрочняется за счёт термического воздействия так же, как и подслой;
• условия нормального трения (в области II) сводятся к обеспечению положительного градиента механических свойств защитной смазочной плёнки за счёт факторов, указанных выше. Положительный градиент механических свойств относится к свойству смазочной плёнки в паре трения, определяемой её прочностью на сдвиг, - значением в плоскости наименьшего сопротивления (зависимость   меньше п для приповерхностного слоя):  < п.
• условия нормального трения нарушаются, если положительный градиент механических свойств за счёт изменения режима нагружения изменяется на обратный (лотрицательный) или приближается к нему:

> п (15)

При ~ п условие (15) может наступить на отдельных участках контурного контакта при случайных отклонениях от равновесия.

Установлено, что для обеспечения минимального сопротивления сдвигу прочность смазочной плёнки в её середине должна быть значительно ниже прочности подслоя смазочной плёнки. При равенстве этих прочностей происходит "срыв" (ср) смазочной плёнки.

Именно "срыв" смазочной плёнки приводит к металлическому контакту поверхностей трения и, как следствие, к износу и схватыванию пар трения.

"Срыв" смазочной плёнки происходит из-за нарушения динамического равновесия между образованием и разрушением смазочных плёнок на поверхностях трения.

Равенство прочностей в середине плёнки и подслое смазочной плёнки имеет место при достижении предельных значений температуры поверхности трения, удельного теплового потока, нагрузки.

Для предотвращения срыва смазочная плёнка непосредственно на поверхности должна обладать определённым запасом прочности, который создаётся в процессе приработки (обкатки) пар трения.

Показано, что в основе управления процессом приработки (обкатки) пар трения важным является обеспечение условий динамического равновесия между образованием и разрушением смазочных плёнок на поверхностях трения.

Рассмотрены способы обеспечения динамического равновесия между образованием и разрушением смазочных плёнок на поверхностях трения.

Установлена связь параметров на номинальной и контурной площадях контакта, получены соотношения для переноса нагрузок с агрегата на модель (машину трения).

В шестой главе рассмотрены научные основы управления процессом трения и изнашивания металлических материалов при смешанной смазке.

Обоснованы критерии оценки износостойкости материалов пар трения в условиях смешанной смазки. Выбор материалов пары трения предлагается выполнять по характеристикам механических свойств (твёрдости, пределу прочности, относительному удлинению), их сочетанию (соотношению твердостей материалов трения) и критериальному комплексу РпрV, определяемому по РпрV - номограммам.

Разработана методика и выполнен расчёт, позволяющий проверить правильность подбора материалов. Проверку правильности подбора материалов пар трения скольжения при известных сопрягаемых размерах деталей и определение этих размеров при проектном расчёте целесообразно выполнять по принятому в конструкторской практике расчёту по критерию РудV, но с учётом толщины Н смазочного слоя и коэффициента Квз взаимного перекрытия пары трения. Учёт Н и Квз позволяет более точно назначать материалы пары трения.

Идея расчёта состоит в следующем: если f - коэффициент трения скольжения, то произведение fРудVt представляет собой удельную мощность трения. Поскольку надёжная работа узла трения возможна при тепловой напряжённости не превышающей предельную величину для данной конструкции и условий её эксплуатации, то условие надёжности узла трения по тепловой напряжённости можно записать: (здесь - предельное количество теплоты в механических единицах, которое может отводиться с единицы поверхности трения в единицу времени). Учитывая постоянное значение коэффициента f трения  в области нормального трения, получим указанное значение в виде .

При смешанной смазке расчёт по РудV вполне оправдан, поскольку этот критерий косвенно характеризует температуру поверхности трения, которая в явном виде не входит в число заданных при проектном расчёте величин. Дополнительно следует лимитировать удельную нагрузку Руд по Рпр. Поэтому в инженерной практике для ограничения износа необходимо, чтобы удельная нагрузка Руд не превышала допускаемую , а для ограничения нагрева требуется выполнение условия .

Принятые критерии износостойкости узлов трения обеспечивают надёжность агрегатов и исключают их отказы в эксплуатации, сходы с приёмо-сдаточных испытаний и обкатки.

Результаты исследований позволили разработать структуру физико-химических процессов в паре трения в условиях смешанной смазки и сформулировать научные предпосылки по управлению трением и изнашиванием в узлах трения агрегатов. К ним следует, прежде всего, отнести способы, обеспечивающие создание условий динамического равновесия между образованием и разрушением смазочных плёнок на поверхностях трения:

- регулирование теплоты смазочного материала (гидравлической жидкости): цикличность по температуре в области высоких удельных нагрузок;

- регулирование фрикционной теплоты: цикличность нагружением при переходе к высоким удельным нагрузкам;

- цикличность по типу смазочного материала (гидравлической жидкости);

- изменение коэффициента взаимного перекрытия пары трения.

Они расширяют диапазон нормального трения и составляют основу технологического способа управления трением и изнашиванием в узлах трения агрегатов, который в сочетании с конструкторским и металловедческим способами обеспечивают их эффективную работоспособность.

На основании комплекса выполненных исследований разработаны схема  технологического способа управления трением и изнашиванием в узлах трения агрегатов, конструкторский и металловедческий способы, схема выбора материалов трения и покрытий.

В главе описаны научные основы управления трением и изнашиванием в узлах трения агрегатов.

Разработана структурная схема испытаний узлов трения агрегатов на износостойкость, которая в сочетании с закономерностями процесса трения и изнашивания имеет основополагающее значение при установлении связи между машиной трения и агрегатом и построении схем испытаний агрегатов с учётом способов обеспечения динамического равновесия между образованием и разрушением смазочных плёнок на поверхностях трения. В частности, применяя метод моделирования, переносим удельные нагрузки с реальной конструкции, т.е. нагрузки, приходящиеся на реальную пару трения, на закономерности процесса трения и изнашивания, по которым для конкретного режима нагружения определяем коэффициент трения, износ в паре трения, сопротивление сдвигу, температуру поверхности трения, удельный тепловой поток. Найденная, таким образом, связь между результатами, полученными на машине трения, и режимами нагружения пар трения в агрегатах гидравлических систем авиационной техники позволяет определить не только параметры процесса трения и изнашивания, но и оценить надёжность пары трения и вероятность её отказа.

Показана возможность эффективного управления приработкой (обкаткой) пары трения на режиме запуска в отличие от принятой схемы приработки при постоянной скорости скольжения и росте удельной нагрузки.

Основная задача приработки (обкатки) должна состоять в обеспечении достаточной адгезионной прочности смазочной плёнки с поверхностью трения. При этом плёнку нужно создать на поверхностях трения до механического нагружения. Её нужно как бы приклеить к поверхностям трения, выдержав их определённый промежуток времени при повышенной температуре смазочного материала. В этом должен состоять первоначальный этап приработки пары трения. После создания плёнки на поверхностях контакта следует этап механического нагружения пары трения.

Для обеспечения приклейки смазочной плёнки к поверхностям трения целесообразно использовать теплоту смазочного материала, нагрев его до температуры ~ 60-100С и выдержав при ней гидравлическую систему, с работающей на холостом ходу гидравлической машиной, в течение заданного промежутка времени, т.е. на начальном этапе приработки нужно активизировать физико-химические процессы образования смазочной плёнки на поверхностях трения  за счёт использования теплоты смазочного материала и на последующем этапе осуществить механическое нагружение. Повышение температуры смазочного материала ускоряет скорость физико-химических процессов в паре трения и образование смазочной плёнки на поверхностях трения. Результаты экспериментов по исследованию прочности смазочной плёнки на сдвиг в зависимости от режимов приработки (обкатки) и состояния шероховатости поверхностей в паре трения приводят к выводу о необходимости рассматривать обкатку как комплексную термохимическую обработку поверхностей смазочным материалом в условиях деформирования поверхностей механическим нагружением при трении (явление трибомутации). В результате такой обработки смазочная плёнка приклеивается к поверхностям, причём для обеспечения нормального трения режим обкатки должен обеспечивать прочность связи смазочной плёнки с поверхностями более высокую, чем сопротивление смазочной плёнки на сдвиг на режимах трения. Эффективность приработки (обкатки), измеряемая величиной прочности на сдвиг для связи смазочной плёнки с поверхностью тел, зависит не только от фрикционной теплоты, но может быть повышена и за счёт теплоты, подводимой в плёнку на поверхностях трения смазочным материалом.

Теплота смазочного материала снижает его вязкость и повышает коэффициент диффузии смазочного материала по дефектам кристаллической структуры. В соответствие с законом Аррениуса происходит ускорение физико-химических процессов и повышение адгезии смазочных плёнок на поверхности трения за счёт эффективной реализации межатомных связей и обеспечения минимума свободной энергии на поверхности металлов и смазочного материала.

Фрикционная теплота вносит дополнительный вклад в образование смазочной плёнки.

Результаты эксперимента показали, что поверхности трения агрегатов, прошедшие обкатку по реализованной на практике схеме, приобретают наследственную память по режимам нагружения и смазочным материалам.

Результаты исследований применены при построении новых схем обкатки и испытаний агрегатов, в которых также исключается наличие влаги и воздуха в гидросистеме и агрегате за счёт использования теплоты смазочного материала. Результаты эксперимента на машине трения и испытаний агрегатов подтверждают данный вывод.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В результате выполненного комплекса исследований решена крупная научно-техническая проблема обеспечения работоспособности пар трения агрегатов гидравлических систем авиационной техники и других механических и тепловых систем транспортной техники при действии высоких механических и тепловых нагрузок. Методологической основой решения проблемы являются разработанные методы исследования трения и изнашивания металлических материалов в условиях смешанной смазки.

Проведенные теоретические и экспериментальные исследования позволили сделать следующие основные выводы:

1. Разработаны методы исследования трения и изнашивания металлических материалов при трении скольжения в условиях смешанной смазки:

- экспериментальный метод определения предельных значений удельной нагрузки, скорости скольжения и толщины смазочного слоя в паре трения; для его реализации создана установка для испытаний материалов на трение и износ (патент РФ № 1711572);

- алгоритм расчёта предельных значений удельной нагрузки и скорости скольжения по изменению коэффициента трения с учётом толщины смазочного слоя в паре трения.

2. Разработаны методы оценки температуры поверхности трения:

- методика экспериментальной оценки температуры поверхности трения с учётом толщины смазочного слоя в паре трения;

- алгоритм расчёта разности температур в стыке торцевой пары трения.

3. Установлены начальные условия переноса бронзы на поверхность стали в узлах трения агрегатов. Для пары трения Х12Ф1-БрОСН10-2-3 при начальной температуре 100С жидкости АМГ-10, нагрузке 11,8МПа и скорости скольжения 10м/с в течение одной минуты имеет резкое увеличение силы трения, рост температуры поверхности трения до 280320С, температура жидкости вблизи зоны трения достигает 150160С. Избирательный перенос в узлах трения агрегатов при заданных режимах нагружения и применяемых смазочных материалах отсутствует.

4. Предложены критерии оценки износостойкости пар трения со смазочным материалом: выбор материалов пары трения следует выполнять по характеристикам механических свойств (твёрдости, пределу прочности, относительному удлинению), их сочетанию (соотношению твердостей материалов трения) и критерию РпрV, определяемому по РпрV - номограммам.

5. Разработана методика, позволяющая проверить по критерию РпрV с учётом толщины Н смазочного слоя и коэффициента Квз взаимного перекрытия пары трения правильность выбора материалов трения при известных сопрягаемых размерах деталей. Учёт Н и Квз позволяет подбирать износостойкие материалы пары трения.

6. Разработаны и экспериментальным путём проверены способы расширения диапазона нормального трения и обеспечения динамического равновесия между образованием и разрушением смазочных плёнок на поверхностях трения за счёт:

- регулирования теплоты смазочного материала (цикличность по температуре в области высоких удельных нагрузок) - патент РФ № 2054569;

- регулирования фрикционной теплоты цикличностью нагружения при переходе к предельным нагрузкам (рост предельных нагрузок составляет 30-40% по сравнению с предельными нагрузками, полученными без регулирования фрикционной теплоты);

- цикличности по типу смазочного материала - патент РФ № 2113704;

- изменения коэффициента взаимного перекрытия пары трения.

7. Разработаны условия и критерии моделирования перехода от модели к натуре. Проведенные сравнительные испытания подтвердили удовлетворительное соответствие модели и натуры.

8. Сформулированы и научно обоснованы основные физические представления о процессе трения при смешанной смазке  в узлах трения агрегатов гидравлических систем авиационной техники. Разработана структура основных физических процессов, формирующих пару трения и её свойства при трении.

Установлено, что на антифрикционные и износные характеристики пары трения помимо свойств смазочного материала влияют степень сближения  двух тел, процесс теплогенерирования и теплораспределения в паре трения, энергетический и тепловой баланс при трении со смазочным материалом и характер температурных полей, определяющие структуру контакта тел в паре трения в зависимости от её свойств, смазочного материала и режимов трения.

9. Сформулированы научные принципы управления процессом трения и изнашивания пар трения со смазочным материалом и разработаны способы их решения: металловедческий, конструкторский и технологический. С их использованием для насоса НП96Т рекомендованы следующие сочетания материалов трения:

• Х12Ф1-БрОСН10-2-3 для пар трения блок цилиндров - распределительный золотник, башмак-наклонная шайба;
• 30Х3ВА-БрОСН10-2-3 + Аg (3-х слойное покрытие) для пары трения плунжер - блок цилиндров.

10. Установлена взаимосвязь изменения коэффициента трения и износа при трении скольжения: с увеличением коэффициента трения наблюдается рост износа, а с его уменьшением износ снижается. В области нормального трения коэффициент трения практически не изменяется и, как следствие, величина износа минимальна. При достижении для пары трения предельных значений критерия РпрV коэффициент трения и износ резко увеличиваются. Повышение температуры смазочного материала на входе в узел трения снижает коэффициент трения и величину износа в области неустойчивых процессов, а также создаёт для пары трения мягкие стартовые условия за счёт уменьшения зоны сцепления и увеличения зоны проскальзывания.

11. Установлена равновесная эксплуатационная шероховатость Rz поверхностей трения, равная 0,16мкм и 2,5мкм для стали и бронзы соответственно. Суммарная скорость изнашивания данной пары трения меньше скорости изнашивания для эталонной пары трения, имеющей шероховатость Rz поверхностей контакта 0,08мкм и 0,16мкм для стали и бронзы соответственно. Значения критерия РпрV для пары трения с оптимальной шероховатостью поверхностей трения в 2-3 раза выше, чем для эталонной пары трения.

12. Практическая ценность полученных результатов подтверждается их внедрением и использованием в ОАО Авиационная Корпорация Рубин и ОАО л345 механический завод.

Основные положения настоящей диссертации нашли отражение в следующих публикациях:

Монографии:

1. Меделяев И.А., Албагачиев А.Ю. Трение и износ деталей машин. М.: Машиностроение, 2008. 462с.
2. Гатауллин Р.М., Давиденко Н.Н., Свиридов Н.В., Сорокин В.Т.,  Меделяев И.А., Калинкин В.И., Перегудов Н.Н. Демин А.В. Контейнеры из композиционных материалов на основе бетона для низко - и среднеактивных отходов. М.: Энергоатомиздат, 2010. 176с.

Статьи в журналах, входящих в Перечень периодических изданий, рекомендованных ВАК России для публикации основных результатов диссертаций на соискание учёной степени доктора наук:

3. Меделяев И.A. Экспериментальная установка для исследования поверхностной энергии  металлов и сплавов / Сорокин Г.М., Албагачиев А.Ю., Меделяев И.A., Коркин В.А. // Трение и износ.1986. Т.7, № 6. С.980 - 984.
4. Меделяев И. A. Некоторые аспекты  выбора и создания износостойких металлических материалов для условий абразивного изнашивания / Сорокин Г. М.,  Албагачиев А. Ю., Меделяев И. A // Трение и износ. 1990. Т.11. № 5. С. 773 - 781.
5. Меделяев И. А., Алексеев А. К. Метод определения предельных значений удельной нагрузки и скорости скольжения для материалов пар трения скольжения, работающих в условиях граничной смазки // Трение и износ. 1991. Т. 12. № 4. С.714 - 720.
6. Меделяев И.A., Албагачиев А.Ю., Сорокин Г. М. Влияние поверхностной энергии на абразивное изнашивание материалов // Трение и износ. 2004. Т.25, № 1. С. 85 - 92.
7. Меделяев И.A., Албагачиев А.Ю., Сорокин Г. М. Физическая природа разрушения материалов при абразивном изнашивании // Трение и износ.2004. Т.25. № 2. С. 148 - 154.
8. Меделяев И. А. Основные закономерности процессов трения и изнашивания в парах трения гидравлических машин // Вестник машиностроения. 2004. № 9. С. 42-47.
9. Меделяев И.А. Диагностика температурной нагруженности антифрикционных пар трения // Заводская лаборатория. Диагностика материалов. 2005. Т.71. № 6. С. 53 - 58.
10. Меделяев И. А. Физические представления о процессах трения и изнашивания при граничной смазке // Вестник машиностроения. 2005. № 10. С. 27-38.
11. Меделяев И. А. Влияние механических свойств пары сталь-бронза на коэффициент трения при граничной смазке // Вестник машиностроения. 2006. № 2. С. 41-44.
12. Меделяев И.А. О природе граничного трения // Вестник машиностроения. 2006. № 8. С. 37-46.
13. Меделяев И.А. Нормальный режим трения и долговечность антифрикционных пар со смазкой при повышенных нагрузках // Сборка в машиностроении, приборостроении. 2006. № 8. С. 32 - 38.
14. Меделяев И.А. Инженерные критерии оценки износостойкости материалов пар трения машин и механизмов // Сборка в машиностроении, приборостроении. 2007. № 4. С. 34 - 37 .
15. Меделяев И.А. Трение как составная часть механизма изнашивания // Сборка в машиностроении, приборостроении. 2007. № 7. С. 43 - 47.
16. Меделяев И.А. Научное обоснование технических решений по управлению изнашиванием в условиях граничного трения // Вестник машиностроения. 2008. № 11. С. 37- 42.
17. Меделяев И. А. Явление трибомутации в узлах трения агрегатов // Вестник машиностроения. 2011. № 4. С. 48-53.

Статьи в прочих научных журналах, материалах международных и всероссийских научных конференций и сборниках научных трудов:

18. Меделяев И.А. Метод определения абразивной износостойкости металлических материалов / Албагачиев А.Ю., Меделяев И.А. // Тез. докл. III Московской научно-технической конференции Триботехника -машиностроению. Москва, 1987. С. 166 - 167.
19. Меделяев И.А. Взаимосвязь шероховатости поверхности, трения и изнашивания металлических материалов при граничной смазке / Меделяев И.А., Албагачиев А.Ю. // Научные труды VII Международной научно-практической конференции Фундаментальные и прикладные проблемы приборостроения, информатики, экономики и права. Книга Приборостроение. М.: МГАПИ, 2004. С. 159-171.
20. Меделяев И.А. Влияние коэффициента взаимного перекрытия на трение и изнашивание сопряжённых поверхностей узлов трения / Е.И. Крамаренко, В.В. Мозалёв, А.Ю. Албагачиев, И.А. Меделяев // Тез. докл. Междунар. науч. - техн. конф. "Полимерные композиты и трибология" (Поликомтриб-2005). Гомель: ИММС НАНБ, 2005. С. 119 - 121.
21. Меделяев И.А. Изменение твёрдости поверхностей скольжения при граничной смазке / Крамаренко Е.И., Меделяев И.А., Мозалёв В.В., Албагачиев А.Ю. // Труды 6-го Международного Симпозиума по фрикционным изделиям и материалам Ярофри - 2006, Ярославль, 2006. С. 226 - 228.
22. Меделяев И.А., Албагачиев А. Ю. Внешнесиловое воздействие на трение и изнашивание металлических материалов при граничной смазке // Вестник Московской Государственной Академии Приборостроения и информатики. 2006. № 3. С. 55 - 69.
23. Меделяев И.А., Албагачиев А. Ю. Особенности схватывания металлов при тернии и изнашивании в условиях граничной смазки // Вестник Московского Государственного Университета Приборостроения и информатики. 2007. № 6. С. 28 - 44.
24. Меделяев И.А. Распределение температуры по поверхности трения скольжения при граничной смазке / Албагачиев А. Ю., Меделяев И.А. // Вестник Московского Государственного Университета Приборостроения и информатики, 2007. № 7. С. 8 - 14.
25. Меделяев И.А., Гатауллин Р.М. Производство железобетонных контейнеров для решения проблем обращения с РАО // Безопасность окружающей среды. 2008. № 1. С. 76 - 79.
26. Гатауллин Р.М., Меделяев И.А., Шарафутдинов Р.Б. Использование перспективных технологий для решения проблем обращения с радиоактивными отходами // Ядерная и радиационная безопасность. 2008. № 4 (50). С. 68-75.
27. Сорокин В.Т., Демин А.В., Прохоров Н.А., Великина С.А, Гатауллин Р.М., Меделяев И.А., Перегудов Н.Н., Шарафутдинов Р.Б. Хранение отработавших ионообменных смол низкого и среднего уровня удельной активности в контейнерах типа НЗК без включения в матрицу // Ядерная и радиационная безопасность. 2009. № 4 (54).
28. Албагачиев А.Ю., Меделяев И.А. Изнашивание антифрикционных пар со смазкой при нормальном режиме трения// Вестник Московского Государственного Университета Приборостроения и информатики. 2009. № 23. С. 14 - 26.
29. Меделяев И.А. Исследование изнашивания узлов трения агрегатов при смешанной смазке // Научные труды Международной научно-практической конференции Фундаментальные проблемы  и современные технологии в машиностроении. М.: Машиностроение, 2010. С. 413-420.
30. Меделяев И.А. Изнашивание узлов трения при смешанной смазке// Труды 8-го Международного Симпозиума по фрикционным изделиям и материалам Ярофри - 2010, Ярославль, 2010. С. 114 - 125.

Брошюры и депонированные рукописи:

31. Меделяев И.А. Адсорбционные методы разделения воздуха / Воротынцев В.Б., Меделяев И.А., Петухов С.С., Четверик О.В. // Брошюра. М.: ЦИНТИхимнефтемаш, 1981. 30с.
32. Меделяев И.А. Влияние поверхностной энергии на триботехнические характеристики материалов и методы ее исследования / Сорокин Г.М., Албагачиев А.Ю., Меделяев И.A. // Рукопись. Москва, (1985). Деп. в ВИНИТИ 10.06.85, № 3999.
33. Меделяев И.А. Разработка физической модели абразивного изнашивания металлов и сплавов / Сорокин Г.М., Албагачиев А. Ю., Меделяев И.А. // Рукопись.  Москва (1986). Деп. в ин-те Черметинформация 10.06.86, № 3442.
34. Меделяев И.А. Влияние химического состава и структуры сталей на их поверхностную энергию / Сорокин Г.М., Албагачиев А. Ю., Меделяев И.А. // Рукопись. Москва (1986). Деп. в ин-те Черметинформация 10.06.86, № 3443.
35. Меделяев И.А. Влияние поверхностной энергии на их абразивную износостойкость / Сорокин Г.М., Албагачиев А. Ю., Меделяев И.А. // Рукопись. Москва (1986). Деп. в ин-те Черметинформация 10.06.86, № 3444.

Патенты, авторское свидетельство и положительное решение на изобретения:

36. Устройство для измерения поверхностного потенциала металлов: а. с. 1260824 СССР, МКИ4 G01N 27/62. Бюл. изоб.(1986) № 36 / Меделяев И. A., Сорокин Г.М., Албагачиев А. Ю., Согомонов Э. Р. 
37. Устройство для испытаний материалов на трение и износ: Пат. 1 711572 РФ: МКИ4 G01N3/56. Бюл. изоб. (1992) № 5 / Меделяев И.A., Алексеев А.К., Сергеев Н.А.
38. Агрегат - накопитель усталостных повреждений гидроагрегата: Положительное решение на изобретение № 92-012182/29(058323): МКИ5 F16К17/14. Бюл. изоб. (1995) № 30 / Меделяев И.A., Парфёнов В.Н., Черенков А.С., Кузнецов Н.П., Верле Е.С., Политов В.А., Полюшков Г.А., Капелюш А.И., Серёгин А.С.
39. Способ  приработки  пары  трения: Пат. 2 054569 РФ: МКИ4 F02B79/00. Бюл. изоб. (1996) № 5 / Меделяев И.A., Алексеев А.К., Макаров Ю.И.
40. Способ испытания  пары  трения: Пат. 2 113704 РФ: МКИ4 G01N3/56. Бюл. изоб. (1998) № 17 / Меделяев И.A., Алексеев А.К., Фомина Н.П., Клинков В.П.
41. Захватное устройство для щелевой крышки контейнера: Пат. 77а719 РФ: МПК G 21F5/06. Бюл. изоб. (2008) № 30 / Меделяев И.А., Гатауллин Р.М., Бутылкин М.Т., Колгашкин А.К.
42. Комплекс для отработки контейнеров с радиоактивными отходами: Пат. 78а980 РФ: МПК G 21F5/14, G 21F7/06, G 21F9/00. Бюл. изоб. (2008) № 34 / Меделяев И.А., Гатауллин Р.М., Баринов А.С., Свиридов Н.В., Арустамов А.Э.
43. Комплекс для отработки контейнеров с радиоактивными отходами: Пат. 2 375772 РФ: МПК G 21F5/14. Бюл. изоб. (2009) № 34 / Меделяев И.А., Гатауллин Р.М., Баринов А.С., Свиридов Н.В., Арустамов А.Э.
44. Контейнер для захоронения и/или транспортирования радиоактивных отходов: Пат. 98844 РФ: МПК G 21F5/00. Бюл. изоб. (2010) № 30 / Меделяев И.А., Арустамов А.Э., Баринов А.С., Гатауллин Р.М., Дмитриев С.А., Подшивалов Д.Д.

Авторефераты по всем темам  >>  Авторефераты по разное