Разработка методов и средств определения износостойкости полимерных антифрикционных материалов

Практика эксплуатации машин и механизмов показала, что их долговечность и работоспособность в условиях Крайнего Севера резко снижается. Значительная часть неисправностей техники связана с низкой надежностью триботехнических систем, в том числе, подшипников скольжения. Анализ надежности трибосопряжений показывает, что основной причиной в данном случае является резкое повышение вязкости, а зачастую и застывание применяемых смазочных масел и спецжидкостей, в результате чего существенно повышается мощность трения и износ сопрягаемых деталей.

Одним из наиболее эффективных способов предотвращения преждевременного выхода из строя узлов трения является использование в них антифрикционных покрытий, втулок и вкладышей из полимерных композиционных материалов. Применение их позволяет уменьшить или совсем исключить использование смазки, что особенно важно для узлов, в которых смазка нежелательна, невозможна или требует сложных и дорогостоящих систем.

Кроме того, например, при замене подшипников качения на металло-фторопластовые подшипники скольжения получается значительный выигрыш в размерах и массе. Для одного и того же вала масса металлофторопла-стового подшипника в 10−15 раз ниже, а наружный диаметр в 2 раза ниже, чем у подшипников качения [118].

Замена традиционных подшипниковых узлов полимерными твердо-смазочными подшипниками скольжения происходит в настоящее время во многих отраслях, являясь одним из перспективных путей совершенствования новой техники, работающей в различных условиях, в частности, при низких температурах, вакууме, в условиях стерильного производства и т. п. Современные технологии позволяют создавать широкую номенклатуру самосмазывающихся материалов, удовлетворяющих самым разнообразным требованиям. Количество вновь создаваемых материалов непрерывно растет и обеспечивает возможность значительно повысить износостойкость и долговечность изготовленных на их основе элементов узлов трения. Ресурс их составляет десятки, а иногда, и сотни тысяч часов. Естественно увеличивается время и затраты, связанные с ресурсными испытаниями. Возможность множества конструктивных решений, вызванная непрерывно увеличивающимся количеством новых антифрикционных материалов, многократно усложняет ситуацию.

Несмотря на постоянное внимание исследователей, разработка эффективных методов и средств определения износостойкости полимерных композиционных материалов и изделий по схеме «вал-втулка», как наиболее близкой к реальным условиям, является актуальной задачей, решение которой позволит обеспечить выбор наиболее работоспособных материалов для решения конкретных задач машиностроения.

Существует множество экспресс методов определения износостойкости подшипников скольжения. Суть их сводится к следующему: функция интенсивности изнашивания представляется в виде некоторой функции контактного давления, зависящей от нескольких параметров. Эпюра контактного давления и угол контакта определяются из решения соответствующей задачи контактного взаимодействия. Параметры изнашивания определяются исходя из результатов непрерывного измерения величины линейного износа, с учетом среднеквадратичного уклонения функции интенсивности изнашивания от степенной функции эпюры контактного давления.

В мировой практике машиностроения наблюдается ориентация на стендовые испытания, как основной путь определения долговечности деталей машин. Стендовые испытания проводятся в условиях, соответствующих типовому (определяющему работоспособность) эксплуатационному режиму. Они проводятся при оценке износостойкости деталей и узлов в целях анализа эффективности тех или иных конструкционных и технологических мероприятий, направленных на улучшение триботехнических свойств, при установлении ориентировочных сроков службы деталей и предельно допустимого износа, при контроле качества изготовления изделий и др.

Значительная продолжительность ресурсных испытаний и высокие затраты на их проведение настоятельно требуют разработки оперативных методов оценки долговечности узлов трения по результатам испытаний ограниченного объема.

Необходимость осуществления непрерывного замера линейного износа ограничивает применение существующих методов при стендовых и эксплуатационных испытаниях. В этом случае наиболее перспективными представляются методы расчета долговечности по времени достижения заданной величины износа.

При проведении ускоренных испытаний, для сравнительной оценки свойств новых материалов, контроля стабильности триботехнических свойств материалов при производстве и разработке рекомендаций по допустимым режимам нагружения необходимо проведение большого количества экспериментов с регистрацией основных триботехнических параметровмощности трения, температуры, величины линейного износа. Необходимым условием одновременного испытания множества одинаковых образцов с регистрацией ряда триботехнических параметров является разработка автоматизированной системы измерения, преимущества которой очевидны.

Автоматизированная система сбора и обработки информации не только существенно увеличивает быстродействие и точность регистрации результатов наблюдения по заданной программе, но и раскрывает новые возможности для постановки различных экспериментов.

Серийные машины трения не обеспечивают одновременного испытания нескольких образцов. Решением могло бы быть удлинение вала и испытание системы подшипников на общем валу, а также разработка малогабаритных модулей для триботехнических испытаний. Однако при этом определенные трудности возникают с измерением момента сил трения. В системе подшипников на общем валу, например, трудность заключается в измерении момента сил трения в каждом узле в отдельности. Одним из путей повышения производительности триботехнических испытаний подшипников скольжения из полимерных композиционных материалов является разработка малогабаритного средства измерения момента сил трения, допускающего измерение потерь на трение в каждом узле системы подшипников в широком диапазоне значений моментов.

В машинах и механизмах подшипники скольжения из антифрикционных композиционных материалов располагаются как горизонтально, так и вертикально. В тоже время, долговечность подшипников скольжения у различных схем (горизонтальной и вертикальной) значительно отличаются. Серийные машины трения не обеспечивают возможности проведения экспериментов при вертикальной нагрузке, что обуславливает необходимость создания специального оборудования для испытаний вертикально расположенных п о д ш и п н и ко в с кол ьже н и я.

Традиционно при проведении ускоренных испытаний обычно ограничиваются небольшим интервалом времени, сравнимым с периодом приработки. Основное отклонение закона изменения интенсивности изнашивания от степенной функции происходит именно в этот период, что вносит существенную погрешность в прогнозирование ресурса. Поэтому режимы приработки необходимо исследовать отдельно постановкой специальных экспериментов. Значения линейног^ износа, полученные в период приработки, при определении параметров функции интенсивности изнашивания необходимо исключать. Для сокращения времени и материальных затрат необходимо разработать способ и техническое устройство для ускоренной искусственной приработки пары трения. Подобное устройство найдет широкое применение также при подготовке образцов к ускоренным испытаниям, а также в испытаниях, в которых необходимо обеспечить заданный угол контакта, например, при экспериментальной проверке метода тепловой диагностики трения [106].

Наличие достоверных методов ускоренных испытаний на долговечность в любом случае не исключает проведение полных ресурсных испытаний. При этом наибольшую трудность представляет привлечение большого количества персонала для проведения круглосуточных работ в течение дли-^ тельного периода времени. Поэтому особую значимость имеет обоснование возможности замены длительных испытаний серией кратковременных. Анализ работ по исследованию периода приработки дает основание предположить, что для некоторого класса подшипников скольжения такая замена возможна.

При разработке методик ускоренных испытаний обычно используются некоторые закономерности или асимптотические зависимости, которые справедливы в определенном преобладающем периоде трения. При таком положении важную роль имеет исключение таких периодов трения, при которых эти закономерности нарушаются. Влияние стабилизации температуры в зоне трения на износостойкость изучено недостаточно.

Целыо работы является создание эффективных методов и средств определения износостойкости полимерных композиционных материалов и изделий антифрикционного назначения на основе усовершенствования испытательной техники, обеспечения гарантированных условий контакта и обоснования возможности проведения кратковременных испытаний. Для достижения указанной цели в работе поставлены следующие задачи:

— разработка комплекса оборудования высокой производительности с широким диапазоном измерения основных триботехнических параметров с автоматизированной системой сбора обработки и регистрации информации;

— модернизация и усовершенствование испытательного оборудования машин и повышение достоверности при исследованиях износостойкости антифрикционных материалов;

— обоснование возможности замены непрерывных ресурсных испытаний металлофторопластовых подшипников скольжения серией кратковременных;

— исследование влияния стабилизации температуры на поверхности трения на износостойкость полимерных подшипников скольжения;

— разработка методики ускоренных испытаний подшипников скольжения на износостойкость, пригодную при проведении стендовых и эксплуатационных испытаний техники;

— разработка способа ускоренной приработки и проверка его эффективности при экспериментальной проверке метода тепловой диагностики трения;

В основу диссертации положены результаты исследований по следующим научно-исследовательским программам и темам:

— тема 1.11.2.1 «Разработка методов прогнозирования и оптимального проектирования узлов тренияисследование и создание полимерных материалов и конструкций для опор скольжения и герметизаторов арктической техники» (Пост. ГКНТ СССР № 10 103−1540 от 24.01.87);

— тема 1.11.2.1 «Разработка методов прогнозирования долговечности и диагностики технического состояния узлов трения. Исследование гриботех-нических свойств материалов и создание перспективных конструкций узлов трения, в том числе для условий Крайнего Севера» (Пост. ГКНТ СССР № 885 от 07.06.91), 1996;1998гг.;

— тема 1.5.2.5 «Разработка методов и прогнозирования работоспособности и долговечности узлов трения» (№ гос. per. 01.9.70 000 655″), 19 961 998гг.

— тема 2.3.3 «Математическое моделирование термоконтактного взаимодействия в трибосопряжениях и определение эксплуатационных параметров для прогнозирования работоспособности и оценки технического состояния узлов трения машин» (№ гос. регистрации 01.9.9.90 001 616″), 1999;2001гг;

— тема 2.3.3 «Разработка методов расчета триботехнических параметров для систем опор скольжения из полимерных композиционных материалов» (№ гос. регистрации 01.200.20 045″), 2002;2004 гг.

Работа состоит из введения, трех основных глав и заключения, изложена на 125 страницах, содержит 36 рисунка, 5 таблиц и списка использованной научной литературы, включающего 135 наименований.

Основные результаты работы опубликованы в 21 научных работах, в том числе 2 статьи в Международных и Всероссийских журналах, 3 доклада на конференциях, получено 3 авторских свидетельства на изобретения.

Выводы к главе III.

1. Разработана методика ускоренных испытаний на базе разноразмерных образцов, позволяющая определять ресурс подшипников скольжения из полимерных композиционных материалов по регистрации времени достижении заданной величины износа. Экспериментами на реальных подшипниках скольжения показано, что погрешность определения долговечности по предлагаемой методике не превышает 10−15%.

2. Разработан оригинальный способ ускоренной приработки цилиндрических втулок из полимерных материалов для снижения погрешности измеряемых параметров при проведении ускоренных испытаний и сокращения времени достижения определенной величины износа (а.с. № 1 562 763).

3. Проведена оценка эффективности метода тепловой диагностики трения для системы подшипников на общем валу с использованием разработанного способа ускоренной приработки и измерителя момента силы трения.

4. Разработанное оборудование и методы испытаний широко используются при создании новых антифрикционных материалов и обеспечивают возможность получения более достоверной информации о трибогехни-ческих характеристиках композитов при различных эксплуатационных режимах.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

1. Разработан комплекс оборудования с повышенной точностью измерения основных триботехнических параметров полимерных композиционных материалов и изделий из них с автоматизированной системой регистрации, сбора и обработки информации оснащенной модифицированными устройствами для измерения моментов трения и износа в динамическом режиме (а.с. № 1 376 010). Повышение точности измерения триботехнических параметров достигнуто уменьшением степеней свободы при фиксации испытываемых образцов материалов и изделий соответствующим устранением несоосности поверхностей трения.

2. Разработаны оригинальный способ и методика обеспечения постоянства угла контакта при испытаниях подшипников скольжения из полимерных антифрикционных материалов и соответствующие методики экспериментов позволяющие сохранять постоянными скорость изнашивания, температурный режим трения и коэффициент трения в интервале времени (а.с. № 1 742 672). Способ позволяет получить представительный объем статистической выборки и повысить точность определения триботехнических свойств антифрикционных материалов, реализованных в изделии при заданном угле контакта.

3. Разработаны оригинальный способ и методика оперативного достижения заданной величины износа в подшипнике скольжения из полимерного композиционного материала (а.с. № 1 562 763). Использование способа сокращает время испытаний за счет предварительного формирования площади контакта, обеспечивающего выполнение асимптотической формулы распределения контактного давления, что позволяет упростить математическое описание процесса изнашивания, необходимого для определения ресурса подшипника скольжения.

4. Показана эффективность восстановления моментов сил трения в системе подшипников скольжения на общем валу по замерам температуры в неподвижных втулках с использованием оригинальных способов приработки и измерения момента силы трения.

Показано, что для металлополимерных подшипников скольжения непрерывные испытания можно заменить серией кратковременных, суммарная длительность которых равна длительности первых. При этом исключается проведение повторных испытаний из-за непредвиденных остановок и проведения испытаний во внерабочее время, что упрощает их организацию и уменьшает общие затраты.

Разработана методика ускоренных испытаний на базе разноразмерных образцов, позволяющая определять ресурс подшипника скольжения по регистрации времени достижения заданной величины износа. Методика может быть использована для определения долговечности при стендовых и эксплуатационных испытаниях подшипников скольжения из полимерных композиционных материалов.

Разработаны оборудование и методы испытаний, которые обеспечивают возможность получения более достоверной информации о триботехни-ческих характеристиках композитов при создании новых антифрикционных материалов.