Обеспечение эксплуатационных свойств пар трения приборов, работающих в экстремальных условиях

В основных направлениях экономического и социального развития России большое внимание отводится вопросам совершенствования технологии производства, применению базовых прогрессивных технологий, указывается на то, что необходимо более полно использовать при разработке новой техники и технологии возможности материалов с заранее заданными свойствами, особенно прогрессивных конструкционных, композиционных, сверхчистых и других материалов, обусловливающих высокий экономический эффект в народном хозяйстве, повысить надёжность и ресурс работы техники, комплексно исследовать строение Мирового океана и атмосферы, космического пространства, а также Вселенной.

Повышение надёжности машин, приборов, технологического оборудования и инструмента непосредственно связано с повышением износостойкости. Решение этой актуальной и практически необходимой задачи возможно только на базе глубоких научно обоснованных решений.

В этой связи исключительное значение приобретают работы в области триботехнического материаловедения (сплавов, полимеров, композитов, покрытий, упрочнения поверхностей трения и т. д.), а также теоретические и экспериментальные исследования в области физико-химической механики процессов трения и изнашивания с использованием новейших испытательных средств и измерительной техники, которые могут раскрыть и подсказать новые способы снижения потерь на трение и повышения износостойкости машин, приборов и оборудования.

Интенсивное развитие космонавтики, ракетной техники, ядерной энергетики, рентгеновской техники и ряда других областей выдвинули задачу обеспечения надёжной работы подвижных узлов механизмов приборов и аппаратов в экстремальных условиях (вакуум, высокая температура, интенсивные излучения разного рода, высокие контактные нагрузки и т. д.).

Проблема повышения надёжности приборов, машин и механизмов в таких условиях тесно связана с вопросами триботехники, с исследованиями контактного взаимодействия взаимно перемещающихся твёрдых тел, в результате которого в зоне контакта возникают силы трения.

Современная трибология располагает рядом фундаментальных теоретических и экспериментальных закономерностей, которые, безусловно, могут позволить в ближайшие годы успешно решать задачи в области сухого и граничного трения, газодинамической, гидродинамической и эластогидродинамической смазки, которые реализуются в различных узлах машин при трении скольжении, качении или качении со скольжением [1.8].

Принципиально новые конструктивные и смазочные материалы создаются один раз в 10. 15 лет, а то и реже.

На сегодняшний день академик МИА и РИА, президент Ассоциации инженеров-трибологов России, лауреат Большой золотой медали по трибологии, доктор технических наук А. В. Чичинадзе выделяет разделы и направления трибологии и триботехники [9], на которые необходимо особо обращать внимание, такие как:

— создание и оптимальное использование универсальных и целевых машин трения в исследованиях по трибологии и в практических задачах триботехники для оценки и выбора оптимальных материалов для конкретных служебных условий;

— разработка научных основ и практических рекомендаций, необходимых для создания износостойких антифрикционных материалов, новых технологий упрочнения и нанесения покрытий и др.

В связи с указанными выше направлениями трибологии и триботехники на передний план выдвигаются следующие проблемы:

— обеспечение экономически целесообразной наибольшей долговечности узлов трения или, по возможности, равной износостойкости по сравнению с другими частями машины при работе в различных средах;

— 6- повышение работоспособности материалов и узлов трения в широком диапазоне температур (отрицательных и положительных);

— обеспечение минимального сопротивления движению.

Для преодоления этих проблем необходимо решить конкретную задачу триботехники — повысить несущую способность и долговечность массовых по изготовлению деталей (например, подшипников) за счёт новых технологий и материалов, а также оптимизации формы поверхностей трения.

При решении такой актуальной задачи необходимо проведение следующих исследований:

— тонких поверхностных слоёв при трении скольжения и качения, в том числе при использовании эффекта избирательного переносановых самосмазывающихся твёрдых и порошковых смазочных материалов;

— по оптимальному использованию новых технологических способов упрочнения поверхностей трения и нанесения антифрикционных и фрикционных покрытий.

Проблемами трения и смазки в различных условиях занимались отечественные и зарубежные исследователи: И. Я. Алыииц, Дж. Бойд, Е. Р. Брейтуейт, А. Г. Брегг, В. Э. Вайнштейн, И. В. Крагельский, Г. В. Курилов, А. А. Кутьков, К. Н. Войнов, И. М. Любарский, P.M. Матвеевский, М. Матеунага, Т. Накагава, К. С. Оливер, JI.H. Петрова, Б. П. Робетсон, JI.H. Сентюрихина, А. Д. Халтнер, К. Хоишлюто, А. А. Силин, Б. Н. Веркин, И. Н. Францевич, В. Е. Шиевский, B.JI. Тальрозе, JI.A. Чатынян и др.

Наиболее экстремальными условиями для работы пар трения создаются в космическом пространстве как в процессе прохождения ракетой плотных слоёв атмосферы, так и в условиях космического полёта.

Наибольшее влияние [10] при этом оказывают следующие факторы: — давление в диапазоне от атмосферного до 1−10 ~13 мм рт.ст.;

— 7- температура с перепадом от -100 °С до +1000 °С при необходимости длительной работы при температуре порядка 500 °C и кратковременных возрастаниях температур свыше 1000 °C;

— скорости вращения в диапазоне от малых периодических до непрерывных, доходящих до 30 000 об/мин. и выше;

— большие удельные нагрузки, связанные с необходимостью уменьшения веса и габаритов механизмов;

— наличие значительных вибраций и в связи с этим большие контактные нагрузки;

— воздействие окружающих магнитных полей и индуктивных электрических токов;

— активное воздействие космической среды на поверхности контакта, в первую очередь, излучение солнца, а также довольно интенсивная бомбардировка поверхностей потоками активных частиц;

— воздействие химически активных веществ (рабочих жидкостей в системах подачи топлива, горячих газов и т. д.);

— невесомость;

— собственное излучение ядерных космических объектов.

По усталостной теории И. В. Крагельского [11], поверхность трения разрушается от многократно повторяющегося процесса передеформирования поверхностных слоев [11, 12]. Эта теория предполагает наличие на поверхности тел плёнки, которая разделяет их и обеспечивает положительный градиент механических свойств по глубине тела.

Основное влияние вакуума на поведение пар трения проявляется в том, что поверхности твёрдых тел в вакууме освобождаются от покрывающих их обычно адсорбированных и хемосорбированных плёнок, вступают в непосредственный контакт друг с другом и образуют недопустимо прочные связи [14]. Силы адгезии при соприкосновении ювенильных поверхностей огромны, в результате чего возрастает коэффициент трения и, в конечном счёте, поверхности могут свариваться в холодном состоянии [15].

Большое внимание в нашей стране и за рубежом уделяется изучению вопросов изыскания материалов для пар трения, работающих в вакууме при высокой температуре. По литературным данным в различных конструкциях вакуумных систем широкое применение получили нержавеющие жаропрочные материалы с покрытием на основе дисульфида молибдена, диселенида молибдена, графита и других неметаллических материалов, срок службы которых определяется прочностью их сцепления с материалом основы.

Плёнки препятствуют глубинному вырыванию нижележащих слоёв, однако, не защищают от деформации, возникающей при скольжении выступов микрошероховатости поверхности.

Б.П. Лобашев и Ю. В. Макаров предложили [21] модель трения, позволяющую дать объяснение механизма смазочного действия твёрдых тел различной природы (слоистых, полимеров, мягких металлов, твёрдых соединений) на единой теоретической основе. В соответствии с нею механизм трения материалов рассматривается с точки зрения характера вторичных структур, природы и количества вероятных адгезионных связей.

С этих позиций низкое трение слоистых твёрдых тел (графита, дисульфида молибдена, других дихалькогенидов) и большей части полимеров обусловлено переносом материала — смазки на поверхность сопряжённого тела и образования вторичных структур на обеих поверхностях, отличающихся заметной ориентацией кристаллов плоскостями наименьшей стойкости вдоль направления скольжения.

Эффективную работоспособность в условиях вакуума и высоких температур сохраняют наиболее твёрдые материалы.

Эксплуатационные свойства деталей, как и качество приборов, машин, механизмов и оборудования, то есть обеспечение оптимального уровня их надёжности и точности в целом и в значительной степени зависят от качества рабочих поверхностей.

Качество поверхностей деталей определяется совокупностью геометрических и физико-химических характеристик.

Перед технологами стоят актуальные задачи в формировании в производственных условиях характеристик качества обрабатываемых поверхностей, отвечающих заданным эксплуатационным требованиям. Однако, в условиях современных темпов повышения требований к качеству контактирующих сопрягаемых поверхностей деталей машин и приборов подобные задачи не могут быть эффективно решены только применением традиционных методов механической обработки, основанных на резании материалов.

Успешное решение указанных задач возможно при использовании поверхностей с принципиально новыми свойствами микрогеометрии — регулярностью на основе установления связей характеристик качества с условиями обработки.

Достоинство и перспективность поверхностей с регулярными микрорельефами безусловны, поскольку практически впервые используется микрорельеф, все геометрические параметры которого (высотные, шаговые, площадные) могут быть рассчитаны аналитически как функции режимов вибронакатывания — операции, при которой образуется регулярный микрорельеф.

Актуальной является и задача получения прочного износостойкого покрытия и оценки качества покрытия. При этом одним из основных вопросов исследования пар трения, работающих в вакууме при высокой температуре, является создание в наземных вакуумных установках условий, приближённых к космическим и соответственно перенесение результатов экспериментов на механизмы, работающие в условиях космического пространства.

— 10 В соответствии с изложенным выше материал диссертации разбит на четыре главы.

В первой части первой главы на основе анализа литературы обсуждаются модели пар трения подвижных узлов исполнительных механизмов, работающих в вакууме при высокой температуре.

Вторая часть посвящена влиянию качества поверхностей на эксплуатационные свойства деталей. В ней также рассмотрены проблемы качества поверхностей. Основное внимание уделено регулярному микрорельефу поверхностей как один из путей решения этой проблемы.

Во второй главе обоснован выбор и дана методика расчёта микрорельефа, определяющего успешную работу пар трения узлов приборов в вакууме при высокой температуре, включающие: определение влияния микрорельефа на адгезию твёрдоплёночного покрытияисследование влияния регулярного микрорельефа на эксплуатационные свойства пары трения, работающей в вакууме при высокой температуреопределение расчётных зависимостей параметров микрорельефа для проектирования пары трения приборов, работающих в вакууме при высокой температуре.

Третья глава описывает методику экспериментальных исследований пар трения, работающих в вакууме при высокой температуре. Представлены разработанные автором технология, оснастка, инструмент для нанесения и контроля твёрдоплёночного покрытия для формирования регулярного микрорельефа, используемое оборудование. Подробно описан разработанный при участии автора стенд для ускоренных испытаний пар трения, работающих в вакууме при высокой температуре. Рассмотрена установка для ресурсных испытаний деталей и узлов приборов в вакууме при высокой температуре.

Четвёртая глава посвящена исследованию влияния регулярного микрорельефа на эксплуатационные свойства пар трения, работающих в вакууме при высокой температуре. Глава содержит результаты экспериментальных исследований влияния регулярного микрорельефа поверхностей трения деталей приборов на коэффициент трения, на износостойкость. Проведены как ускоренные испытания на образцах — для быстрой оценки результата и отбора наилучших сочетаний трущихся пар, так и ресурсные испытания на штатных деталях. В главе также приведены результаты исследований влияния регулярного микрорельефа на износостойкость и коэффициент трения пар трения при натурных испытаниях, а также практические рекомендации. Кроме того, в оболочке компьютерной программы Mathcad получены соответствующие уравнения, описывающие экспериментальные триботехнические характеристики.

Положения, выносимые на защиту диссертации.

Получение регулярного микрорельефа ответственных поверхностей трения деталей из сплавов ЭИ-828 и ВЖЛ-16, обеспечивающего в период приработки их высокую работоспособность в вакууме при температуре до 700 °C.

Создание регулярного микрорельефа на поверхностях трения с твёрдоплёночным покрытием путём вибрпонакатывания в несколько раз увеличивает адгезию покрытия к подложке, что реализовано с помощью созданного стенда, виброголовки и специальной оснастки.

Регулярный микрорельеф поверхностей трения деталей с твёрдосмазочным покрытием ВНИИНП-229 при работе в вакууме при высокой температуре снижает коэффициент трения пары и увеличивает износостойкость смазочного покрытия. Установлен общий вид поверхностей трения с ПРМР (полностью регулярный микрорельеф).

Определены количественные триботехнические характеристики, получены формулы и построены графики для исследованных материалов пар трения в специфических условиях эксплуатации.

Разработанные автором технологическая инструкция и технологический процесс для нанесения и контроля твёрдоплёночного покрытия на основе дисульфида молибдена, создание на поверхностях трения регулярного микрорельфа позволили конструкторам создать надёжный узел трения в изделии, работающем в вакууме при высокой температуре.

Основные результаты и выводы.

1. Теоретически обоснованы, рассчитаны параметры регулярного микрорельефа оптимальной по износостойкости с низким коэффициентом трения пары трения узлов приборов для работы в экстремальных условиях — в вакууме при высокой температуре и отработана технология её изготовления.

2. Исследовано влияние регуляризации микрорельефа на адгезию покрытия. Показано, что регуляризация микрорельефа поверхности с плёночным покрытием увеличивает адгезию покрытия в несколько раз. Предложен способ и технология нанесения твёрдоплёночного покрытия на основе дисульфида молибдена с образованием на поверхности регулярного микрорельефа.

3. Установлено, что для пар трения с твёрдосмазочным покрытием, работающих в вакууме при высокой температуре, регуляризация микрорельефа обеспечивает снижение коэффициента трения и увеличение износостойкости покрытия.

— 1024. Предложены критерии оценки антифрикционных свойств и износостойкости пар трения, работающих в вакууме при высокой температуре. Разработана технология изготовления пар трения путём нанесения твёрдоплёночного покрытия ВНИИНП-229 на обе трущиеся поверхности и создания на одной из них полного регулярного микрорельефа (ПРМР) — регулярного микрорельефа IV типа.

5. Разработана методика подбора пар трения, работающих в вакууме при высокой температуре. Выработаны критерии оценки работоспособности пар трения.

Заключение

.

Создание и отработка пар трения для изделия, работающего в вакууме при высокой температуре, явилось сложнейшей научно-технической задачей. Она решалась поэтапно и в различных направлениях в течение длительного времени, что было связано с комплексом проблем по выбору пары трения — материалом, смазки, способу нанесения её и с большим ресурсом испытания изделия.

Наибольшее распространение среди твёрдых смазочных покрытий для работы в вакууме при высокой температуре нашло покрытие на основе дисульфида молибдена. Существующие методы нанесения покрытия — натирание, напыление, электрофоретическое — обладают существенными недостатками — слабая адгезия покрытия к подложке, малая толщина покрытия и трудность выдерживания необходимых размеров в сопрягаемых трущихся деталях. Регуляризация микрорельефа увеличивает адгезию в несколько раз.

Впервые исследовано влияние регуляризации микрорельефа поверхностей пар трения приборов, работающих в вакууме при высокой температуре, на коэффициент трения и износостойкость.

Впервые теоретически обоснованы, рассчитаны параметры регулярного микрорельефа, позволяющего получить пару трения с низким коэффициентом трения и высокой износостойкостью для работы в экстремальных условиях — в вакууме, при высокой температуре и отработана технология её изготовления.

Разработанные автором и в соавторстве «Устройство для нанесения регулярного микрорельефа», технологические инструкции — «Выглаживание поверхностей трения тел вращения» и «Вибронакатывание поверхностей трения с покрытием ВНИИНП-229» позволяют создавать пары трения с твёрдоплёночным покрытием на основе дисульфида молибдена с регулярным микрорельефом. Устройство защищено авторским свидетельством [83].

Разработанные для исследований — «Способ получения износостойкого покрытия» [96] и «Способ контроля качества покрытия» [97] защищены авторскими свидетельствами и внедрены в производство. Изготовленные и проверенные с помощью этих способов около 100 изделий проработали свыше 10 ООО часов и ни в одном случае не показали отслоения покрытия, а потеря массы (осыпаемость) уменьшилась в 10 раз по сравнению с образцами, изготовленными по прежней технологиинанесение твёрдоплёночного покрытия на шлифованную и пескоструйно обработанную поверхность.

Для проверки научных предположений и результатов многолетних поисков по подбору пар трения был спроектирован, изготовлен и успешно использован в исследованиях стенд. Стенд позволяет достаточно быстро дать оценку работоспособности пары, работающей при температуре до 700 °C и в вакууме не ниже 1-Ю" 6 мм рт.ст. Стенд защищен авторским свидетельством [99].

Для проверки работоспособности деталей и узлов изделия в условиях близких к натурным была спроектирована и изготовлена установка. Установка позволяет испытывать детали и узлы по определённому закону движения в течение не менее 10 ООО часов при температуре до 600 °C и в вакууме не ниже 1-Ю" 5 мм рт.ст.

Автор благодарен доктору техн. наук Ю. Г. Шнейдеру, по предложению и под руководством которого были начаты настоящие исследования — «Влияние регуляризации поверхностного слоя на эксплуатационные свойства пар трения, работающих в вакууме при высокой температуре», доктору техн. наук Л. А. Чатыняну, кандидату техн. наук Т. А. Соловьёвой за предоставленную возможность испытания первых образцов на стенде и помощь при создании собственного стенда, доктору техн. наук М. А. Горяеву за постоянный интерес к работе и плодотворное сотрудничество в области адгезии и прочности твёрдоплёночных покрытий.