На фрикционную совместимость

И.Д. ИБАТУЛЛИН

ТРИБОТЕХНИЧЕСКИЕ ИСПЫТАНИЯ

НА ФРИКЦИОННУЮ СОВМЕСТИМОСТЬ

 

 

 

 

И.Д. ИБАТУЛЛИН

 

 

ТРИБОТЕХНИЧЕСКИЕ ИСПЫТАНИЯ

НА ФРИКЦИОННУЮ СОВМЕСТИМОСТЬ

 

 

Монография

 

 

 

 

Самара

Самарский научный центр Российской академии наук

2013

УДК 621.89

И 13

 

Ибатуллин И.Д.

И 13 Триботехнические испытания на фрикционную совместимость: Монография/ И.Д. Ибатуллин. -Самара: Самар. гос. техн. ун-т, 2013-217 с.

 

    ISBN 978-5-906605-13-9     

 

Даны основные принципы обеспечения фрикционной совместимости трибоматериалов. Приведено описание критериев совместимости материалов в процессе приработки; разработаны активационные критерии совместимости после приработки в области критических нагрузок; показаны критерии и методики ускоренных триботехнических испытаний по оценке технической совместимости в узлах трения по критериям износостойкости, задиростойкости и критической нагрузки. Показаны примеры использования предлагаемых методов при выборе совместимых трибоматериалов с использованием новой установки для триботехнических испытаний «Универсал-1А», разработанной в СамГТУ.

Для студентов вузов, аспирантов, научных и инженерно-технических работников, занятых исследованием материалов триботехнического назначения и совершенствованием узлов трения машин. Книга может использоваться как практическое руководство по проведению триботехнических испытаний.

 

УДК 621.89

И 13

Рецензенты: д-р техн. наук, проф. Б.М. Силаев,

                 канд. техн. наук, доц. А.Г. Ковшов

 

 

ISBN 978-5-906605-13-9                       © И.Д. Ибатуллин, 2013

© Самарский научный центр  

   Российской академии наук, 2013

ПРЕДИСЛОВИЕ

Целью данной книги является максимальное освещение тех проблем трибодиагностики и фрикционного материаловедения, которым в имеющейся учебной и научной литературе не уделено должного внимания, особенно в части прикладных методов и испытательного оборудования для триботехнических исследований технической совместимости в узлах трения. Прочий материал, хорошо освещенный в имеющейся литературе, изложен тезисно. При этом предполагается, что читателю уже знакомы основные термины и понятия в области трения и изнашивания.

Материалы данной книги являются результатом научных исследований и разработок, выполненных за последние несколько лет в лаборатории наноструктурированных покрытий и на кафедре нанотехнологий в машиностроении Самарского государственного технического университета. Автор выражает благодарность научно-исследовательской части университета в лице проректора по научной работе М.В. Ненашева и Инновационно-инвестиционному фонду Самарской области, организационная и финансовая поддержка которых помогли оснастить наш университет современным оборудованием и методиками триботехнических испытаний за счет сил сотрудников лаборатории наноструктурированных покрытий (А.И. Потапкина, А.Р. Галлямова), а также аспиранту Ханееву Р.А., материалы совместных исследований с которым были использованы в книге. 

При выборе материалов для пар трения необходимо помнить тот факт, что в процессе трения поверхностные слои претерпевают сложные механические, физические и химические превращения, под действием которых в зоне трения появляется новый, характерный только для заданных конкретных условий композиционный материал, о фактических свойствах которого заранее нельзя сказать ничего определенного. По этой причине пары трения, составленные из «хороших» материалов могут оказаться весьма недолговечными, и даже неработоспособными в условиях эксплуатации реальных технических систем, если на этапе предварительных исследований не учитывать все действующие факторы комплексно. Именно по этой причине новые материалы и покрытия, предназначенные для  работы в условиях трения, вначале проходят долгий путь предварительных лабораторных испытаний, направленных на выявление рациональных технологических режимов, структуры, химического и фазового состава, позволяющих получить желаемые свойства, а в конце – подвергаются жесткому отбору в ходе стендовых, натурных и эксплуатационных испытаний на техническую совместимость. И только прошедшие успешно этот путь материалы внедряются в серийное производство. Теория фрикционной совместимости позволяет значительно сократить путь к выбору совместимых конструкционных и смазочных материалов для пар трения. Для этого  существуют некоторые общие принципы, с которыми читатель познакомится в первой главе. В этой же главе начинающий читатель найдет некоторые базовые сведения из области трибологии, которые помогут ему лучше ориентироваться в выборе подходящих схем испытаний. 

Все, кто был занят поиском оборудования для проведения триботехнических испытаний, имели возможность убедиться, что отечественная промышленность предлагает весьма скудный перечень испытательного оборудования (в основном разработки советских времен) по завышенным ценам (более миллиона рублей). Поэтому приобретение даже одного трибометра становится «событием» для лаборатории или кафедры, в которой он установлен. Парадоксально то, что, даже имея весь арсенал стандартных технических средств для проведения лабораторных испытаний трибоматериалов, можно столкнуться с трудностью оценки их совместимости в конкретных условиях эксплуатации, поскольку стандартные методы испытаний перекрывают далеко не все возможные режимы трения. В таких случаях возникает необходимость создания нестандартного испытательного оборудования. Пример такой разработки изложен во втором разделе монографии. Этот раздел адресуется студентам и аспирантам для ознакомления с устройством трибометра, а также специалистам, которых указанная разработка вдохновит на создание аналогичных технических средств для триботехнических испытаний или послужит поводом для заказа данного патентованного трибометра в СамГТУ.     

Оценка совместимости трибоматериалов невозможна без предварительного анализа условий работы узла трения. Можно с уверенностью говорить, что чем больше условия лабораторных испытаний будут соответствовать режимам эксплуатации, тем более адекватно полученные результаты будут отражать работоспособность исследуемых пар трения в реальных условиях, а также чем более широко охвачены различные аспекты их технической совместимости, тем точнее можно будет определить границы применимости проектируемых узлов трения в технических системах и создать условия для обеспечения их высоких эксплуатационных свойств. С учетом этого последующие части книги представляет собой пошаговые инструкции по практическому проведению триботехнических испытаний, целью которых является выявление области применимости испытуемых пар трения и оценки совместимости используемых конструкционных и смазочных материалов, а также покрытий в конкретных условиях эксплуатации. Этот раздел в равной степени может служить в качестве методических указаний для проведения студентами лабораторных работ, а также в качестве практического руководства для использования методик в заводских и научных лабораториях аспирантами и специалистами-трибологами. Описание различных методик снабжено дополнительными краткими сведениями о различных аспектах трибологии и триботехники, важных для теоретического понимания изучаемых процессов, а также проиллюстрированы примерами.             

Введение

 

Совместимость материалов трибосистемы – относительно новое понятие в трибологии, связанное с именем известного российского ученого Н.А. Буше [1]. «Одним из основных требований, предъявляемых к новым современным машинам и механизмам, является обеспечение достаточной их надежности и долговечности [2]. Однако часто эти показатели недостаточно высоки, и причиной этого является неправильный выбор материалов трущихся пар» - такими словами, ничуть не утратившими свою актуальность, начинается его монография «Совместимость трущихся поверхностей», написанная более 30 лет назад [1].

В современной литературе понятие совместимости чаще всего используется в ограниченном толковании, например, говорят: о химической совместимости присадок в смазочном материале; об электрохимической совместимости материалов по способности образовывать гальванические пары; о совместимости смазочных материалов с резиновыми и др. уплотнительными материалами; о биосовместимости материалов и покрытий имплантатов с человеческим организмом в биотрибологии и т.д. Все это частные случаи более емкого понятия совместимости, являющегося глобальной характеристикой трибосистемы в целом, характеризующей её способность выполнять заданные функции в заданных условиях эксплуатации в течение заданного времени или, другими словами, её надежность. Н.А. Буше дает определение совместимости, «как способности трущейся пары в данных условиях работы и определенном сорте смазки приспосабливаться друг к другу в процессе взаимного перемещения, обеспечивая заданную долговечность без повреждений поверхностей трения, приводящих к выходу из строя деталей» в вышеотмеченной монографии или как « способность трибосистемы реализовать оптимальное состояние по выбранным критериям в заданном диапазоне условий работы », приведенное им же в более поздней работе [ 2 ].

К вопросу о трактовке понятия совместимость мы еще вернемся позже. А теперь представьте, что вы создаете узел трения для какой-либо машины. Для этого нужно подобрать перспективные конструкционные и смазочные материалы, выбрать режим трения, геометрию сопряжения, способы подвода смазочного материала, технологию финишной обработки и методы охлаждения  поверхностей трения и т.д. Казалось бы, несложно выбрать и испытать стандартными методами, скажем десяток перспективных материалов для каждой из двух трущихся деталей и столько же смазочных материалов, а затем, имея на руках три десятка актов лабораторных испытаний, выбрать лучшие из них. Но в действительности, мы должны провести исследования, по меньшей мере, тысячи комбинаций материалов по различным критериям совместимости, что превращает работу, мягко говоря, в трудноисполнимую. Поэтому, отсутствие  априорных знаний об общих принципах совместимости трибоматериалов может сильно осложнить путь к достижению поставленной нами цели, особенно если учесть, что каждый год появляются десятки новых перспективных конструкционных и смазочных материалов, а также ресурсоповышающих технологий обработки поверхностей трения.    

Процесс трения представляет собой особый род комплексного взаимодействия множества материалов, имеющих различные агрегатные состояния, состав и структуру, образующих единую систему - трибосистему. В нее входят твердые материалы (материалы деталей пар трения, покрытия, твердые добавки), квазитвердые (граничный слой смазочного материала), пластичные (консистентная смазка), жидкие (смазочное масло), газообразные (атмосферный воздух, пары влаги, растворенные газы в жидкостях и твердых телах, выделяемые газы при деструкции молекул масла и т.п.). Между данными материалами происходят химические реакции, физические и механические взаимодействия, осуществляется тепло- и массоперенос. Узел трения при работе непрерывно поглощает часть полезной энергии, под действием которой исходные материалы претерпевают различные превращения, в ходе которых наблюдается интенсивное разрушение одних компонентов, синтез других (вторичные структуры) и относительно неизменное (квазистабильное) состояние третьих. Одним из наиболее интересных явлений, которое может при этом произойти, является возникновение синергизма [3], когда результирующий эффект от применения совокупности материалов в заданных условиях кардинально превосходит эффект, получаемый в ином сочетании материалов или в других условиях. Ярким проявлением синергизма является эффект безызносности [4]. К сожалению, пока не существует достаточно развитой теории, чтобы находить такие эффекты «на кончике пера» поэтому выбор совместимых материалов – результат долгого кропотливого труда экспериментаторов. По этой причине большая часть данной книги знакомит читателя с испытательным оборудованием и учит его проводить эксперименты по оценке различных критериев совместимости трибоматериалов.

Особенно данные работы необходимы при создании тяжелонагруженных узлов трения, которые по условиям эксплуатации вынуждены работать в области нагрузок и температур, близких к критическим, и для которых характерным видом повреждаемости является схватывание поверхностей трения. К таким узлам, например, относятся герметизированные опоры скольжения трехшарошечных буровых долот (разрез которой приведен на титульной странице книги), в которых традиционно применяются пары трения, образованные долотными сталями, твердыми наплавками и серебряным покрытием, работающими в среде пластичной смазки JBL-713R. В каждой опоре долота работают до 8 пар трения: «уплотнение (резина) – шарошка (сталь)», «уплотнение (резина) – цапфа (сталь)», «втулка (серебро) – шарошка (сталь)», «втулка (серебро) – цапфа (стеллит)», «шайба (серебро) – шарошка (сталь)», «шайба (серебро) – цапфа (стеллит)», «колпачок (серебро) – шарошка (сталь)», «колпачок (серебро) – цапфа (сталь)». Подобные опоры обеспечивают в среднем 60-часовой технический ресурс буровых долот на забое. Однако современные требования к долотам, обусловленные жесткой конкуренцией, превышают эту цифру почти вдвое. В этом и во многих других случаях вопросы обеспечения технической совместимости в узлах трения – это вопросы качества и конкурентоспособности отечественной продукции, а, следовательно, и вопросы жизнеспособности отечественных машиностроительных предприятий.

 С целью повышения надежности ответственных узлов трения принимаются различные меры по выбору перспективных материалов и технологий, включая популярные ныне наноматериалы и нанотехнологии. Далее читатель найдет примеры подобных материалов, которые уже начали находить широкое применением в промышленности, а именно наноструктурированные серебряно-алмазные и хром-алмазные покрытия, полученные электрохимическим путем на нестационарных токовых режимах, а также детонационные покрытия, наносимые за счет энергии газового взрыва. Эти сведения, недостаточно освещенные в существующей учебной и научной литературе по фрикционному материаловедению, станут для студентов хорошим дополнением к знаниям, полученным на лекциях, а для специалистов – справочным руководством по перспективным технологиям и покрытиям.