Исследование фреттингостойкости прецизионных пар трения горных машин с использованием метода вибротриботестера

Современные экскаваторы и механизированные крепи, применяемые в горной отрасли, отличает высокая степень гидрофикации. Надежность гидравлических систем в значительной степени зависит от безотказной работы прецизионных пар трения, выполняющих функции чувствительных и вытеснительных элементов насосов, распределительных элементов следящих гидроприводов и других ответственных узлов.

Среди них наиболее широко распространенны золотниковые пары, представляющие собой чувствительные и регулировочные элементы, автоматически изменяющие или ограничивающие по заданной программе давление, его перепад в смежных областях или расход жидкости.

Детали прецизионных пар являются самыми сложными и дорогостоящими в производстве среди других деталей гидравлических агрегатов. Они обычно выполняются по 6 квалитету точности, с шероховатостью не выше Ra 0,16. Величина диаметрального зазора в зависимости от размера и назначения прецизионной пары может быть от 2-3 мкм до нескольких десятков. Детали прецизионных пар могут иметь различные типы перемещения, действующие на них усилия и условия работы. Они могут иметь конструктивные отличия и изготавливаться из различных материалов.

Однако, все прецизионные пары имеют общий признак, позволяющий объединить их в самостоятельный тип подвижных сопряжений машин с характерными для него видами и причинами отказов и неисправностей.

Основным конструктивно-функциональным признаком прецизионных пар является подвижное сопряжение двух деталей с зазором порядка 0,01 мм, обеспечивающие бесконтактное уплотнение, выполняющее функции чувствительного, регулирующего, распределительного или вытеснительного элемента в гидравлических и топливных агрегатах.

Принципиально, работающая золотниковая пара идентична колебательной системе пружинного маятника: обладающее массой тело совершает колебательные движения и подвергается воздействию упругой силы. В таких условиях в точках подвижного контакта происходит непрерывное разрушение поверхностного слоя деталей. Этот процесс является основной причиной отказов прецизионных пар, и получил название фреттинг-коррозии.

Разрушение поверхностного слоя золотниковых пар трения приводит к увеличению утечек, снижая объемный коэффициент полезного действия гидроагрегата. Дефекты поверхностного слоя, получаемые в результате фреттинга, вызывают увеличение трения между золотником и гильзой, снижая чувствительность и увеличивая статическую ошибку управляющей аппаратуры.

В данный момент наиболее распространенным методом защиты поверхностного слоя является химико-термическая обработка. Ее основными недостатками являются: высокая энергоемкость, большая длительность и коробление геометрической формы детали, вызываемое ее нагревом и охлаждением.

Сегодняшний этап научно-технического развития позволяет применять современные методы поверхностного упрочнения лишенные этих недостатков:

• -    лазерное, электронно-лучевое, плазменное и детонационное упрочнение;

• -    вакуумное ионно-плазменное упрочнение, ионное магнетронное распыление, ионное легирование;

• -    магнитное упрочнение;

• -    упрочнение наплавкой;

• -    нанесение защитных покрытий.

Проведенные практические испытания прецизионных пар трения, применяемых в авиации показали, что вакуумное ионно-плазменное нанесение покрытия TiN обеспечивает высокую микротвердость поверхности (1800-2500 кгс/мм2), низкую склонность к схватыванию и пониженный (в 2-3 раза) коэффициент трения по сравнению с металлическими парами. Эти характеристики обеспечивают повышение эрозионной стойкости поверхности детали до 50% при абразивном изнашивании. Покрытия нитрида титана имеют пониженный электрохимический потенциал, что уменьшает коррозионные явления.

Основной проблемой экспериментов такого рода является моделирование процессов фреттинга элементов пары трения с образцом из стали 45. Для более точной оценки долговечности возникает необходимость для экспериментального исследования реального контакта поверхностей в условиях фреттинг-взаимодействия.

Для экспериментального моделирования такого взаимодействия предлагается установка «Вибротриботестер».

Рис. 1. Схема установка «Вибротриботестер» (1 - исследуемый образец; 2 – контробразец; 3 - штанга для крепления контробразца; 4 – вибростол; 5 - крепления образца; 6 – основание установки).

Колебания вибростола вызывают локальные повторяющиеся перемещения исследуемых поверхностей и приводят к появлению процесса фреттинг-коррозии и разрушению поверхностного слоя. Для испытаний в жидких смазочных материалах, возможна установка камеры, заполняемой рабочей жидкостью. Согласно действующему ГОСТ 23211-80 аналитический анализ результатов эксперимента начинается с исследования профиля исходной и отработанной поверхности. При этом строятся их профилограммы и проводятся средние линии профиля. Далее находится расстояние между ними h i .

Вычисляем средний износ j-го образца hj ,мкм, по формуле n hi

hj

р где р – число исследуемых пар, hi – расстояние между средними линиями исходного и отработанного профиля.

Данная установка позволяет проводить испытания пар трения с любым типом покрытий и термообработкой поверхности. Использование данной установки позволит проводить натурные эксперименты и расширить исследовательскую базу новыми данными. Это позволит уточнить модель процесса фреттинга, более точно прогнозировать ресурс прецизионных пар трения, выявить и применять более эффективные методы защиты поверхностного слоя деталей и в итоге увеличить надежность горных машин.