Влияние геомодификаторов трения на равновесное состояние трибосистем

Продление ресурса механизмов и машин, подвергающихся трению, может быть обеспечено созданием материалов для сопряженных деталей, подбором смазочных материалов и облегчением условий эксплуатации. При этом производителям техники в современном мире стало невыгодно обеспечивать его долговечность в силу специфической маркетинговой политики. Для них основная задача сейчас – производство надежной техники с заданным ресурсом.

Поэтому, когда ресурс заканчивается, эксплуатационник, если сможет, купит новую технику. Весьма вероятно, что придется взять кредит. А что делать, если нет желания брать кредит и нет возможности купить новое оборудование? В этом случае ведется поиск возможности продлить ресурс действующему. А как это сделать в условиях, когда производитель сознательно отказался от обеспечения ремонтопригодности свой продукции и производители смазочных материалов не удовлетворяют запрос эксплуатационников? Ответ один – продлить ресурс своей техники во время ее функционирования.

Скорость изнашивания как показатель равновесного состояния трибосистем

В настоящее время продление ресурса техники в условиях функционирования возможно лишь с помощью геотрибомодификации.

Геотрибомодификация – вид обработки трущихся поверхностей деталей машин и механизмов, связанный с введением геомодификаторов трения в пятно контакта.

В результате геотрибомодификации происходит очистка трущихся поверхностей, формирование на них металлокерамического покрытия, характеризующегося повышенной твердостью, высокой износостойкостью и значительно пониженным коэффициентом трения [1].

Применение геотрибомодификации связано с проблемой правильного подбора материалов – геомодификаторов трения (ГМТ). ГМТ должны обеспечить усиление свойств трибообъектов, как то: антифрикционного, противоизносного и противозадирного. Иначе говоря, применение ГМТ должно позволить управлять процессами трения.

Однако управлять процессами трения сегодня невозможно из-за множества условий, при которых они происходят. Поэтому наиболее перспективными направлениями геотрибомодификации являются направления, связанные с эффектами самоорганизующихся процессов.

Самоорганизующийся процесс, как известно, работает на принципе минимума производства энтропии [2], т.е. снижения диссипации энергии. Для трибоузла это означает, что происходит быстрая ликвидация шероховатости, притирка, полировка и плотная подгонка деталей. В результате происходит установление некой постоянной скорости изнашивания, характерной для конкретного узла в конкретных условиях эксплуатации. Это хорошо иллюстрируется известной из теории надежности зависимостью интенсивности отказов от времени работы (рис. 1).

Рисунок 1 – Концептуальная зависимость интенсивности отказов от времени работы

На втором участке ( Δ t 2 ), являющемся периодом нормальной эксплуатации оборудования и стабильных отказов, полагается некая постоянная скорость изнашивания [3]. То есть трибосистема приобретает равновесное состояние.

Известен принцип Ле Шателье-Брауна, который применим к равновесию любой природы (механическому, тепловому, химическому, электрическому): если на систему, находящуюся в устойчивом равновесии, воздействовать извне, изменяя какое-либо из условий равновесия (температура, давление, концентрация, внешнее электромагнитное поле и т.п.), то в системе усиливаются процессы, направленные на компенсацию внешнего воздействия [4].

Но равновесие может колебаться в разных направлениях – скорость изнашивания может как увеличиться, так и снизиться. Нас, конечно, интересует второй случай. Какие же условия необходимо изменить, чтобы скорость изнашивания снизилась?

Эффекты применения геомодификаторов трения

Помимо существующих методов продления ресурса, названных в начале статьи, наибольший интерес в настоящее время представляют методы создания тонких пленок на поверхности трибоузлов.

Тонкие пленки – тонкие слои материала, толщина которых находится в диапазоне от долей нанометра (моноатомного слоя) до нескольких микрон [5].

Существующие методы нанесения тонких пленок на подложку, такие как химическое и плазмохимическое осаждение из газовой фазы и вакуумное напыление, реализуются только при изготовлении или ремонте оборудования, что требует дополнительных значительных средств. Улучшение ранее заявленных свойств у поверхности деталей трения зачастую вызывает определенные сомнения, такие как: улучшение или поддержание маслоудерживающей способности, снижение коэффициента трения или даже адгезии самого материала. При этом многие функциональные покрытия имеют ограничения по толщине, свыше которой теряют свои свойства либо разрушаются при нанесении.

Технология применения ГМТ характеризуется прежде всего возможностью использования ГМТ не только при изготовлении или ремонте, но и во время функционировании оборудования.

Во-вторых, эффективность ГМТ основана на двух физических эффектах.

Эффект первый состоит в том, что ГМТ, попадая в зону трения, «выглаживает» поверхности трения. Иначе говоря, формирует новую поверхность без острых вершин на поверхности металла. Это показано на рисунке 2 красными дугами на профиле поверхности и красной линией на кривой Аббота - Файерстоуна.

Рисунок 2 – Плоскохонинговальный профиль, используемый в автомобилестроении, и кривая Аббота - Файерстоуна (до и после обработки ГМТ)

Необходимо отметить, измерения профилей и расчеты показателей шероховатости про- изводятся в соответствии с [ 6 ].

Результатом такого действия является снижение коэффициента трения при сохранении маслоудерживающего объема, рассчитываемого по формуле

RVK • (100-Mr2)

V o

где RVK - глубина уменьшения впадины; Mr2 - относительная материальная составляющая к впадинам, доля материала в процентах, отделенная линией, разделяющей впадины от сердцевины профиля.

Если дополнительно определить площадь профиля до и после обработки ГМТ, станет заметно, что относительная величина площади, используемой для расчета маслоудерживающего объема, стала больше. Результатом этого эффекта являются: во-первых, улучшенный запуск механизма, включая запуск в условиях значительного понижения температуры; во-вторых, возможность кратковременной работы при аварийной потере масла.

Эффект второй основан на том, что измельчение ГМТ в зоне трения приводит к переходу атомов материала в возбужденное состояние, связанному с перескоком валентных электронов с одного валентного подуровня на другой. При этом появляется дополнительное количество неспаренных электронов и увеличиваются валентные возможности атома по обменному механизму.

Параллельно с этим процессом атомы, составляющие кристаллическую решетку поверхности трибоузлов, в результате действия трения приобретают нелокализованные валентные связи [7]. Это приводит к созданию условий для появления сил Ван-дер-Ваальса, и в результате адгезии материала ГМТ и пары трения появляется новая поверхностная структура, этапы формирования которой показаны на рисунке 3.

Рисунок 3 – Этапы формирования новой структуры поверхности (600-кратное увеличение):

а - исходная поверхность трения (Ra=1-2 мкм); б - начало постепенного формирования новой структуры; в, г - исходная поверхность почти полностью закрыта новой структурой

Эта структура располагается именно на выглаженных участках, не проникая в объемы, удерживающие масло. Также новая поверхность обладает повышенной твердостью по отношению к исходной, т.е. дополнительно увеличивается сопротивление износу и снижается скорость изнашивания.

Изложенные выше эффекты, получаемые в триботехнических системах, приводят к тому, что появляется режим трения, близкий к гидродинамическому, что также благоприятно сказывается на увеличении ресурса.

Проверка эффективности геомодификаторов трения

Одно из последних доказательств эффективности ГМТ – испытания автомобилей на ПАО «КамАЗ» (г. Набережные Челны) с триботехническими составами (ТС) компании «Су-протек» [8].

Объектами испытаний были главные передачи заднего ведущего моста КамАЗов (изделие 53205-2402011-10).

В качестве технологической оснастки, необходимой для замыкания силового контура испытательного стенда, использовались главные передачи среднего моста (изделие 532052502011-10).

В процессе испытаний оценивалось влияние составов на:

• -    физико-химические показатели штатного масла;

• -    снижение скорости изнашивания зубчатых передач;

• -    снижение скорости изнашивания подшипников.

Заключение

Развитие технологий применения геомодификаторов трения доказывает их высокую технико-экономическую эффективность во многих отраслях промышленности и на транспорте. Изменяя условия трения, а значит, влияя на равновесное состояние трибосистем путем добавления в зону трения ГМТ, можно продлить ресурс механизмов и машин. Повышение характеристик изношенных узлов порой до номинала позволяет в разы увеличить межремонтный ресурс, срок службы масел, уменьшить затраты на техническую эксплуатацию.

Очевидно, что выявленные возможности триботехнологий позволяют не только совершенствовать теорию трения, но и развивать в ней теорию безызносности. Однако механизм работы ГМТ, методы управления ими, пределы возможностей ГМТ-технологии требуют углубленного исследования.

В результате испытаний были получены следующие заключения:

• 1.    Добавление ТС не приводит к изменению физико-химических показателей масла.

• 2.    Величина износа деталей подшипников 102409М и посадочных диаметров под подшипники в картерах редукторов ниже, чем при работе главных передач на штатном масле ТСп-15К, в среднем в 2,5 раза.

• 3.    Характер износа, оцениваемый по внешнему виду рабочих поверхностей шестерен всех зубчатых зацеплений главных передач при использовании штатного масла с добавкой, ниже, чем при использовании штатного масла, в среднем в 5 раз.

• 4.    Отсутствие задиров на рабочих поверхностях зубьев шестерен главной передачи, работающей на штатном масле с добавлением ТС, свидетельствует о лучшей задиростойкости масла по сравнению со штатным.

• 5.    Отложений продуктов износа на неработающих поверхностях деталей не выявлено.