Качество TCII, нанесенного на детали узлов трения, определяется в основном долговечностью работы сопряжения, антифрикционными свойствами (fтр.) и температурной стойкостью в зависимости от большого числа факторов, касающихся как вопросов технологической подготовки поверхности трения и нанесения TCII, так и воздействия эксплуатационных факторов (нагрузка контакте, скорость скольжения и др.) и влияния внешней среды.
1.3. Влияние технологических факторов на работоспособность твердосмазочных покрытий в парах трения ЛА
К технологическим факторам, влияющим на работоспособность пар трения JIA с ТСП, необходимо отнести состав наносимого покрытая, качество контактных поверхностей трения (вид и режимы предварительной термохимической и механической обработки материала основы и контртела), режимы нанесения TCII (перемешивание суспензии перед напылением и сам процесс нанесения покрытий), а также качество поверхности получаемого покрытия (толщина ТСП. волнистость, погрешность формы и др.).
1.3.1. Состав покрытия
Выбор ТСП из ассортимента покрытий типа ВНИИ НП производится на основе анализа условий эксплуатации, соответствующих области применения покрытия, которая в свою очередь в значительной мере определяется составом ТСП, а, следовательно, и типом пленкообразующего вещества, так как наполнителем для покрытий типа ВНИИ НП и ВАП в основном служит MoS2.
Согласно данным различных исследователей наиболее долговечными как на воздухе, гак и в вакууме оказались покрытия с органическими пленкообразователями — мочевиноформальдегидной (ВНИИ НП 212) и эпоксидной смолой (ВНИИ НП 230), менее долговечными — покрытия с кремнийорганическими полимерами (ВНИИ НП 209,213). Наиболее существенное влияние на работоспособность связующих веществ оказывали повышенные температуры, которые после превышения определенного уровня приводили к деструкции и полимеризаций пленкообразователей. Так например, предельная температура для органических пленкообразующих не превышает 200—250 оС, а для элементоорганических (например, кремнийорганических) — 500—600 оС.
1.3.2. Качество контактных поверхностей трения
Методы и режимы предварительной обработки подложки для пар трения с использованием ТСП регламентируются инструкцией. Согласно данным различных исследователей наибольшую долговечность указанных фрикционных сопряжений обеспечивает пескоструйная обработка материала основы до шероховатости металлической поверхности RZ = 1,6—3,2 мкм. Отмечается также (см. табл. 1), что твердость материала основы незначительно влияет на износостойкость рассматриваемых пар трения. Вместе с тем следует отметить, что приведенные в табл. 1. экспериментальные результаты обнаруживают некоторое возрастание долговечности пары трения при твердости подложки HRC = 29-31 ед. и HRC = 51 ед. По данным других исследователей повышенная твердость материала основы (достигнутая, например, путем термодиффузионного хромирования с последующей нитридизацией для нержавеющих сталей), приводит к улучшению антифрикционных характеристик пар трения с ТСП.
Согласно работе для стальных поверхностей эффективной предварительной обработкой перед нанесением покрытий на основе MoS2, работоспособных до 250 °С, является оксидное фосфатирование или последнее вместе с кадмированием. Для высокотемпературных покрытий на основе графита рекомендовано никелирование. Работоспособность TCII на титановой основе обеспечивается обезжириванием, химическим никелированием или металлизацией молибденом с последующим пескоструением.
При работе узлов трения в контакте находятся две сопряженные поверхности. Эффективность ТСП на основе MoS2, нанесенного на одну из них, естественно будет определяться и комплексом физико-механических свойств ответной поверхности, на которой при скольжении также образуется смазочная пленка MoS2.
Исследование влияния шероховатости контртела на работоспособность пар трения с применением MoS2 показало, что наилучше антифрикционные характеристики обнаруживаются при трении по шлифованной поверхности. Этот результат был подтвержден также и другими исследователями.
Зависимость износостойкости фрикционного сопряжения с ТСП от твердости контртела исследовалась в работе. Полученные данные (см. табл. 1) обнаруживают увеличение долговечности пары трения с ТСП с увеличением твердости сопрягаемой детали (неподвижный ролик) при неизменной твердости материала основы.
1.3.3. Режимы нанесения
В условиях производства наибольшие затруднения возникают на одном из самых ответственных этапов — при нанесении суспензии, образующей ТСП.
Таблица 1
Влияние твердости образцов на долговечность пары трения с ТСП ВНИИ НП-212
| Твердость, [ед.HRC] | Долговечнось,
τ, час. |
Твердость, [ед.HRC] | τ,[час.] | ||
| подвижный образец | неподвижный образец | подвижный образец | неподвижнй образец | ||
| 9-11 | 60-62 | 19 | 48 | 60-62 | 19 |
| 20-22 | 60-62 | 20 | 51 | 60-62 | 24 |
| 29-31 | 60-62 | 24 | 60-62 | 9-11 | 7 |
| 32-36 | 60-62 | 21 | 60-62 | 30-33 | 15 |
| 40-42 | 60-62 | 20 | |||
До настоящего времени в подавляющем большинстве случаев в промышленности нанесение суспензий, образующих ТСП, производится вручную. В известной литературе не дается рекомендаций по вопросам, связанным с технологией механизированного нанесения ТСП.
В то же время в работе отмечается необходимость тщательного контролирования техники нанесения ТСП со связующими для обеспечения равномерной толщины и хорошей адгезии покрытия к поверхности.
1.3.4. Качество поверхности ТСП
Согласно данным различных исследователей оптимальная толщина ТСП, обеспечивающая наибольшую долговечность фрикционного сопряжения, составляет 20—3D мкм для покрытий с органическим, кремнийорганическим и фторорганическими пленкообразователями и 8—10 мкм — для неорганических связующих. Отмечается также, что для ТСП, нанесенных без связующих веществ, толщина смазочной пленки в начале установившегося режима трения составляет 2—4 мкм, а в период задира — 0,4—0,6 мкм. Аналогичные результаты были получены для ТСП, образованных путем натирания пористым контртелом, пропитанным MoS2.
Несомненный интерес представляет также сопоставление долговечности пар трения с ТСП, нанесенным на обе поверхности трения, с фрикционным сопряжением, в котором покрытие нанесено лишь на одну поверхность. Поданным проф. Р.М. Матвеевского покрытие поверхностей трения вала и подшипника при возвратно — вращательном движении подшипника увеличивает долговечность пары трения с ТСП в 2—3 раза по сравнению с долговечностью той же пары, но при нанесении покрытия только на одну из рабочих поверхностей. В другой работе отмечается, что при нанесении TCП ВНИИ HП 209 на оба ролика долговечность фрикционного сопряжения увеличилась примерно вдвое. К сожалению, на практике нанесение покрытий на обе контактные поверхности часто бывает затруднено вследствие сложности напыления TCП на внутренние поверхности деталей (как, например, для пары трения «вал-втулка»).
1.4. Влияние эксплуатационных условий на работоспособность пар трения ЛА с ТСП
Помимо факторов технологического порядка работоспособность пар трения JIA с ТСП на основе MoS2 со связующими веществами в значительной степени определяется условиями функционирования реальных сопряжений и, в первую очередь, контактной нагрузкой, скоростью скольжения, температурой и воздействием окружающей среды.
1.4.1. Влияние контактной нагрузки
По данным большинства исследователей для пар трения с применением ТСП с увеличением контактной нагрузки наблюдается снижение коэффициента трения (fтр.) (рис. 1).
Причем согласно результатам исследований, приведенных в табл. 2, несмотря на увеличение fтр. с понижением нагрузки в 5,7 раза долговечность данного фрикционного сопряжения возрастает почти в 10 раз. Некоторые исследователи приводят данные, свидетельствующие о наличии оптимального значения контактной нагрузки, соответствующего максимальной долговечности рассматриваемых пар трения. Данный эффект, вероятно, связан со степенью приработанности фрикционных сопряжений с использованием ТСП. Так, в первом случае приработка пар трения, вероятно, не проводилась (в приведенной выше работе упоминание о приработанности фрикционного сопряжения отсутствует), что при малых контактных нагрузках могло привести к абразивному износу неприработанного слоя ТСП, так как значение контактной температуры трения вследствие незначительной нагрузки было недостаточным для создания на поверхности трения смазочной пленки. Аналогичными причинами можно объяснить сложный характер подобной зависимости, приведенной в работе, так как приработка в этом случае осуществлялась при незначительной скорости скольжения (V = 0,04 м/с).
Таблица 2.
Влияние нагрузки на работоспособность пары трения с ТСП ВНИИ НП 230
| [H] | т [мин.] | [М] | тр. |
| 600 | 10 | 780 | ,028 |
| 00 | 730 | 3420 | ,031 |
| 80 | 810 | 0530 | ,107 |
1.4.2. Влияние скорости скольжения
Другим важным параметром, определяющим работоспособность пар трения с ТСП на основе MoS2, является скорость скольжения. Согласно результатам исследований, представленных на рис. 2, для рассматриваемых пар трения при Рконт. = 0,4 МПа вначале с увеличением скорости скольжения до V = 1,5 м/с наблюдалось снижение fтр., а при скорости, превышающей указанное выше значение, происходило ухудшение антифрикционных характеристик. Проведение параллельного измерения fтр. и температуры контактной поверхности позволило обнаружить тесную корреляцию антифрикционных характеристик ТСП и теплового режима трения. Аналогичные результаты были получены и другими исследователями. Согласно экспериментальным данным, полученным авторами работы и представленным в табл. 3, с увеличением скорости скольжения долговечность пары трения с применением ТСП ВНИИ НИ 212 снижается.
Рис. 2. Изменение fтр. MoS2 в зависимости от скорости скольжения (а) и температуры поверхности трения (б)
Таблица 3.
Влияние скорости скольжения на долговечность пары трения с ТСП
(машина трения МИ, N=1600 Н, пара ЭИ-347 — ЭИ-347)
| Скорост скольжения, [м/с] | Т, ,[мин] | L,[М] | fтр. |
| 0,42 | 860 | 1600 | 0,031 |
| 0,59 | 560 | 9700 | 0,034 |
| 0,66 | 440 | 7700 | 0,028 |
| 0,76 | 290 | 3800 | 0,028 |
| 0,92 | 280 | 5500 | 0,025 |
Рис. 3. Зависимости fтр. = f(T) (а) и долговечности (б) ТСП на основе MoS2 различными ТСП и пленкообразователями от температуры: Верхний рисунок: 1 — ВНИИ НП212; 2 — ВНИИ ШНП213; Нижние рисунки: 1 — органический; 2 — неорганический; 3 — кремнийорганический; 4 — фторорганический
1.4.3. Влияние фреттинг-коррозии
В подавляющем большинстве случаев узлы трения с TCП работают в условиях возвратно-поступательного или реверсивного движения контактирующих поверхностей. Имеются сведения о существенном влиянии знакопеременного режима движения на долговечность таких покрытий. Так например, при испытании по роликовой схеме были получены результаты, представленные в табл. 4.
Как видно изданных табл. 4, переход к реверсивному движению привел к существенному снижению долговечности е, которое носит избирательный характер и зависит от природы и типа связующего компонента покрытия. Долговечность лучшего покрытия ВНИИ НП 230 на основе органического связующего снизилась в 8 раз, покрытия ВНИИ НП 250 на основе кремнийорганического связующего — в 16 раз и покрытия ВНИИ НП 229 на неорганической основе — более чем в 30 раз. В группе покрытий на органической основе различие в степени изменения долговечности имеет более чем двукратное значение. Наибольшую стабильность к измененным условиям работы и максимальную долговечность в режиме колебательного движения показало покрытие ВНИИ НП 230 на основе органического связующего. С переходом к новому виду движения выявилась особая «чувствительность» проявилась у ТСП ВНИИ НП 212 с органическим связующим. Степень снижения его долговечности (в 20 раз) характерна для покрытий на кремнийорганической и неорганической основах.
| Таблица 4.
Результаты испытания ТСП (макс = 7500 кгс/см2, комнатная температура) |
| Тип ТСП | Путь трения Lскольж.
при скольжени, n=200 об/мин [м] |
Путь трения Lколеб..
при реверсивнм движении, f=200 колеб./мин, <а=10°,[м] |
Изменение долговечности
ᵋ =Lскольж/ Lколеб.. |
| ВНИИ НП 230
(органическая связка) |
60000 | 7540 | 8 |
| ВНИИ НП 212
(органическая связка) |
26800 | 1380 | 20 |
| ВНИИ НП 250 (кремнийорганическая связка) | 16400 | 1010 | 16 |
| ВНИИ НП 229
(силикат натрия) |
6700 | 200 | 34 |
1.4.4. Влияние температуры
Исследования, проведенные под руководством проф. Р. М. Матвеевского (см. рис. 3) показали, что нагрев до 100—150 °С приводит, как правило, к снижению значения f пар трения с TCI1. При дальнейшем возрастании температуры испытаний коэффициент трения данных фрикционных сопряжений начинает возрастать.
Согласно приведенной на рис. 3б зависимости наибольшая долговечность рассматриваемых пар трения наблюдалась при температурах 100—150 °С, что согласуется с ранее приведенными данными (рис. 2). Наличие области оптимальных температур большинство исследователей объясняет размягчением при этой температуре связующих веществ ТСП и улучшением условий для ориентирования частиц MoS2 в направлении трения. Разрушение TCП при высоких температурах объясняется деструкцией пленкообразующих веществ. Большинство TCП на основе MoS2 со связующими веществами сохраняют работоспособность и при пониженных температурах. В работе указывается, что ТСП ВНИИ НП 212 оказалось работоспособным при криогенной температуре Т = —196 °С (испытания осуществлялись в условиях вакуума при р = 1,33х10-5 — 1,33х10-6 Па. Причем значение fтр во время эксперимента было практически постоянным. По другим данным антифрикционные свойства MoS2 в условиях вакуума (р = 1,33х10-5 Па) при температуре Т = —193 оС несколько ухудшаются (f = 0,039 по сравнению с fтр= 0,025, полученным при нормальной температуре).
1.4.5. Воздействие окружающей среды
Поданным большинства исследователей окисление MoS2 кислородом воздуха происходит при 300—350 °С, однако в условиях трения, по мнению Е.R Брейтуэйта, частичное окисление MoS , до МоО3 начинается уже при 150—170 °С. Эти данные подтверждены также и другими исследователями. При исследовании влияния длительности неподвижного контакта (Δτ) на fтр. пары о ТСП на основе MoS2 в работе впервые было отмечено возрастание ftp. при возобновлении скольжения (рис. 4). Это явление было названо «стоп-эффектом». На основании проведенных исследований был сделан вывод о том, что возрастание fтр. в 2 раза после возобновления скольжения не зависит от продолжительности остановки узла трения (для Δτ = 0,5 часа и более). Авторы объясняют этот эффект тем, что в процессе трения MoS2 на воздухе возможно образование трехокиси молибдена МоО3,
которая при остановках узла трения вследствие гидрофильности может поглощать влагу из воздуха. В результате этого и происходит возрастание fтр. до 0,28—0,3 при возобновлении скольжения. В дальнейшем в процессе наработки вследствие фрикционного нагрева влага с поверхности трения удаляется и fтр. снижается до своего установившегося значения. Если в период остановки нагревать зону контакта до 60—80 оС, то возрастания fтр. при возобновлении скольжения не происходит. Однако этот эффект наблюдался также и при испытаниях в вакууме, где вследствие разряженности атмосферы окисление MoS2 затруднено, чем и была вызвана необходимость более подробного изучения описанного явления. К тому же до настоящего времени недостаточное внимание уделялось методам борьбы с ним. Кроме описанного выше нагревания зоны контакта в рассмотренной литературе был обнаружен еще лишь один способ воздействия на окислительную смазочную структуру MoS2 о целью предотвращения «стоп-эффекта». Бэллоу и Россом предложили проводить обработку гидрофильного слоя МоО3 при помощи гидроокиси аммония и газообразного H2S при 125 оС.
При проведении испытаний пар трения с ТСП на основе MoS2 в условиях глубокого вакуума многими исследователями отмечалось снижение коэффициента трения в 2 раза и более.
График изменения fтp. MoS2 и графита для вакуумных условий в зависимости от температуры приведен в работах (рис. 5).
Автор отмечает, что при комнатной температуре трение дегазированного в вакууме MoS2 меньше, чем графита (fтp.] 0,6). Даже после нагревания в вакууме до температур [800 °С у MoS2 в противоположность графиту увеличения трения не наблюдается. Коэффициент трения практически не возрастает до температуры ~800 °С, при которой уже начинается разложение MoS2.
В реальных условиях космического пространства при испытании твердыхсмазокнаосновеМо52наамериканскомспутнике «Рейнджер-1» наблюдалось снижение коэффициента трения по сравнению с его величиной, полученной в лабораторном вакууме.
Согласно данным работы наибольшую долговечность в условиях вакуума обнаруживают покрытия рассматриваемого типа с использованием в качестве пленкообразователя мочевиноформальдегидного (ТСП ВНИИ НП 212) и эпоксидного полимеров (ВНИИ НП 230), меньшую износостойкость проявляют покрытия с кремнийорганическим связующим (ТСП ВНИИ НП 209, 213).
Следует также отметить, что, несмотря на большое количество исследований, комплексному изучению влияния различных факторов на работоспособность рассматриваемого фрикционного сопряжения до последнего времени уделялось недостаточное внимание. В рассмотренной литературе найдены лишь 2 работы, посвященные этому вопросу. В статье приводится двухфакторная модель зависимости срока службы пары с ТСП ВНИИ НП 212 от нагрузки и скорости скольжения для условий вакуума (р = 13,3 мкПа). Однако практическое использование данного уравнения затруднено по ряду причин. Нагрузочный фактор входит в формулу в абсолютном выражении, в то время как при расчетах реальных пар трения используется универсальный параметр контактного давления. К тому же в качестве параметра оптимизации выбран срок службы ТСП, выраженный в количестве циклов взаимодействий, что также затрудняет использование данной модели в конструкторской практике.
В другой работе на основе спланированного эксперимента получены модели зависимости коэффициента трения f от контактного давления Р, скорости скольжения V и шероховатости контртела Ra для ТСП ВНИИ НП 212 и 230. Однако данные модели, полученные позднее опубликованных автором настоящей монографии зависимостей [см. Хопин П. Н. Исследование влияния эксплуатационно-технологических факторов на работоспособность узлов трения летательных аппаратов с применением твёрдосмазочных покрытий на основе дисульфида молибдена. Автореферат диссерт. на соиск. уч. ст.к.т.н. М., МАТИ, 1982, 20 с.], охватывают узкие диапазоны варьирования факторов Р= 0,8÷2,2 MПа, V = 0,065÷0,38 м/с, что затрудняет их практическое применение.
В работе [92] разрабатывается возможность оценки ресурса работы ТСП ВНИИ НИ 212 и 230 для условий вакуума (Р = 1,33×10-4 Па) с использованием парfметра интенсивности изнашивания. Такой подход не учитывает физической сущности процессов, происходящих при трении ТСП, т. к. основан на усталостном разрушении шероховатости контртела. Не учитываются оптимальные условия адгезии ТСП к основе, обеспечиваемые соответствующей обработкой материала основы и самим составом ТСП, как композиционного материала, куда обязательно входит плёнкообразующая полимерная смола. С конструкторской точки зрения расчёт ресурса с помощью интенсивности износа не учитывает также конкретной скорости скольжения, оказывающей наиболее существенное влияние на ресурс. К тому же расчёт по этой методике даёт разброс до 4,3 раз и существенно зависит от точности измерения толщины TCП.
Существенным фактором для летательных аппаратов, функционирующих в условиях вакуума при интенсивном облучении, является воздействие радиации. Согласно результатам исследований, представленным в работе, при проведении испытаний на трение пар с ТСП на основе MoS2 с различными плёнкообразователями, подвергнутых воздействию радиации, их триботехнические параметры практически не изменялись.
Известный интерес представляет также открытие в 1969 году эффекта сверхнизкого трения на полиэтилене и полипропилене после бомбардировки их ускоренными атомами гелия, объясняемого интенсивным очищением поверхностей тремя от загрязнений. Авторы открытия продолжили исследования в этом направлении, но уже с MoS2, синтезированном на молибденовой подложке в виде слоя толщиной 50 мкм, полученного по технологии ВНИИОФИ. В результате проведенных экспериментов было установлено, что в указанных условиях значение fтр. для этого материала может быть снижено до величины fтр.≈ 10-3 . Однако в обоих случаях эффект исчезал после выключения источника обучения или при напуске в камеру атмосферы. Описанное явление не наблюдалось при испытаниях композиционного материала типа «аман» (MoS2 с органическим связующим) и графита АГ-600. Практическое использование данного эффекта затруднено по ряду причин как конструкционного (необходимость вакуумирования и применения специальных источников облучения для пар, функционирующих в нормальных атмосферных условиях и подверженных вследствие этого интенсивному окислению), так и технологического порядка (описанный эффект наблюдался лишь для определенной модификации смазочного материала из MoS2, в то время как в реальных парах трения по технологическим, прочностным и ряду других характеристик использование данного материала не всегда возможно).
Учитывая перспективность применения в указанных экстремальных условиях самосмазывающихся материалов (СМ), были осуществлены сравнительные исследования, позволившие выявить оптимальный вид ТСП или СМ для конкретных условий функционирования как в нормальных атмосферных условиях, так и в вакууме.
Литература
- Брейуэйт Е.Р. Твёрдые смазочные материалы и антифрикционные покрытия. М., Химия, 1967, 320с.
- Ковалёв Е.П., Игнатьев М.Б., Семёнов А.П. и др. Твёрдосмазочные покрытия для машин и механизмов, работающих в экстремальных условиях. Трение и изнс. 2004, т.25, №3, с.316-336.
- Маленков М.И., Каратушин С.И., Тарасов В.М. Конструкционные и смазочные материалы космических механизмов. Балт. Гос. Техн. Ун-т, СПб., 2007, с.
- Хопин П.Н. Комплексная оценка работоспособности пар трения с твёрдосмазочными покрытиями в различных условиях функционирования. М., МАТИ, 2012, 256с.
- Тёмкин И.В. Применение графита и дисульфида молибдена в качестве твёрдых смазок. М., 1966, 28с.
- Мур Д. Основы и применения трибоники. Пер. с англ. М., Мир, 1978, 488с.
- Диняева Н.С. Конструирование механизмов антенн. М, МАИ, 2002.
- Завалов О.А. Конструкция вертолётов. М., МАИ, 2004, 316с.[schema type=»book» name=»АНАЛИЗ ЭКСПЛУАТАЦИОННО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ФАКТОРОВ, ВЛИЯЮЩИХ НА РАБОТОСПОСОБНОСТЬ УЗЛОВ ТРЕНИЕ АГРЕГАТОВ С ТСП» description=»К статье Пак Хоссейна «анализ эксплуатационно-технологических факторов, влияющих на работоспособность узлов трения агрегатов с твёрдосмазочными покрытиями» Проанализированы основные факторы, влияющие на работоспособность пар трения с композиционными твёрдосмазочными покрытиями (ТСП) на основе антифрикционных наполнителей и связующих. Представлен анализ влияние состава ТСП, основных технологических факторов (твёрдость образца и контртела), режимов нанесения и других. Рассматривается влияние эксплуатационных факторов (контактной нагрузки, скорости скольжения, температуры), условий фреттинг-корозии, влияние окружающей среды (вакуума, радиации) на работоспособность ТСП в парах трения. » author=»Пак Хоссейн» publisher=»Басрановвич Екатерина» pubdate=»2016-12-14″ edition=»euroasia-science_6(27)_23.06.2016″ ebook=»yes» ]