CC BY
116
МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ ИЗДЕЛИЙ СЕРВИСА
от сферической у быстрорастворимых компонентов, представляющих собой набор агрегатов и агломератов неправильной формы. Такой состав реального материала предопределяет форму, размеры, направление и длину поровых каналов в слое. Это обстоятельство приходится учитывать при движении жидкости в слое материала при смачивании. Предполагается при-
ближенно справедливым [2], что отношение средней скорости течения жидкости в каналах слоя и скорости течения в прямых капиллярах эквивалентной слою системы равно отношению:
— = K
A Kl'
(3)
где Ас— средняя длина поровых каналов в слое компонента;
А — длина прямолинейного капилляра;
KL — фактор кривизны порового канала по длине.
Удвоенная величина фактора KL носит название «коэффициента Козени» [2]. Экспериментальные исследования показали, что для сухих компонентов значения коэффициента Козени в зависимости от их вида и способа получения колеблются в пределах от 2,94 до 18,1. Необходимо заметить, что у быстрорастворимых сухих компонентов по сравнению с обычными величина коэффициента Козени имеет большее значение, что вызвано, очевидно, значительным отклонением формы частиц от сферической.
Определение действительной структуры порового пространства в пористых телах и дисперсных систе-
мах крайне затруднительно, вследствие чего обычно прибегают к применению моделей. Одной из распространенных рабочих моделей является так называемая капиллярная модель - представление дисперсной системы набором капилляров, параллельных течению жидкости и не связанных между собой. Эта модель привлекательна тем, что позволяет сравнительно просто определить некоторые характеристики слоя высокодисперсных материалов.
Необходимо отметить, что замена весьма сложной и запутанной структуры реальной пористой среды набором независимых капилляров является довольно искусственной и в каждой конкретной задаче требует отдельного обоснования. Естественны поэтому попытки представить пористую среду более сложными моделями, например, набором капилляров переменного сечения, набором извилистых капилляров, а также сетью капилляров [3]. Такие усложнения моделей ведут, как правило, к чрезвычайному усложнению расчетов, что не всегда бывает оправданными. Поэтому наиболее распространенной моделью пористой среды является набор прямых цилиндрических капилляров одинакового диаметра.
Таким образом, в статье рассмотрены различные системы моделирующие слой сухих компонентов. Предложено использовать капиллярную модель представления дисперсной системы набором прямых цилиндрических капилляров одинакового диаметра, параллельных течению жидкости и не связанных между собой.
Литература
1. Лыков А.В. Теория сушки. - М.: Энергия, 1968. — 472 с.
2. Ходаков Г.С. Основные методы дисперсного анализа порошков. — М.: Изд-во литературы по строительству, 1968. — 131 с.
3. Лыков А.В. Тепломассообмен. Справочник. — М.: Энергия, 1972. — 560 с.
УДК 677.04
Технологические методы повышения надежности узлов трения машин и оборудования бытового обслуживания и коммунального хозяйства
Е.И. Соколова, Т.В. Розаренова, И.Э. Пашковский
ФГОУВПО «Российский государственный университет туризма и сервиса»
В современных условиях перехода к постиндустриальному обществу большое значение приобретает сфера сервиса, ориентирующаяся на удовлетворение возрастающих требований населения к качеству оказываемых услуг и сохранению окружающей среды. Одной из основных задач в бытовом обслуживании и коммунальном хозяйстве, кроме обеспечения высокого качества оказываемых услуг, является повышение
срока службы и надежности технологического оборудования. Возникла объективная необходимость не только в производстве нового оборудования с лучшими характеристиками, но и в эффективном ремонте уже эксплуатируемого, не отработавшего свой ресурс.
В настоящее время теплоснабжение и водоснабжение населенных пунктов и промышленных предприятий производится по тепло- и водосетям с при-
17
МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ ИЗДЕЛИЙ СЕРВИСА
менением гидравлических насосов различных марок, основной причиной отказов которых является износ вала в области сальника. В прачечных сферы бытового обслуживания используются стиральные машины, выход из строя которых обусловлен износом подшипников. Замена или восстановление поверхностей этих деталей — длительный и дорогостоящий процесс. Работники автосервисов постоянно сталкиваются с проблемой износа ряда деталей автомобилей: цилиндров, масляного насоса и коленвала в двигателе внутреннего сгорания; зубчатых колес, вала, подшипников и шарниров равных узловых скоростей в коробке переключения скоростей; подшипников в помпе, генераторе, стартере, вентиляторе и других узлов трения.
Вопрос повышения надежности узлов трения имеет экономическое и экологическое значение. Современные машины состоят, в основном, из узлов трения, и основной причиной останова оборудования является усталостный износ металлических деталей трения, усугубленный водородным износом. Расходы на ремонт порой превышают стоимость оборудования. Кроме того, некачественная работа данных сочленений отрицательно влияет на окружающую среду и здоровье человека. Утечка взрывоопасных веществ через уплотнения приводит к крупным авариям. Эксплуатация автомобиля с изношенными цилиндрами и поршневыми кольцами приводит к увеличению вредных выбросов. Износ валов, подшипников, уплотнений в насосах способствует увеличению протечек масла, топлива, перекачиваемых водных сред. В результате ухудшается состояние окружающей среды, портятся дорожные покрытия, увеличивается потребление энергии. Здоровье людей, использующих транспортные средства с чрезмерным испарением топливных паров, с повышенными вибрациями, возникающими в результате эксплуатации машин с изношенными деталями, значительно ухудшается. Необходимость борьбы с преждевременным разрушением деталей от водородного износа очевидна.
Проблема водородного износа имеет большое значение для многих отраслей народного хозяйства. Например, водородному износу подвержены деревообрабатывающие инструменты и рабочие органы деревообрабатывающих машин; металлорежущие станки кузнечно-прессовых машин; узлы трения башенных кранов и экскаваторов, лифтов, тракторов и сельскохозяйственной техники; узлы трения топливных насосов, тормозные колодки и барабаны колес авиационных машин; цилиндры, поршневые колеса двигателей, тормозные барабаны, диски сцепления, детали бензонасосов автомобилей; узлы трения, смазываемые водой у морских судов; узлы трения техники, эксплуатируемой в условиях низких температур (в условиях Севера); узлы трения химического, нефтеперерабатывающего оборудования; узлы трения машин коммунального хозяйства (насосы) и бытового обслуживания (стиральные машины); рельсы и колеса вагонов железнодорожного транспорта, узлы трения локомотивов. Даже разработка более современных сплавов при проектировании новых машин не может решить эту проблему. Титан и
его соединения, которые находят все большее применение, при трении сильно поглощают водород и также подвержены водородному износу.
Повышение надежности отдельных узлов и машин в целом ведется по трем основным направлениям: 1) создание новых конструкционных материалов с высокими механическими свойствами; 2) выполнение сопрягаемых деталей с высокой точностью линейных размеров и оптимальной шероховатостью поверхности; 3) упрочнение трущихся поверхностей. Однако во всех случаях — это высокая стоимость, кроме того, это защита временная и процесс износа деталей в целом не предотвращается. В настоящее время актуальным направлением в ремонте изношенных трущихся поверхностей является их восстановление в процессе эксплуатации без полной разборки механизмов так называемыми эксплуатационными методами. Подобное решение проблемы обусловлено ее особенностью.
Большое внимание в теории и практике уделяется расчету типовых наиболее изнашиваемых деталей узлов машин: зубчатых передач, подшипников, фрикционных передач, уплотнений валов. Однако физикохимические изменения, происходящие в поверхностных слоях деталей при фрикционном контакте, трудно поддаются математическому описанию.
Важно отметить технологические методы. Продолжительное время одним из основных направлений по борьбе с изнашиванием узлов машин было повышение твердости трущихся поверхностей детали. Разработано большое количество методов повышения твердости деталей, таких как хромирование, азотирование, цементирование и другие. Финишная обработка деталей влияет не только на приработочный, но и установившийся износ.
В последнее время используются более эффективные технологии окончательной обработки деталей, которые позволяют снизить приработку деталей и повысить антифрикционные свойства. Например, финишная антифрикционная безабразивная обработка (ФАБО) предложенная Д.И. Гаркуновым и В.И. Лозовским [2], в процессе которой на поверхность металлической детали с использованием избирательного переноса наносится защитная пленка из легирующих металлов, в дальнейшем защищающая деталь от разрушения. Высокопроизводительное оборудование и химические составы обеспечивают высокое качество антифрикционных покрытий. Однако ФАБО не может быть реализована как эксплуатационный метод профилактики износа или восстановления поверхности детали.
Применение смазочных материалов резко снижает интенсивность изнашивания трущихся поверхностей. Достаточно ввести в зону контакта деталей небольшое количество смазочного материала, как сила трения может снизиться на порядок, а износ поверхностей трения — на три порядка. Эффективность смазочной системы зависит от ее конструктивного совершенства и качества.
Наиболее современным эксплуатационным способом борьбы с водородным износом является
18
МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ ИЗДЕЛИЙ СЕРВИСА
использование смазочных металлоплакирующих материалов, реализующих в зоне фрикционного контакта механизм избирательного переноса. Это сложное явление изучалось Д.Н. Гаркуновым, В.И. Лозовским, А.А. Поляковым, Ю.С. Симаковым, В.Т Шимоновским, а также учеными МГУС. Указанное явление характеризуется образованием защитной пленкой из ионов легирующих металлов, введенных в зону трения поверхностей. Ионы легирующих металлов притягивают к себе атомарный водород и затягиваются в углубления на поверхности металлической детали, выравнивая ее и не давая возможности водороду проникнуть из зоны трения в глубинные слои детали. Ионы легирующих металлов способны изменять движение водорода, находящегося в структуре металлической детали, притягивая его к себе, выводят в зону сервовитной пленки, снижая тем самым внутреннее давление металла. Защитная пленка не окисляется, не наклепывается на поверхность детали, обладает низким сопротивлением к сдвигу и способностью к самоорганизации, образуется избирательно в зависимости от возникающих температур и давлений в зоне трения. Избирательный перенос характеризуется одновременным протеканием двух разнонаправленных процессов: процессом разрушения поверхности и процессом ее восстановления. Для активизации процесса и его сбалансированного протекания необходимо наличие в контактной зоне частиц легирующих металлов.
Являясь частным, но более эффективным случаем избирательного переноса, широкое применение получил метод металлоплакирования. При использовании металлоплакирующих присадок кристаллическая решетка меди более подвижна, более подвержена химическим превращениям, что ускоряет процесс выхода водородных дислокаций на поверхность металла в зону металлической пленки. В зоне металлоплакирующей смазки легирующие частицы активнее образуют соединения с металлическими, а после «затягивания» их в неровности и выравнивания поверхности частично высвобождаются и снова в зоне трения вступают в химические связи. Образуется замкнутый цикл работы присадки. Использование качественной смазки само по себе резко снижает интенсивность изнашивания. Если же используются металлоплакирующие смазочные системы, то эффективность оборудования повышается в порядки раз. Однако встает задача подбора индивидуальной композиции для каждого конкретного случая, что требует дополнительных научных разработок. Актуальным является и вопрос разработки адаптивных смазочных материалов более широкого спектра действия, которые можно было бы применять вне зависимости от условий режима работы.
В настоящее время разработкой композиционных составов, направленных на предотвращение водородного износа деталей машин разных отраслей, занимаются многие научные коллективы.
С.И. Дякиным и С.Л. Крахмалевским в ОКБ им. П.О. Сухого была успешно испытана разработанная ими металлоплакирующая смазка «Атланта» для шарнир-
ных соединений, продемонстрировавшая возможность увеличения срока между смазочными работами, повышение износостойкости деталей, снижение затрат на эксплуатацию [1].
В.М. Кремешной, А.В Беляков, А. В. Теляшный разработали металлоплакирующие смазочные материалы Метапол (для промышленного оборудования и транспорта) и МПСМ (для узлов трения авиационной техники) [1].
Козловым Л.К. разработана и опробирована в двигателях, редукторах, приводах генераторов, подшипниках, компрессорах холодильных установок на Сергипрорыбфлоте (г. Мурманск) антифрикционная медьсодержащая присадка к маслам МКФ - 18 4М, которая показала положительное влияние на работу узлов [1].
В РГУТиС на кафедре «Конструкционные материалы» был создан концентрат медьсодержащей присадки «МКФ-18», которая была успешно опробована в Средневолжском НИИ, это положило начало новым исследованиям. С использованием данной присадки разработан полимерный состав для щелевых уплотнений, который был успешно испытан на стиральноотжимных машинах моделей КП-129 и КП-019 и внедрен на Вяземском машиностроительном заводе. На кафедре «Материаловедение и товарная экспертиза» авторами с использованием присадки «МКФ-18» разработан новый композиционный материал для сальниковых уплотнений гидравлических насосов.
Особенностями эксплуатации уплотнительных узлов гидравлических насосов является наличие в зоне фрикционного контакта воды и смазочного материала, а также то, что в паре трения с металлическим валом работает текстильная сальниковая набивка. В силу имеющихся особенностей в узле активно протекает усталостный износ вала и набивки, а также водородный износ вала и абразивный износ набивки.
Усталостный износ изучали И.В. Крагельский, Б.В. Дерягин, П.В. Елин, и другие. Его механизм предполагает взаимное внедрение и смятие шероховатостей контактирующих при трении поверхностей. В области пятен контакта под нормальной нагрузкой возникают соответствующие напряжения и деформации: перед выступом возникает зона сжатия, после выступа - зона растяжения. В результате возникает знакопеременный цикл нагружения материала, в котором накапливаются повреждения, приводящие к его разрушению. Усталостный износ вала усугубляется водородным износом по причине интенсивного выделения из неметаллических материалов в зоне фрикционного контакта атомарного водорода, который затем проникает в структуру металлической детали и разрушает ее. Атомарный водород, обладающий высокой химической активностью, поглощается поверхностью металла, вступая в химическую связь с металлом, диффундирует в глубинные слои, скапливается в микропорах, объединяясь в дислокации и превращаясь в молекулярный водород, создает внутреннее давление в структуре металла, способствует появлению и разрастанию трещин. В результа-
19
МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ ИЗДЕЛИЙ СЕРВИСА
те охрупчивания прочность металла снижается, а под воздействием сил трения он начинает крошиться. Продукты износа, остающиеся в зоне трения, начинают воздействовать на поверхность трения как абразив, усугубляя процесс. Электрические, магнитные, вибрационные, а также тепловые факторы не оказывают значительного влияния на интенсивность изнашивания деталей, но они влияют на активность водорода. Это связано с тем, что водород имеет заряд, взаимодействующий с этими полями. Тепловые явления и напряжения, влияя самостоятельно на процесс трения и износа, являются процессами, стимулирующими образование водорода, и способствуют продвижению его в зону контакта. Механизм водородного разрушения металла установлен Д.Н. Гаркуновым и А.А. Поляковым и подробно рассмотрен в технической литературе [2].
Текстильная набивка, изначально упругая и эластичная, под воздействием высоких температур и напряжений быстро теряет свои первоначальные свойства, и все шероховатости поверхности вала и отколовшиеся металлические песчинки, находящиеся в зоне трения, начинают действовать на поверхность набивки как абразив, срезая волокна ее поверхностного слоя, выглаживая его, ослабляя тем самым структуру набивки. Из ослабевшей структуры набивки постепенно уносятся волокна и нити, она становится тоньше, теряет свои герметичные свойства, что ведет к увеличению протечек узла, вибрации и износу вала.
Рис.1. Профилограмма поверхности ролика из материала СЧ 25 до трения в водной среде о шнур сальниковой набивки марки ХБП
2. Изучение износа металлической детали с различной концентрацией присадки. С введением определенного количества металлоплакирующей присадки в пропиточный состав для пропитки сальниковой мягкой набивки, износ деталей узла при трении снижается.
Концентрация металлоплакирующей присадки в смазочном материале для различных трущихся и смазывающих материалов может быть различной. Поэто-
Решить вопрос увеличения срока службы вала или набивки отдельно не удается. Необходимо рассматривать узел целиком и решать задачу комплексно.
Наиболее применимым среди эксплуатационных методов повышения срока службы деталей узлов трения (без разборки оборудования) является метод металлоплакирования. Поэтому были изучены (в два этапа) процесс водородного изнашивания поверхностей деталей узла и влияние на него смазочного материала с металлоплакирующей присадкой.
1. Изучение износа металлической детали без присадки. Интенсивность изнашивания деталей уплотнительного узла изучалась на следующих образцах: стальной ролик марки СЧ 25 и шнуры сальникового набивочного шнура марок ХБС, ХБП, ЛП, истираемых в водной среде в течение 7 часов с нагрузкой 180 Н, при скорости вращения 120 об/мин. Были сняты профилограммы с поверхностей трения ролика до и после испытания. На рис. 1 и 2 представлены профилограммы роликов, истираемых в паре со шнуром марки ХБП. Из профилограмм видно, что шероховатость металлической поверхности после фрикционного контакта с мягкой набивкой со смазочным материалом без присадки увеличилась в 3 раза. Такое значительное изменение шероховатости ведет к более интенсивному изнашиванию шнуров сальниковой набивки вследствие микрорезания и является нежелательным.
Рис. 2. Профилограмма поверхности ролика из материала СЧ 25 после трения в водной среде о шнур сальниковой набивки марки ХБП
му было целесообразно провести исследования по определению оптимальной концентрации присадки, которая приводила бы к наименьшему износу пары трения «металл-текстиль». Для исследования была использована методика, предложенная в работах А.К. Прокопенко.
Для испытания были отобраны 6 партий шнуров сальниковой набивки марок ХБП и пропитаны сма-
20
МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ ИЗДЕЛИЙ СЕРВИСА
зочным составом с металлоплакирующей присадкой в количестве 0%, 0,05%, 0,1%, 0,15%, 0,2%, 0,25% от массы смазочного материала. Шнуры истирались в паре с роликами, изготовленными из материала СЧ 25 в течение 7 часов с нагрузкой 180 Н, при скорости вращения 120 об/мин. Критериями износостойкости для металлического ролика было выбрано изменение массы, для шнура - изменение разрывной нагрузки. Из
графика на рис. 3 видно, что оптимальная концентрация присадки в смазочном материале для пары трения металл - текстиль составила 0,15% массы смазочного материала, так как она является точкой минимума графика износа металлических поверхностей, изменение концентрации присадки в рассматриваемых пределах на свойства шнуров не влияют.
Рис. 3. Определение оптимальной концентрации присадки в смазочном материале.
Были также сняты профилограммы с поверхностей трения роликов, истираемых о шнур сальниковой набивки марки с различной концентрацией присадки в смазочном материале. На рис. 4-6 представлены профилограммы поверхностей роликов истираемых о шнур сальниковой набивки марки ХБП с концентрацией присадки 0,05%, 0,15%, 0,25%.
Профилограммы выполнены при вертикальном увеличении 40 000, горизонтальном — 400. Анализ профилограмм показывает, что наличие в смазочном материале присадки до 0,15% уменьшает шероховатость поверхности ролика за счет увеличения площади опорной поверхности и радиусов скругления вершин и впадин (рис. 4 и 5). Это говорит о формировании более оптимальной микрогеометрии поверхности. Последующее увеличение концентрации ведет к ухудшению получаемой микрогеометрии поверхности (рис. 6), так как радиусы скругления вершин и впадин уменьшаются, а глубина вырывов увеличивается. Это говорит о том, что концентрация присадки в смазочном материале менее 0,05 % не предотвращает износ вала, а концентрация более 0,2% — вызывает разупрочнение металлической поверхности.
Результаты исследования показали, что при трении
ролика в паре с текстильным набивочным шнуром при вышеназванных условиях, износ деталей будет наименьшим при добавлении в смазочный материал металлоплакирующей присадки в количестве 0,15% от массы смазочного материала.
Новое композиционное сальниковое уплотнение успешно прошло производственные испытания, при этом зафиксировано значительное увеличение срока службы деталей узла, увеличение времени между работами по обслуживанию оборудования. Новые композиционные сальниковые уплотнения были внедрены на ЗАО «Русский научный технологический центр проблем безызносности в машинах» и на МУП «Мытищинские теплосети».
Эксплуатационные методы, такие как использование металлоплакирующих смазочных материалов, оказывают большое влияние на сокращение межремонтных периодов в работе оборудования и расходов смазочных веществ, повышение надежности узлов, часто позволяют произвести ремонт без разборки машины, но тем не менее ученые рекомендуют эксплуатационные методы сочетать с технологическими, с ФАБО. Это позволит обеспечить максимальную эффективность работы оборудования.
21
МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ ИЗДЕЛИЙ СЕРВИСА
Рис. 4. Профилограмма поверхности ролика из материала СЧ 25 после трения в водной среде о шнур сальниковой набивки марки ХБП с пропиткой присадки 0,05%
Рис. 5. Профилограмма поверхности ролика из материала СЧ 25 после трения в водной среде о шнур сальниковой набивки марки ХБП с пропиткой присадки 0,15%.
Рис. 6. Профилограмма поверхности ролика из материала СЧ 25 после трения в водной среде о шнур сальниковой набивки марки ХБП с пропиткой присадки 0,25%
Литература
1. Прокопенко А.К. Избирательный перенос в узлах трения машин бытового назначения. — М.: Легпромбытиздат, 1987. — 104 с.
2. Гаркунов Д.Н. Научные открытия в триботехнике. Эффект безызносности. Водородное изнашивание металлов. — М.: Изд-во МСХА, 2004. — 384 с.
УДК 620.1:621.1:539.4
Разработка и качественное исследование кинетической модели водородного охрупчивания
сталей и сплавов
П.Е. Лукашев, В.М. Юдин
ФГОУВПО «Российский государственный университет туризма и сервиса»
Современная техническая политика в области высокотехнологической продукции требует особого внимания к трем ее элементам [1]: 1) разработке и выпуску высокотехнологической продукции, 2) экономической составляющей политики, обеспечивающей выход данной продукции на потребительские рынки, 3) сервису продукции от стадии информирования потребителя, эксплуатационного сопровождения и далее до стадии утилизации, т.е. обеспечению полного жизненного цикла изделия [2].
Водородный износ весьма часто определяет надежность и срок службы оборудования и машин, имеющих в своем составе узлы трения [1, 3—6]. Износ, в особенности водородный износ, является наиболее существенным фактором, который должны учитывать
разработчики новой техники и специалисты, занимающиеся ее эксплуатацией и обслуживанием. Материаловедение в настоящее время является бурно развивающейся областью. Однако вовлечение новых конструкционных материалов в процесс создания новой техники, технологий диагностики и сервиса технологического оборудования зачастую сдерживается отсутствием методов испытаний в заданных условиях эксплуатации. Разработка же этих методов, в свою очередь, сдерживается отсутствием математических моделей, представляющих сложный, составной, а потому и многопараметрический процесс износа.
В работе поставлена задача изучить возможность теоретического представления водородного разрушения металлов и сплавов кинетическими моделя-
22
