Трибохимические исследования процессов диагностики и сервиса технологического оборудования тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.17.08, доктор технических наук Юдин, Владимир Михайлович

• Юдин, Владимир Михайлович
• доктор технических наук
• 2004

Оглавление диссертации доктор технических наук Юдин, Владимир Михайлович

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. Анализ основных представлений и теоретических положений трибологии и трибохимии.

1.1. Анализ проблем трибохимии. Проблемы диагностики узлов трения и тестирования смазочных материалов.

1.2. Теории трибологии.

1.3. Химические аспекты трения и износа. Трибохимические реакции с позиций координационной химии.

1.4. Электрохимические методы трибохимии.

1.5. Структурные методы трибохимии твердого тела

1.6. Анализ теоретических зависимостей трибологии.

1.6.1. Кинетическая характеристика трения

1.6.2. Статическая характеристика трения.

1.7. Термодинамическое обоснование взаимосвязи износа образцов в триботехнических системах с интенсивностью выделения водорода.

1.8. Химическая кинетика трибохимических реакций.

1.8.1. Топохимическая кинетика реакций перехода зародышей в активно растущие ядра адгезионного схватывания.

1.8.2. Топохимические кинетические зависимости при учете механохимической и тепловой активации.

1.9. Водородный износ и методы его исследования.

1.9.1. Взаимодействия при фрикционном контакте.

1.9.2. Взаимодействие водорода с металлами.

1.9.3. Водородный износ при фрикционном контакте.

1.9.4. Экспериментальные методы исследования наводороживания

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Трибохимические исследования процессов диагностики и сервиса технологического оборудования»

Диссертация посвящена трибохимическим исследованиям процессов трения и водородного износа. Результаты исследований положены в основу диагностики узлов трения и методов борьбы с водородным износом в процессе эксплуатации и сервисного сопровождения машин и агрегатов на предприятиях бытового обслуживания, легкой и деревообрабатывающей промышленности, автомобильного, железнодорожного и авиационного транспорта.

Работа выполнялась по координационному плану стандартизации по проблеме «Обеспечение износостойкости деталей машин и механизхмов» на 1976 - 80 г., координационному плану НИР АН СССР по проблеме «Трение и износ твердых тел» на 1981-86 г., координационному плану НИР АН СССР по проблеме «Трение и механика использования энергоаккумулирующих веществ, в том числе гидридов и восстановления окислов» на 1986 - 90 г., Постановлениями Совета министров СССР № 359 от 26.03.87 и ГКНТ ССС № 349 от 3.07.85 и № 193 от 3.06.86 и приказами по министерству бытового обслуживания РСФСР № 178 от 21.04.86 и № 365 от 31.07.87.

Исследования и конструкторские разработки, представленные в диссертации, выполнены под руководством автора в лаборатории «Водородного изнашивания» при МТИ, в научно-исследовательском секторе МТИ, в научно-производственном предприятии «Трибо», а также при выполнении диссертационных работ на соискание ученой степени кандидата технических наук Ставровским М.Е. и Саванчук Р.В.

АКТУАЛЬНОСТЬ ПРОБЛЕМЫ. Трибохимия водородного износа определяет надежность и срок службы оборудования и машин, имеющих в своем составе узлы трения. 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. Прогресс триботехники в настоящее время определяется решением задач, возникших на стыке механики и химии, которые являютсяпредметом исследования специальных дисциплин: механохимии и трибохимии.

В понятие сервис вкладывается весь комплекс мероприятий, позволяющих обеспечить безопасность, надежность и функциональную работоспособность машин, агрегатов и входящих в них узлов и деталей. Развитие сферы сервиса в последние десятилетия в различных отраслях производства, коммунального и сельского хозяйства, торговли стало насущной проблемой в силу расширения конкуренции и быстрой смены номенклатуры товаров. Это развитие стало возможным благодаря совершенствованию технологий сервиса. Высокотехнологическая продукция машиностроения (автомобили, холодильники, пылесосы, кухонные комбайны и т.п.), промышленности электронной техники (телевизоры, видеомагнитофоны, персональные компьютеры) стала необходимым элементом современного быта.

Активная техническая политика в области высокотехнологической продукции требует особого внимания к трем ее элементам: (1) разработке и выпуску высокотехнологической продукции, (2) экономической составляющей политики, обеспечивающей выход данной продукции на потребительские рынки, и, наконец, (3) сервису продукции от стадии информирования потребителя вплоть до стадии утилизации, т.е. обеспечение полного жизненного цикла изделия. Развитие технологий сервиса и диагностики технологического оборудования требует повышенного внимания к проблемам износа. Российская научная школа является одной из передовых в этой области. Большой прогресс достигнут благодаря работам российских ученых: Кра-гельского И.В., Гаркунова Д.Н., Ахматова A.C., Ишлинского А.Ю., Полякова A.A., Костецкого Б.И., Дерягина Б.В., Ребиндера П.А. и многих других. В последнее время многообещающие практические и теоретические результаты получены в работах Кужарова A.C., Лукашева Е.А., Прокопенко В.А. и других.

ЦЕЛЬ РАБОТЫ - разработка триботехнического измерительного комплекса для исследования трибохимии водородного износа, разработка методик для определения водорода в материалах деталей узлов трения, исследование триботехнического наводороживания и его связь с износом материалов, применение разработанных методов и аппаратуры для диагностики и снижения водородного износа материалов узлов трения, апробация полученных результатов на предприятиях при обслуживании машин, агрегатов и технологического оборудования.

Поставленная цель достигалась в следующих направлениях:

1. разработка методов диагностики износостойкости и рекомендаций по применению разработанных технологических приемов снижения водородного износа, в том числе финишной антифрикционной безаобразивной обработки и обкатки в технологических средах, имеющих в своем составе медьсодержащие металлоплакирующие присадки к маслам, на стадиях производства, эксплуатации и сервиса продукции машиностроения.

2. исследование водородного износа и технологических приемов защиты от него в условиях эксплуатации деталей различных узлов и агрегатов;

3. разработка триботехнического измерительного комплекса и методик определения «металлургического», «технологического» и триботехнического водорода.

НАУЧНАЯ НОВИЗНА заключается в анализе современных проблем триботехники и трибохимии водородного износа и смазочных материалов; в разработке триботехнического измерительного комплекса, в котором объединены новые технические решения в форме оптоэлектронных датчиков износа; установок вакуумной экстракции и лазерного отбора проб водорода; твердоэлектролитного датчика водорода; в новых методиках прецизионных и ускоренных испытаний трибохимических систем с использованием триботехнического измерительного комплекса для исследования процессов трибохимии водородного износа; в результатах исследования взаимосвязи наводо-роживания материалов при трении с их износом и разработке технологических приемов защиты от водородного износа путем применения металлопла-кирующих противоизносных медьсодержащих присадок.

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЦЕННОСТЬ заключается в технологических приемах защиты узлов трения от водородного износа, включая использование ме-таллоплакирующих противоизносных медьсодержащих присадок, в форме финишной антифрикционной безабразивной обработки, обкатки в технологических средах, повышения сроков службы эксплуатируемого оборудования; методиках диагностики и рекомендациях для снижения водородного износа при эксплуатации деталей узлов трения бытовой техники, механизмов швейных машин, лезвийного инструмента машин скользящего резания коже-венно-обувных и текстильных материалов, деревообрабатывающего инструмента, насосов, двигателей внутреннего сгорания, деталей узлов трения автомашин, дизельной техники специального назначения и путевых машин железнодорожного транспорта.

ПУБЛИКАЦИИ. По результатам диссертационной работы опубликовано 45 печатных работ, включая 2 монографии и 9 патентов (авторских свидетельств) на изобретения.

АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ. Результаты работы докладывались на областном семинаре «Опыт исследования быстропротекающих процессов в механике текстильных машин» (Пенза, 1981), региональной научно-технической конференции «Повышение качества и производительности обработки деталей машин и приборов» (Горький, 1984), Всесоюзной научно-технической конференции «Современные проблемы триботехнологии» (Николаев, 1988), республиканской научно-технической конференции «Научно-технический прогресс в сфере услуг» (Уфа, 1988), зональной научно-технической конференции «Повышение надежности изделий триботехническими методами» (Пенза, 1988), V Всесоюзной конференции «Методы определения и исследования газов в металлах» (Москва, 1988), Всесоюзной научно-технической конференции «Повышение качества и надежности продукции, программного обеспечения ЭВМ и технических средств обучения» (Куйбышев, 1989), научно-технической конференции ГАСБУ «От фундаментальных исследований до практического внедрения» (Москва, 1993), международной научно-технической конференции «Наука сервису» (Москва, 1996).

Выполненные автором разработки экспонировались на ВДНХ СССР. Постановлением Совета Министров РСФСР от 16.04.91 г. № 202 автору в составе коллектива присуждена единовременная премия Совета Министров РСФСР за «Разработку, исследование и внедрение методов повышения срока службы машин, технологического оборудования и транспортных средств предприятий бытового обслуживания на основе безызносности».

СТРУКТУРА И ОБЪЕМ ДИССЕРТАЦИИ. Диссертация состоит из введения, четырех глав, выводов, списка цитированной литературы и приложения. Объем диссертации составляет 368 страниц; он включает 268 страниц основного машинописного текста, 99 рисунков, 52 таблицы, выводы, список литературы (341 наименования); приложение составляет 87 страниц.

Заключение диссертации по теме «Процессы и аппараты химической технологии», Юдин, Владимир Михайлович

Результаты исследования диффузии и проникновения водорода сквозь кобальтовую фольгу в интервале температур 520-1050 К представлены в [П.2.9] (получены на автоматизированной установке). В работе [П.2.10] было изучено взаимодействие водорода с «реальными» поверхностями (металлическая мембрана) при концентрациях водорода в металле до 0,3 ат.% и температурах ниже 200°С. Показано, что в этих условиях процессы на поверхности являются лимитирующим этапом взаимодействия. Перераспределение водорода в ниобии при термоциклической обработке исследовано [П.2.11] методами микроскопического и рентгеновского анализов, а также структура, параметры кристаллической решетки твердого раствора, микротвердость и соотношение фаз в сплавах ЗЧЬ.

Температурные зависимости коэффициента диффузии дейтерия в разбавленных твердых растворах палладия, содержащих 4 и 10 % молибдена, исследовали в [П.2.12]. Значения коэффициента диффузии определяли в ходе ступенчатого нагрева и охлаждения в интервале температур 573-1073 К. Диффузию дейтерия в концентрированных твердых растворах палладий - медь исследовали [П.2.13] с целью определения влияния легирования палладия медью. Установлено, что с увеличением концентрации меди коэффициенты диффузии дейтерия в палладии и медных сплавах уменьшаются, достигая минимума в области 60 ат.% меди, после чего наблюдается их небольшое увеличение. Для обсуждения полученных результатов привлечена модель Мак-Леллана, разработанная для интерпретации поведения легких примесей внедрения в концентрированных тверД1Вхгршнрш*рю£.температур 500-1000° С и давлении водорода 0,1-10 МПа исследовали растворимость водорода в жаропрочных никелевых сплавах ЭИ437БУВД, ЭИ698ВД и ЖС6КП, содержащих различное количество упрочняющих фаз [П.2.14]. Установлено, что с увеличением давления растворимость водорода растет во всех сплавах во всем интервале температур. Однако закон Сивертса соблюдается только в интервале высоких давлений 5-10 МПа, причем отклонения от закона Сивертса уменьшаются с повышением температуры. С увеличением температуры растворимость водорода растет экспоненциально во всех сплавах. В сплаве ЖС6КП растворяется наибольшее количество водорода.

В работе [П.2.15] изучали влияние окисления на проницаемость водорода плоских мембран из сплава ХН55МВЦ. Обнаружено, что окисление сплава может привести к двоякому результату в зависимости от времени окисления. При некоторых режимах окисления наблюдается увеличение поверхностного барьера, для других - диффузионное сопротивление оксида становится сравнимым с диффузионным сопротивлением мембраны. Влияние оксидных пленок на проницаемость водорода и малоцикловую усталость хромистых сталей в вакууме и в атмосфере газообразного водорода исследовали в работе [П.2.16]. При исследовании влияния легирования редкоземельными металлами на диффузионные параметры водорода в стали ЭП-838 [2.17] определяли проницаемость водорода и коэффициент диффузии. В области температур 970 К обнаружен фазовый переход 1-го рода. Проницаемость водорода в сплавах железо - углерод исследовали при полиморфном превращении [П.2.18]. Использовали метод непрерывного измерения давления в ампуле. Материалами для исследования служили чистое железо, низкоуглеродистая и эвтектоидная стали. В результате исследований подтверждено импульсное выделение водорода в момент фазового перехода у -» а в чистом железе. Установлена зависимость коэффициента диффузии водорода в железе и его сплавах с углеродом в интервале температур 773-1373 К. Методика позволяла наблюдать все изменения проницаемости водорода в исследуемом металле: зависимость ее от состава фаз, структуры, а при необходимости следить за изменениями во времени, связанные с ростом зерна и выделением новых фаз. Особенности обезуглероживания пористого белого чугуна в атмосфере водорода изучали в работе [П.2.19] с целью выяснения роли открытых и закрытых пор. Материалом исследования служил пористый белый чугун эвтектического состава, закристаллизовавшийся в атмосфере водорода. Обезуглероживающий отжиг проводили в атмосфере чистого водорода при давлении до 10 МПа и температуре 1273 К.

Вопросы кинетики взаимодействия водорода с металлами посвящены работы [П.2.20 - П.2.22]. Так, в работе [П.2.22] исследовали кинетику проникновения водорода сквозь никелевые мембраны в интервале температур 473 - 933 К методом Оже-электронной спектроскопии. Параметры процесса проникновения водорода определяли в зависимости от предыстории образца, начального элементного состава поверхности, режимов обработки методами высокотемпературного отжига и химических реакций с использованием активных газов: кислорода и водорода. Обнаружена термостимулированная и водородостимулированная сегрегация примесей серы и углерода на поверхности никеля, влияющая на параметры проникновения водорода.

Влияние облучения на проницаемость водорода исследовали в работах [П.2.23, П.2.24]. В [П.2.24] в условиях реакторного облучения (1,6-10" нейтр/см2, Е > 0,1 МэВ ) и высоких температур исследовали проницаемость водорода в стали 12Х18Н10Т, которая хорошо зарекомендовала себя при эксплуатации. Влияние постоянного магнитного поля на высокотемпературную проницаемость водорода стали 10Х18Н10Т с ферромагнитной структурой и стали 104, претерпевающей в исследуемом температурном интервале (>500°С) фазовые превращения 2-го рода, совпадающие с превращениями 1-го рода, изучали в [П.2.25]. Исследователей интересуют механизмы диффузии газов в металлах [П.2.26], механизмы взаимодействия [П.2.27], явление сверхпроницаемости [П.2.28].

1.10. ЗАКЛЮЧЕНИЕ И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧ ИССЛЕДОВАНИЯ

Анализ современного состояния теоретической трибологии показывает, что прогресс триботехники в настоящее время определяется прецизионным экспериментом, позволяющим разделить эффекты, сопровождающие трение и износ. Открытие явлений наводороживания, водородного износа, безыз-носного трения и избирательного переноса обеспечило значительный прогресс во многих отраслях машиностроения, транспорта и т.п. Однако сложность процессов трения и износа заставляет специалистов по производству, эксплуатации и сервису машин решать частные задачи. Так, отсутствие обобщающего подхода до сих пор не позволяет разработать теоретических положений, позволяющих выбирать материалы для пар трения и состав смазочных композиций. Положение осложняется тем, что материаловедение является наиболее быстро развивающейся областью, которая постоянно разрабатывает новые сплавы, керамики, полимеры, композиты. Освоение постоянно растущего ассортимента этих материалов сдерживается длительностью испытаний и, прежде всего, на трение и износ. Единственной возможностью сделать правильный выбор является проведение триботехнических испытаний. Современные теории трения и износа базируются на эмпирических и полуэмпирических закономерностях. Это значительно ограничивает возможность их практического использования, поскольку в каждом конкретном случае требуется определение границ применимости этих зависимостей, а также экспериментального определения коэффициентов уравнений. Таким образом, стендовые испытания, как один из методов технологического моделирования, являются обязательным этапом научных исследований, опытно-конструкторских разработок, внедрения в промышленность и службы сервиса.

Рассмотренные материалы позволяют заключить, что (1) результаты физико-химического анализа материалов пар трения и смазки не могут однозначно определять параметры процессов трения и износа; (2) деление процесса трения на сухое (ювенильное), граничное, смешанное и гидродинамическое является условным и не в полной мере теоретически обоснованным; (3) теории трибологии оперируют в основном механическими параметрами и эмпирическими зависимостями; (4) в адгезионной и молекулярно-механической теориях фактически прослеживается цель разделить эффекты внешнего и внутреннего трения; (5) физико-химическое обоснование, например, действия металлоплакирующих присадок включает только качественное рассмотрение, что не дает возможности уменьшить объем триботехнического эксперимента; (6) математические модели трения, в частности, топохимиче-ской кинетики адгезионного схватывания находятся в начальной стадии построения и требуют разработки методов расчета с использованием экспериментальных данных.

Химической стороне вопроса в теоретической трибологии, в частности, образованию и накоплению водорода не было уделено должного внимания. В большей степени вопросы химических взаимодействий при трении и износе решались в области практики (трибодеструкция смазочных материалов; образование, диффузия и аккумулирование водорода поверхностными слоями металла; металлоплакирующие присадки и т.п.). Отсутствие должного теоретического обоснования сдерживает прогресс в этой области, значительно тормозит научные разработки и их внедрение. Теоретическая трибология нуждается в прецизионных и надежных экспериментальных данных.

Процессы, протекающие при изменении воздействия внешних и внутренних факторов, могут быть представлены в форме детерминированных или корреляционных зависимостей. Однако многообразие форм явлений, обусловливающих износ материалов, определяет сложность построения прогностической математической модели процесса. В этом случае главной задачей системного подхода к анализу взаимодействия пар трения является составление динамико-стохастической модели для контроля за их состоянием. Динамическая часть модели должна обеспечивать управление и регулирование параметрами взаимодействия, а стохастическая - обеспечивать получение и обработку достоверной информации [1.231]. Основные характеристики объекта формулируются с помощью уравнений, которые вводятся в модель в качестве обратной связи.

Энергетический баланс в системе узла трения позволяет предположить, что интенсивность выделения или поглощения и состав газообразных продуктов износа могут служить индикатором условий и режимов взаимодействия материалов деталей и смазочной среды и должны быть определенным образом связаны с интенсивностью износа. Процесс водородного износа материалов связан с образованием в зоне трения газообразного водорода в результате деструкции смазочного материала.

Таким образом, хотя в теоретической трибологии и триботехнике достигнут значительный прогресс, однако, сложность явлений, наблюдаемых при взаимодействии материалов в процессе трения, убеждает, что в настояI щее время не существует возможности количественного их описания аналитическими методами, основанными на физико-химических закономерностях.

Установить количественные соотношения для оценки величины износа металлов по измерениям сопутствующих факторов можно только с помощью проведения активного эксперимента. Существование взаимосвязи между износом металла и концентрацией водорода в газовой фазе, а также внешними силовыми факторами, определяющими перераспределение плотностей энергии, обосновано экспериментально [1.185]. Результаты эксперимента являются основой для составления прогностической модели явления и идентификации ее параметров методами статистической обработки результатов наблюдений с привлечением аппарата математической теории оптимального планирования экспериментов [1.232, 1.233].

ГЛАВА 2. ТРИБОТЕХНИЧЕСКИЙ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЙ КОМПЛЕКС И МЕТОДЫ ТРИБОХИМИЧЕСКИХ ИСПЫТАНИЙ НА ВОДОРОДНЫЙ ИЗНОС 2.1 . ТРИБОТЕХНИЧЕСКИЙ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЙ КОМПЛЕКС

И МЕТОДИКИ ИССЛЕДОВАНИЙ И ИСПЫТАНИЙ 2.1.1. АНАЛИЗ ТРЕБОВАНИЙ, ПРЕДЪЯВЛЯЕМЫХ К МЕТОДИКЕ ТРИБОТЕХНИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЙ

Испытания на трение и износ в зависимости от цели исследований проводят на различном оборудовании и по различным методикам [2.1, 2.2 - 2.4]. Однако все известные методы характеризует одинаковая последовательность изучения свойств триботехнической системы. В работе [2.5] предложена классификация методов триботехнических испытаний при исследовании узлов трения машин. В соответствии с этой классификацией на первом этапе исследований определяют структурные свойства триботехнической системы - свойства ее эле*ментов и их взаимодействие, а на втором этапе - функциональные свойства системы, то есть ее функциональное поведение. Для определения триботехнических характеристик системы последовательно проводят: изучение свойств деталей системы; исследование триботехнических процессов; модельные испытания; контроль состояния машин.

Для исследования трибологических процессов применяют различные типы трибометров, то есть машин трения [2.1, 2.2 - 2.4], воспроизводящих различные виды, движения образцов, свойства которых соответствуют свойствам деталей изучаемой системы. В качестве рабочих параметров при испытаниях задаются нагрузкой и относительной скоростью движения образцов, их начальной температурой, составом среды, в которой проводят испытания, и смазочного материала, а также продолжительностью испытаний. К изучаемым триботехническим характеристикам системы относят: силу и коэффициент трения, величину и интенсивность износа, температуру в зоне контакта, шум и вибрацию, а также условия контакта деталей [2.5]. При исследовании триботехнических процессов большое значение придают характеристике поверхностей трения, то есть их топографии и состава, с помощью современных методов электронной микроскопии и рентгеновского микроанализа [2.6].

Модельные испытания проводят на стендах, позволяющих приблизить условия испытаний к эксплуатационным режимам работы деталей изучаемого узла трения. Окончательно триботехнические характеристики системы определяют при контроле состояния машин в процессе их эксплуатации.

Такая последовательность проведения триботехнических испытаний позволяет получать достоверные результаты исследований при наименьших затратах времени и материальных средств. Особое значение в этом случае приобретает исследование трибологических процессов, дающее возможность провести основной объем работ еще на стадии лабораторных испытаний.

Требования, которым должна удовлетворять методика лабораторных испытаний, предусматривает наиболее полное воспроизведение условий и I режимов работы натурного узла. Соответствие параметров нагружения и свойств материалов контактирующих поверхностей пары трения реальным условиям обеспечивает получение достоверной информации о механизме из- * носа.

В настоящее время широкое применение для исследований триботех- ¡ нических характеристик материалов получили машины трения СМЦ-2, 77МГ-1, ЧШ - 3.1, ЧШ-3.2, НАСТ-1 и др. К их недостаткам следует отнести отсутствие герметичных рабочих камер, а также устройств для непрерывной регистрации параметров трения, что не позволяет исследовать кинетику триботехнических и трибохимических процессов.

Лабораторные приборы КНИГА-1 и КНИГА-2, разработанные в Киевском институте инженеров гражданской авиации [2.7], имеют герметичную камеру, позволяющую вести исследования состава газов, образующихся в процессе трения. Однако испытания на этих установках проводятся с изменением геометрии исследуемых образцов, что затрудняет обработку получаемой информации. Величина износа при этом определяется по окончании экспериментов. Изменение геометрии образцов приводит к изменению уеловий и режимов работы исследуемых пар, так как увеличение площади контакта, вызванное износом поверхностей образцов, обусловливает снижение нагрузок, что не может не сказываться на организации процессов взаимодействия и на свойствах материалов и смазочной среды.

Таким образом, триботехнические испытания обладают рядом характерных особенностей, затрудняющих определение параметров трения и износа с помощью известных методов и испытательной техники. Необходимо учитывать, что смазочная среда активно взаимодействует с материалами трущихся деталей и все определяемые характеристики относятся к самоорганизующейся системе: трущиеся материалы - смазочная среда. Трение материалов в некоторых случаях сопровождается исключительно низкими значениями износа и коэффициента трения. Это вызывает необходимость непрерывной регистрации с высокой точностью таких триботехнических характеристик, как износ образцов, сила (момент) трения, температура образцов и смазочной среды.

Площадь рабочих поверхностей испытуемых образцов на известных » машинах трения обычно составляет 1 + 3 см, что вызывает дополнительные погрешности при испытаниях. Кроме того, применение образцов с большими * площадями рабочих поверхностей связано со значительными выделениями теплоты в процессе испытаний и, соответственно, с изменением раз*меров образцов за счет теплового расширения, что затрудняет или делает практически невозможным непрерывную регистрацию суммарного линейного износа и других параметров.

Перечисленные особенности проведения триботехнических испытаний в значительной мере отражаются на результатах лабораторных испытаний, проводимых на широко используемых машинах трения, таких как СМЦ-2, 77 МТ-1 и других. Следует также отметить, что длительность каждого эксперимента на этих машинах трения может достигать нескольких десятков часов.

С учетом перечисленных особенностей к приборам и методикам для проведения лабораторных триботехнических испытаний был предъявлен ряд требований: установки должны позволять вести непрерывную регистрацию параметров трения в ходе испытаний; площади рабочих поверхностей испытываемых образцов должны быть достаточно малы для обеспечения их быстрой приработки; масса испытательных установок, а также самих образцов должна быть невелика, чтобы тепловое расширение не сказывалось на результатах испытаний. Эти задачи были решены при разработке машин трения ММТ-1 и ММТ-2 [338] (конструкционные особенности и характеристики этих машин трения кратко изложены в Приложении 2). В более широкой постановке эти задачи решались при разработке триботехнического измерительного комплекса.

2.1.2. ЗАДАЧИ, НАЗНАЧЕНИЕ И СОСТАВ ТРИБОТЕХНИЧЕСКОГО

ИЗМЕРИТЕЛЬНОГО КОМПЛЕКСА

Для решения поставленных задач разрабатывался триботехнический измерительный комплекс. Круг задач, для решения которых предназначался данный комплекс, включал: (1) оценку триботехнических характеристик конструкционных материалов; (2) исследование смазывающей способности различных рабочих сред; (3) оценку влияния геометрии контактирующих образцов, а также типа трения и способа смазки на характер фрикционного взаимодействия при различных условиях внешних параметров; (4) непрерывное визуальное наблюдение и запись на видеоаппаратуру с последующим воспроизведением картины образования и разрушения вторичных структур в зоне фрикционного контакта при работе пары трения; (5) изучение механизма водородного износа конструкционных материалов; (6) исследование перераспределения водорода в системе металл - жидкость - газ; (7) оценку влияния «металлургического», «технологического» и «триботехнического» водорода на критическое содержание водорода в поверхностных слоях материалов, приводящего к их интенсивному разрушению; (8) автоматизированную обработку и хранение экспериментальных результатов по триботехническим характеристикам конструкционных и смазочных материалов с учетом водородного износа в различных рабочих средах.

Принципиальная схема триботехнического комплекса представлена на рис. 2.1. Комплекс состоит из представленных ниже основных блоков (приборов и конструктивных элементов).

Рис. 2.1. Принципиальная схема измерительного триботехнического комплекса. 1 - машина трения; 2 — самопишущий потенциометр; 3 - бинокулярный микроскоп; 4 стробоскоп; 5 - кинокамера; 6 - видеомагнитофон; 7 - телевизионный приемник; 8 - твердоэлектролитная ячейка; 9 - нагреватель; 10 - хроматографическая колонка; 11 - баллон с инертным газом; 12 - редуктор; 13 - расходомер инертного газа; 14 - камера отбора и ввода проб; 15 - термокамера; 16 - ЛАТР; 17 - барботер; 18 - шестиходовой кран; 19 - ЭВМ; 20 -блок питания; 21 - усилитель; 22 - лазер; 23 - герметичная камера; 24 - магнитная мешалка; 25 - потенциостат; 26 - коммутирующее устройство

МАШИНА ТРЕНИЯ. В качестве машины трения (1) могут быть использованы малогабаритные машины типа ММТ-1, ММТ-1Э, ММТ-2 и ММТ-3 (Приложение 2). Узел трения машин ММТ-1 и ММТ-1 Э, выполненный по схеме ролик - колодка, размещен в герметичной камере, в которой могут быть реализованы различные способы смазки: окунанием без циркуляции и с циркуляцией рабочей среды, фитильная и капельная. Рабочая камера ММТ-1 изготовлена из нержавеющей стали, а ММТ-1Э - из конструкционного электроизоляционного материала, что позволяет проводить изучение электрохимических процессов при фрикционном взаимодействии материалов. Техническая документация на машины трения ММТ-1 и ММТ-1 Э разработана совместно с Пермским агрегатным конструкторским бюро. Конструктивное исполнение машины трения ММТ-2 аналогично машине ММТ-1 и отличается тем, что в ней моделируется торцевое трение испытуемых образцов. В машине ММТ-3 узел трения выполнен по схеме плоская колодка - пластина и реализуется возвратно-поступательное движение. Конструктивное исполнение машины также позволяет изучать электрохимические процессы при трении.

САМОПИШУЩИЙ ПОТЕНЦИОМЕТР КСП-4. Потенциометр (2) предназначен для непрерывной регистрации триботехнических параметров: суммарного линейного износа образцов, момента трения, температуры в зоне фрикционного контакта и среды.

БЛОК ВИЗУАЛЬНОГО НАБЛЮДЕНИЯ И РЕГИСТРАЦИИ. Данный -блок состоит из бинокулярного микроскопа (3) типа МБС, стробоскопа (4) СТ-5, кинокамеры (5), видиомегнитофона (6), телевизионного приемника (7) с блоком «Ра1-8есаш». Лампа стробоскопа вставляется в один из окуляров микроскопа МБС, второй окуляр микроскопа используется либо для визуального наблюдения, либо для наблюдения и записи с помощью кинокамеры. Сигнал с кинокамеры подается через видеомагнитофон на телевизионный приемник. При необходимости производится запись на видеомагнитофон с последующим воспроизведением на телевизионном приемнике.

БЛОК ГАЗОАНАЛИТИЧЕСКОЙ АППАРАТУРЫ. В состав данного блока входят следующие приборы и оборудование. Твердоэлектролитная ячейка (8) - элемент чувствительный 5к7.039.014 ЭТ (Ангарский филиал ОКБ А); нагреватель (9); хроматографическая колонка (10), изготовленная из нержавеющей стали (трубка с внутренним диаметром 4 мм, наружным диаметром 6 мм и длиной 1,0 -1,5 м, заполненная цеолитом А (просеян с помощью сит 0,5 мм ). Перед сборкой колонка подключается к баллону с инертным газом и при постоянной подаче инертного газа при давлении Р = 2 кг/см2 отжигается в течение 12 ч при температуре 200°С. В состав блока также входят баллон (11) с инертным газом и редуктор (12): 250-14 кг/см2 (в качестве газа носителя может быть использован аргон чистый ГОСТ 10157-73 или гелий высокой чистоты МРТУ-77-66); расходомер инертного газа (13), который устанавливается после твердоэлектролитной ячейки и предназначается для поддержания давления в системе 2 кг/см2 ; трех камер отбора и ввода проб (14), выполненных с возможностью ручного и механического отбора и ввода пробы; термокамеры (15), состоящей из кварцевой колбы, на которой навита вольфрамовая спираль, позволяющая создавать в зоне расположения образца температуру до 1200°С; ЛАТР'а (16) с диапазоном 0 - 250 В для регулирования подаваемого напряжения на спираль термокамеры. Электрическая часть блока (принципиальная схема показана на рис. 2.2) включает самопишущий потенциометр КСП-4 (ГОСТ 716478), два магазина сопротивлений для установки нуля и регулировки чувствительности (диапазон 0-10000 Ом), два источника постоянного тока напряжением 5 В, два сопротивления Я, =330 Ом и И2=1,5 кОм. Барботер (17) предназначен для отдувки и последующего анализа газов, растворенных в жидких рабочих средах.

Соединения элементов газоаналитической аппаратуры выполнены трубками из нержавеющей стали с внутренним диаметром 1,5-2 мм, наружным диаметром 3 мм и обеспечивают герметичность. Рабочее давление инертного газа в системе составляет до 5 кг/см2. Блок управления, обработки и хранения экспериментальных результатов (19) состоит из персонального компьютера с периферией и аналого-цифрового преобразователя (36канального). Компоновка триботехнического измерительного комплекса показана на рис. 2.3. 2

Рис.2.2. Принципиальная схема электрической части блока газоаналитической аппаратуры. 1 - твердоэлектролитная ячейка, 2 - нагреватель, 3,4- магазины сопротивлений, 5 - самопишущий потенциометр

Рис. 2.3. Компоновка блоков триботехнического измерительного комплекса для исследования триботехнического наводороживания материалов. 1 - машина трения, 2 - бинокулярный микроскоп, 3 - кинокамера, 4 - стробоскоп, 5 - видеомагнитофон, 6 - телевизионный приемник, 7, 8 - самопишущий потенциометр, 9 - газоанализатор, 10 - ЭВМ, 11 - цифропечатающее устройство, 12 - термокамера, 13 - барботер, 14 - баллон с инертным газом, 15 - блок питания

2.2. РАЗРАБОТКА ОПТОЭЛЕКТРОННЫХ ДАТЧИКОВ ПЕРЕМЕЩЕНИЙ

Датчики измерения износа и момента трения были созданы на базе оп-тоэлектронной техники. Датчики перемещений разрабатывали на основе миниатюрных оптоэлектронных транзисторных приборов АОТ 137А1, АОТ

137Б1 с открытым оптическим каналом отражательного типа, работающих в ближнем инфракрасном (ИК) диапазоне спектра, выполняющих функции интегрированных оптоэлектронных преобразователей.

Оптроны АОТ 137 отличаются малым уровнем потребляемой мощности, высокими чувствительностью и разрешающей способностью, хорошим быстродействием, низким уровнем выходного остаточного напряжения. Области применения таких оптронов включают робототехнические системы (датчики внутренней локации роботов и манипуляторов), вычислительную технику (клавишные устройства ввода, оптические устройства считывания штриховых знаков и меток, электронные кассовые аппараты), системы контроля и управления технологическими процессами (датчики уровня жидкости, вибрации, качества поверхности, оптоэлектронные тахометры), оборудование для сборки полупроводниковых приборов (датчики положения и концевые выключатели) и бытовую электронику (датчики конца ленты, датчики контроля функционирования подвижных узлов микро- и мини-аппаратуры магнитной записи) [2.8-2.10].

2.2.1. КОНСТРУКТИВНО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ

ОПТОЭЛЕКТРОННЫХ ТРАНЗИСТОРОВ

Оптрон АОТ 137 состоит из излучающего (ИЭ) и фотоприемного (ФЭ) элементов, конструктивно размещенных в специальном малогабаритном рамочном корпусе с двумя расположенными в одной плоскости оптическими окнами. Оптическая связь между ИЭ и ФЭ возникает при отражении части излучаемого потока от внешних объектов в зоне видимости оптрона. Высокая чувствительность отражательного оптрона (несмотря на значительные потери двойного преобразования в оптическом канале связи) обеспечивается использованием фотоприемного элемента с внутренним усилением - высокочувствительного микромощного n+-p-n-n+ фототранзистора, а также высокой степенью спектрального согласования структур GaAlAs излучающего элемента и Si планарного фотоприемного элемента.

В качестве исходного материала излучающего элемента использовали трехслойные гетероструктуры на основе твердых растворов СаА1 - ваАв на подложке ваАв. Основные параметры кристалла ИК излучающего диода следующие: мощность излучения при прямом токе 10 мА составляет не менее 200 мкВт; длина волны в максимуме излучения: 0,62-0,89 мкм; прямое напряжение при прямом токе 10 мА: не более 1,8 В; площадь излучающего р-п перехода: 0,16 мм2.

В качестве исходного материала фотоприемного элемента использовали кремниевые эпитаксиальные структуры п - п+ типа с удельным сопротивлением п+- области 0,01 Ом-см. Толщина эпитаксиального п-слоя была выбрана с учетом обеспечения эффективного поглощения излучения используемого ИК-излучающего диода в объеме структуры. Удельное сопротивление эпитаксиального слоя составляло 6-8 Ом-см. Базовая область создавалась диффузией бора на глубину 5-6 мкм с концентрацией около 4-1018см"3, область эмиттера - диффузией фосфора на глубину 3-5 мкм с концентрацией Ю20 - 1021 см"3. Глубина залегания фоточувствительного коллекторного перехода выбрана с учетом обеспечения сдвига относительной спектральной характеристики фототранзистора в ближнюю ИК область спектра для уменьшения влияния фоновой засветки в видимом диапазоне спектра на выходной сигнал оптрона. Основные параметры кристалла фототранзисторного элемента следующие: ток утечки при икэ = 5 В: не более 0,1 мкА; напряжение пробоя между эмиттером и коллектором: 35 В; коэффициент усиления фототока в схеме с общим эмиттером при токе коллектора 100 мкА: не менее 100; длина волны в максимуме чувствительности: 0,78 мкм; площадь фоточувствительной площадки: 0,25 мм2; размеры кристалла: 0,7x0,7 мм2.

В составе оптрона фототранзистор используется в двухполюсном (коллектор - эмиттер) включении; контактная площадка к области базы предназначена для технологической отбраковки структур ФЭ (в частности, по величине коэффициента усиления фототока) на общей пластинке. Особенностью кристалла является симметричное расположение контакта эмиттера относительно центра кристалла, что исключает необходимость ориентации кристаллов в корпусе.

К конструкции оптрона предъявляются такие требования, как обеспечение точного взаимного расположения излучающего и фотоприемного элементов; уменьшение "паразитной" засветки ФЭ (внешней засветки фоновым излучением окружающей среды и внутренней засветки излучением ИЗ при прямой оптической связи); обеспечение дистанционной ориентации оптрона и внешнего объекта. Эти требования обеспечиваются благодаря использованию малогабаритного 3x3x1,7 мм3 корпуса специальной формы, выполненного из полимерного материала с высоким поглощением в рабочем диапазоне длин волн излучения. Кристаллы ИЭ и ФЭ размещены в колодцах корпуса, залитых прозрачным эпоксидным компаундом.

Основные параметры оптрона АОТ 137 следующие: выходной ток при прямом токе 4 мА: не менее 8 мкА; при прямом токе 10 мА: не менее 20 мкА (для А1) и 100 мкА (для Б1); выходное остаточное напряжение: не более 0,4 В; расстояние между оптическими осями ИЭ и ФЭ: 2 мм.

2.2.2. КОНСТРУКТИВНЫЕ ОСОБЕННОСТИ ДАТЧИКОВ

И ИХ ХАРАКТЕРИСТИКИ

Схема датчика перемещений с использованием отражательного оптрона типа АОТ 137 представлена на рис. 2.4. Датчик имеет корпус (3), в который вмонтирован оптрон АОТ 137 (поз. 1). Корпус жестко соединен с герметичной камерой (5). В корпусе размещен стол (2) с плоским отражателем, перемещение которого осуществляется штоком (4). Опускание штока происходит в результате уменьшения суммарного размера испытываемых образцов (7) и (8), находящихся под нагрузкой. Нагружение образцов производится через рычаг (6). Питание Е, оптрона производится от стабилизированного источника питания. Включение и выключение источника питания Е1 производится выключателем Вк,. Резисторами И, и можно изменять выходной сигнал, который фиксируется вольтметром, записывается на самопишущий прибор или заносится в банк данных на ЭВМ.

Рис. 2.4. Схема оптоэлектронного датчика перемещений

Датчик работает следующим образом. В результате износа образцов происходит опускание штока (4) и изменение расстояния АЬ между столом с плоским отражателем (2) и оптроном (1). Это приводит к изменению светового потока на фотоприемник АФ, что в свою очередь вызывает изменение фототока Д1Ф.

Для проведения анализа зависимостей фототока от расстояния до отражающего объекта и разработки аналитических зависимостей был проведен * оптический эксперимент, схема которого представлена на рис. 2.5. Точечный источник (1) с заданной диаграммой направленности интенсивности излучения ] = Хе) находится на расстоянии Н от фотоприемника (2) с площадью приемной поверхности в, линейные размеры которой значительно меньше Н, и на расстоянии с1 от отражающей поверхности (3). Мощность излучения \у, приходящаяся на фотоприемник площадью в, зависит от расстояния с! следующим образом: =

2Л) и'+н'Г

Таким образом, из последней зависимости вытекает необходимость знания диаграммы направленности интенсивности излучения ](в). Экспериментальные данные, полученные с использованием серийно выполненных образцов оптронов АОТ 137 показали, что для них справедлив закон Ламберта: = ]оСо80, (2.2) где ¿о - интенсивность излучения в направлении перпендикулярном плоскости излучателя; в - угол между нормалью и направлением на приемную площадку.

Рис. 2.5. Оптическая схема оптоэлектронного датчика перемещений

В соответствии с этим зависимость мощности излучения от расстояния до отражающей поверхности имеет вид: гдосоэе у =

2.3)

Сопоставление экспериментальных данных с рассчитанными по приведенной формуле показало хорошее совпадение результатов. Однако было установлено, что оптроны даже из одной партии отличаются своими характеристиками. Поэтому возникла необходимость построения для каждого датчика своей экспериментальной паспортной зависимости.

Информационным сигналом отражательного оптрона является амплитуда выходного тока, которая в общем случае определяется размерами (в ,Н), координатами (с!,0), оптическими свойствами отражающей поверхности и током излучающего элемента (I, ).

Для получения индивидуальных характеристик оптронов были проведены исследования, результаты которых представлены показаны на рис. 2.6 - 2.15 (Приложение 2.2: таблицы п.2.1 — п.2.6). При проведении экспериментов в качестве отражателя использовали плоскую алюминиевую поверхность, выходное остаточное напряжение равнялось 0,4 В, входной ток -10 мА.

В соответствии с экспериментальными данными для всех оптронов имела место экстремальная зависимость выходного тока от величины продольного перемещения отражателя. Однако разброс в значениях тока для конкретных оптронов (следует из рис. 2.6) был достаточно велик. При использовании относительных значений тока наблюдали симбатное изменение рассматриваемых зависимостей и их группировку по отношению к средним значениям (рис. 2.7). Зависимости выходного тока оптронов от величины поперечного перемещения границы отражателя имели Б-образный вид и также существенно различались по уровню значений для конкретных оптронов (рис. 2.8). Разброс значений нивелировался при рассмотрении относительных значений выходного параметра (рис. 2.9). Характер зависимостей и интервал изменения выходного тока от температуры окружающей среды для анализируемой серии оптронов показан на рис. 2.10. Температурные зависимости тока относительно его значения при комнатной температуре приведены на рис. 2.11. Границы (линии 1 и 2) и средние значения (линия 3) тока утечки на выходе оптронов от температуры показан на рис. 2.12. При проведении температурных исследований выходное остаточное напряжение равнялось 0,4 В, входной ток - 10 мА, величина продольного перемещения отражателя -1 мм. Экспериментальные данные по влиянию материала отражателя на показатели работы оптронов приведены в таблице 2.1. При проведении экспериментов выходное остаточное напряжение равнялось 0,4 В, входной ток -10 мА. Как и для приведенных выше данных, в случае использования того или иного материала плоского отражателя при оценке значения реального выходного тока необходимо учитывать поправочные коэффициенты, указанные в таблице 2.1.

1,нкЛ

500

200

100 А

I \ \ \ 1 \\

•> з г

-----Н

Рис. 2.6. Зависимости выходного тока оптронов от величины продольного перемещения отражателя

1/1 1.0

0,8

0.6

Ч» м л\У\ % \ \

V- \ х- \ • \ \ х- ^ \ N. N

113* (1,И N

Рис. 2.7. Продольные координатные характеристики оптронов

1,икЛ

150 ** • / /

100/ / / • / / / /

А / / / /

-ОЛ "ОД о о, г о,<< и,»ц

Рис. 2.8. Зависимости выходного тока оптронов от величины поперечного перемещения границы отражателя

I/ 1,0

0,6 у Л

0Л

•о,ч -ол о о,г ол л1,нн

Рис. 2.9. Зависимости выходного тока оптронов от величины поперечного перемещения границы отражателя

1т/1* о 50 ео яо т.*с

Рис. 2.10. Зависимости выходного тока оптронов от температуры окружающей среды

1,икл о 30 «о 90 Т/С

Рис. 2.11. Температурные зависимости относительного выходного тока оптронов

Сд1,мкЛ

Рис. 2.12. Температурные зависимости тока утечки на выходе оптронов

Т.нкс

Рис. 2.13. Зависимости времени спада выходного сигнала оптронов от сопротивления резистора нагрузки ег

С, мкс

Рис. 2.14. Зависимости времени нарастания выходного сигнала оптронов от сопротивления резистора нагрузки