Одной из главных задач современной науки является повышение надёжности машин и технологического оборудования путём увеличения ресурса быстроизнашивающихся деталей на основе результатов триботехнических исследований. Это относится прежде всего к оборудованию подверженному наиболее интенсивным видам изнашивания: абразивному, коррозинно-механическому, тепловому и другим.
В результате теоретических исследований, обобщения опыта эксплуатации оборудования и специально выполненных промышленных и лабораторных исследований обнаружен ряд неизвестных ранее фактов, характерных для изнашивания деталей машин в условиях высоких нагрузок и отсутствия смазки.
1. Исследования абразивного изнашивания позволили установить неизвестное ранее явление стабилизации износа металлов при взаимодействии с абразивными материалами. Суть этого явления состоит в том, что в паре трения, например, металл - горная порода, работающих при нагрузках, вызывающих разрушение находящихся в контакте выступов кусков горной породы или частиц абразива, износ стабилизируется и остаётся постоянным при дальнейшем увеличении нагрузки [1].
С учётом установленного явления упростились разработки расчётов ресурса быстроизнашивающихся деталей и прогнозирование геометрических параметров изношенных деталей. Это способствует выбору рациональной конструкции деталей, увеличению их ресурса и совершенствованию технического обслуживания и ремонта машин.
2. По результатам обобщения опыта эксплуатации оборудования и специально выполненных экспериментов обнаружен ряд неизвестных ранее фактов, характерных для изнашивания рабочих органов машин в условиях агрессивных сред:
- интенсивное изнашивание поверхности металлических деталей в агрессивных средах является не только результатом образования окислов и гидратов окислов, но и образования солей, как правило имеющих более высокие твердость и хрупкость, и менее прочную связь с основным металлом;
- скорость протекания процесса коррозионно-механического изнашивания определяется температурой в зоне фрикционного контакта;
- характер протекания процесса коррозионно-механического изнашивания обусловлен переходом химических элементов (S, F) из твердой или жидкой фазы в газовую под действием высокой температуры, возникающей в зоне фрикционного контакта;
- в условиях активизации агрессивной среды под действием температуры в зоне фрикционного контакта коррозионная стойкость сталей, легированных хромом и никелем, незначительно отличается от конструкционных сталей общего назначения.
Установлена неизвестная ранее закономерность изменения интенсивности коррозионно-механического изнашивания металлов пар трения в агрессивных средах от температуры в зоне фрикционного контакта, заключающаяся в том, что скорость коррозионно-механического изнашивания определяется температурой, возникающей в зоне фрикционного контакта металлов, под действием которой происходят фазовый переход в парообразное состояние и активизация агрессивных сред, а также интенсификация электромеханических процессов в результате образования солей сильных кислот (например FeS2, FeF, FeCI), характеризующихся меньшей прочностью адгезии по сравнению с прочностью основного металла [2].
Исследования позволили сформулировать требования к служебным характеристикам металлов, работающим в агрессивных средах и обосновать инженерию поверхностей быстроизнашивающихся деталей.
3. Особенностью изнашивания деталей, работающих в тяжёлых скоростных, а следовательно, температурных режимах является зависимость механизма изнашивания (формирования частиц износа) и интенсивности изнашивания от температуры в зоне фрикционного контакта. Установлено, что наиболее интенсивное изнашивание связано не с микрорезанием, как это считалось ранее, а с массопереносом материала изнашиваемого образца из железоуглеродистых сплавов на контртело.
Закономерность изменения механизма и интенсивности изнашивания элементов пар трения, например, железоуглеродистых сплавов и абразивного, металлического или пластмассового контртела от скорости взаимодействия, заключается в том, что механизм изнашивания и интенсивность его определяются величиной поверхностной энергии изнашивающегося тела, а последняя связана с величиной модуля упругости и зависит от температур в зоне фрикционного контакта; при этом наиболее интенсивное изнашивание происходит в результате переноса металла на контртело, протекающее в следующих формах: глубинное вырывание (схватывание первого рода) элементов в твёрдом состоянии (Е~105 МПа); намазывание металла в пластичном (Е~104 МПа )и в жидком состояних (Е~103 МПа) [3,4].
Значение этих исследований для науки определяется тем, что установленная закономерность составляет одно из основополагающих положений кинетики процесса теплообмена пар трения при изнашивании и существенно дополняет объём знаний о химических, структурных и фазовых превращениях, протекающих под действием температур в зоне фрикционного контакта.
Установление этой закономерности предопределяет возможность существенного увеличения ресурса деталей, лимитирующих надёжность машин и оборудования, за счёт реализации следующих мероприятий:
- выбор режимов взаимодействия элементов пар трения, обеспечивающих в зависимости от их назначения разный уровень интенсивности изнашивания;
- подбор материалов для инструмента, сохраняющих износостойкость в условиях высоких температур;
- конструирование быстроизнашивающихся деталей с учётом кинетики процесса теплообмена при трении.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ:
- Зимин А.И., Смирнов Б.Н. Явление стабилизации износа металлов при взаимодействии с абразивными материалами / Диплом №174 // Научные открытия (Сб. кратких описаний научных открытий, научных идей, научных гипотез - 2001 г.) М.: РАЕН, МААНОИ, МААНО, 2002, с. 33-35.
- Зимин А.И., Минухин Л.А. Закономерность изменения интенсивности коррозионно-механического изнашивания металлов пар трения в агрессивных средах от температуры в зоне фрикционного контакта / Диплом №250 // Научные открытия (Сб. кратких описаний научных открытий, научных идей, научных гипотез - 2004 г.) М.: РАЕН, МААНОИ, МААНО, 2004, с. 15-18.
- Зимин А.И. Повышение надёжности строительных машин с учётом кинетики процесса теплообмена пар трения / Вестник отделения строительных наук, РААСН вып. 11. Курск, 2007, с. 397-404.
- Зимин А.И. Кинетика процесса теплообмена при изнашивании металлов / Термодинамика и материаловедение. Тезисы докладов Шестого Семинара СО РАН - УрО РАН. Екатеринбург: УрО РАН, 2006, с. 67.