Повышение долговечности подшипников качения ступиц колёс автотракторной техники путём модификации смазочной среды

Размещено на http://www.allbest.ru/

На правах рукописи

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

повышение долговечности подшипников качения ступиц колёс автотракторной техники путём модификации смазочной среды

Специальность 05.20.03 - Технологии и средства технического обслуживания в сельском хозяйстве

Азаров Александр Сергеевич

Саратов 2008

Работа выполнена в Федеральном государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Саратовский государственный аграрный университет им. Н.И. Вавилова».

Научный руководитель - доктор технических наук, профессор

Сафонов Валентин Владимирович

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Цыпцын Валерий Иванович

доктор технических наук, доцент

Истомин Сергей Викторович

Ведущая организация: ФГОУ ВПО «Саратовский государственный

технический университет»

Защита диссертации состоится 26 сентября 2008 г. в 12 часов на заседании диссертационного совета Д 220.061.03 при ФГОУ ВПО «Саратовский государственный аграрный университет им. Н.И. Вавилова» по адресу: г. Саратов, ул. Советская, 60, ауд. 325.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГОУ ВПО «Саратовский ГАУ им. Н.И. Вавилова».

Отзывы на автореферат направлять по адресу: 410012, г. Саратов, Театральная пл. 1, учёному секретарю диссертационного совета.

Автореферат диссертации разослан 25 августа 2008 г. и размещён на сайте: www.sgau.ru.

Ученый секретарь

диссертационного совета Н.П. Волосевич

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Основой механизации агропромышленного комплекса является энергонасыщенная высокопроизводительная автотракторная техника. Эксплуатация машин в сельском хозяйстве характеризуется сезонной нагрузкой, что требует обеспечения высокой надежности всех агрегатов и систем. В наиболее напряжённые периоды сельскохозяйственных работ в агропромышленном комплексе занято до 35 % всего подвижного состава автомобильного транспорта, 60-80 % из них составляют автомобили КамАЗ. Современные грузовые автомобили обладают высокой мощностью, грузоподъёмностью и, следовательно, повышенной нагруженностью деталей. Надёжность автомобильного транспорта в значительной степени зависит от работоспособности ходовой части. Анализ показателей надёжности автомобилей КамАЗ показал, что на ходовую часть приходится 16-22 % отказов от их общего числа. Одна из основных причин низкой надёжности ходовой части автомобилей - низкий ресурс подшипников качения ступиц колёс.

Подшипники качения являются невосстанавливаемыми элементами. Высокая стоимость наряду с низким ресурсом обусловливает необходимость разработки метода повышения их ресурса, который позволит значительно снизить эксплуатационные затраты и стоимость сельскохозяйственной продукции.

Обзор методов повышения ресурса подшипников качения дал возможность выделить наиболее простой и экономически выгодный - модификацию применяемых смазочных материалов специальными добавками. Механизм действия таких добавок заключается в создании защитных плёнок на трущихся поверхностях, которые препятствуют их непосредственному контакту, снижая трение и износ. Анализ литературных источников и патентный поиск позволили установить сравнительно новое и перспективное направление - использование в качестве добавок в смазочные среды наноразмерных порошков (НРП) металлов и их соединений. Благодаря современным технологиям можно получать порошки с размерами частиц 10…30 нм. Известно, что с уменьшением размеров частиц металлов снижается их температура плавления, повышаются химическая активность и поверхностная энергия. С изменением размеров связан и ряд термодинамических свойств частиц: концентрация вакансий в частицах, температура полиморфных превращений, параметры кристаллической решётки, сжимаемость и растворяемость.

Однако многие вопросы разработки и эффективного применения НРП в качестве добавок в смазочные среды для повышения ресурса подшипников качения в настоящий момент требуют дополнительного изучения.

Таким образом, исследования трибологических свойств смазочных материалов, улучшенных за счёт использования в качестве добавок НРП металлов и их соединений, а также влияния этих смазочных материалов на ресурс подшипников качения ступиц колёс автотракторной техники представляют теоретический и практический интерес, поэтому настоящая работа является весьма актуальной.

Цель работы - повышение ресурса подшипников качения ступиц колёс автотракторной техники на этапе эксплуатации путём модификации смазочной среды наноразмерными порошками металлов и их соединений.

Объект исследования - процессы формирования плёнок с улучшенными трибологическими свойствами на рабочих поверхностях деталей пар трения качения.

Предмет исследования - подшипники качения ступиц колёс, пластичная смазка Литол-24 (ГОСТ 21150-87), смазочные композиции, приготовленные с использованием НРП металлов и их соединений.

Методика исследований включала лабораторные, стендовые и эксплуатационные испытания исследуемых смазочных материалов.

Лабораторным испытаниям подвергали товарный смазочный материал и экспериментальные смазочные композиции, приготовленные с использованием НРП металлов и их соединений. В ходе лабораторных испытаний исследовали антифрикционные, противоизносные и противопиттинговые свойства смазочных материалов.

Стендовые и эксплутационные испытания проводили с целью определения влияния разработанной смазочной композиции на ресурс соответственно роликовых радиально-упорных подшипников качения и подшипников ступиц колёс автотракторной техники.

Результаты испытаний обрабатывали методами математической статистики с использованием типовых программ на персональной ЭВМ.

Научная новизна. Разработана эксплуатационная смазочная композиция с добавлением НРП металлов. Экспериментально-статистическим методом выполнена количественная и качественная оптимизация её состава. Определены трибологические характеристики полученной смазочной композиции и изучены механические и физико-химические свойства поверхностей качения, сформированных с её использованием.

На основе кинетической концепции прочности материалов теоретически обоснована и практически подтверждена возможность повышения ресурса подшипников качения за счет участия НРП металлов и их соединений в процессах формирования защитных плёнок на поверхностях качения.

Практическая ценность. Разработан новый состав эксплуатационной смазочной композиции с использованием НРП металлов, применение которой позволяет повысить ресурс подшипников качения и долговечность автомобилей КамАЗ в процессе эксплуатации.

Достоверность результатов работы подтверждается сходимостью теоретических предпосылок с результатами лабораторных исследований, выполненных с применением высокоточных средств измерения и контроля, апробацией разработки в эксплуатационных условиях.

Реализация результатов исследований. Результаты проведенных исследований могут быть использованы на ремонтно-технических предприятиях, машинно-тракторных станциях, в акционерных обществах и фермерских хозяйствах, на автотранспортных предприятиях Министерства сельского хозяйства Российской Федерации и других предприятиях, эксплуатирующих автотракторную технику, а также в учебном процессе вузов агротехнического образования при изучении дисциплин трибологической направленности.

Апробация работы. Основные положения и результаты работы были доложены, обсуждены и одобрены на научных конференциях профессорско-преподавательского состава, научных работников и аспирантов СГАУ в 2004-2007 гг.; ежегодном Межгосударственном постоянно действующем научно-техническом семинаре «Проблемы экономичности и эксплуатации двигателей внутреннего сгорания» (Саратов, 2005-2007 гг.); конференциях, посвящённых 117, 118 и 119-летию со дня рождения академика Николая Ивановича Вавилова, а также Международной научно-практической конференции, посвящённой 120-летию со дня рождения Николая Ивановича Вавилова (Саратов, 2004-2007); Международной конференции, посвящённой 70-летию профессора Александра Григорьевича Рыбалко (Саратов, 2006 г.); Международной научно-практической конференции «Сохранение окружающей среды - важнейшая проблема современности» (Уральск, 2005 г.); Международной научно-практической школе-конференции - Славянтрибо-7 «Теоретические и прикладные новшества и инновации обеспечения качества и конкурентоспособности инфраструктуры сквозной логистической поддержки трибообъектов и их производства» (Рыбинск, 2006 г.); третьей Всероссийской конференции (с международным участием) «Химия поверхности и нанотехнологии» (Санкт-Петербург - Хилово, 2006 г.); первой Всероссийской научно-практической конференции «Новые направления в триботехнике и их использование в повышении износостойкости механизмов и машин» (Москва, 2007 г.); XLVII Международной научно-технической конференции «Достижения науки - агропромышленному производству», посвященной 100-летию со дня рождения профессора И.Е. Ульмана (Челябинск, 2008 г.).

Публикации. По результатам выполненных теоретических и экспериментальных исследований опубликована 21 печатная работа, из которых 3 - в периодических научных и научно-технических изданиях, рекомендованных ВАК. Общий объем публикаций составил 13,67 печ. л., в том числе 4,4 печ. л. принадлежит лично соискателю.

Структура и объем диссертации. Диссертация изложена на 202 страницах машинописного текста, состоит из введения, пяти глав, общих выводов, содержит 35 рисунков, 12 таблиц и 4 приложения. Список использованной литературы включает в себя 197 наименований, в том числе 17 на иностранном языке.

Научные положения и результаты исследований, выносимые на защиту:

- теоретическое обоснование возможности повышения ресурса подшипников качения за счет снижения скорости изнашивания деталей подшипников при использовании смазочной композиции, модифицированной НРП металлов и их соединений;

- математическая модель процесса изнашивания поверхностей качения, сформированных с участием применяемых модификаторов;

- результаты сравнительных трибологических испытаний исследуемых смазочных материалов;

- результаты исследований влияния наноразмерных компонентов разработанной смазочной композиции на физико-механические свойства и химический состав материала поверхностей качения;

- результаты стендовых и эксплуатационных испытаний модифицированной смазочной композиции, а также оценки экономической эффективности её использования в условиях эксплуатации автотракторной техники.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во "Введении" обоснована актуальность темы и изложены основные научные положения, выносимые на защиту.

В первой главе "Состояние вопроса и задачи исследований" проведён анализ конструкторских, технологических и эксплуатационных способов повышения долговечности подшипников качения. В решении проблемы улучшения эксплуатационных показателей и повышения долговечности трущихся деталей значительный вклад внесли такие видные ученые, как М.В. Авдеев, Ф.Н. Авдонькин, Ю.Н. Ачкасов, В.Н. Бугаев, Ф.Х. Бурумкулов, Д.Г. Вадивасов, Е.Л. Воловик, И.Е. Дюмин, В.И. Казарцев, В.Н. Кряжков, В.В. Курчаткин, И.С. Левитский, В.М. Михлин, С.С. Некрасов, Ю.Н. Петров, М.Я. Рассказов, В.В. Сафонов, А.Э. Северный, А.И. Селиванов, В.В. Стрельцов, В.П. Суслов, Н.Ф. Тельнов, И.Е. Ульман, В.И. Цыпцын, В.И. Черноиванов, В.А. Шадричев, Г.П. Шаронов и многие другие.

Анализ проведённых ранее исследований дал возможность установить сравнительно новое и перспективное направление - использование для повышения долговечности трибосопряжений специальных добавок в смазочные среды, включающих в свой состав НРП металлов и их соединений. Наночастицы металлов благодаря своим малым размерам обладают пониженной температурой плавления, повышенными химической активностью и поверхностной энергией. При попадании частиц в зону фрикционного контакта за счёт протекания трибохимических процессов происходит их активное взаимодействие с поверхностями трения. В результате этого формируется поверхностный слой с повышенными трибологическими характеристиками.

В раскрытии механизма действия добавок в смазочные материалы на износостойкость поверхностей трения деталей трибосопряжений большая роль принадлежит таким ученым, как А.Б. Виппер, Ю.С. Заславский, С.Э. Крейн, А.М. Кулиев, Б.Н. Лосиков, В.Н. Монастырский, К.К. Папок, Н.Г. Пучков, К.С. Рамайя, П.И. Санин, Е.Г. Семенидо, Ф.Г. Сулейманова, Н.В. Черножуков и др.

В зоне фактического контакта поверхностей трения в присутствии металлсодержащих смазочных материалов протекает целый ряд механических и физико-химических процессов. Кроме дисперсности применяемых порошков, существенное влияние на эти процессы оказывают материал используемых порошков, параметры поверхностей трения, скорость относительного перемещения деталей, величина контактных напряжений, температура в зоне контакта и т.д.

Таким образом, обосновать выбор состава порошкообразной добавки в смазочную среду с целью повышения ресурса подшипников качения ступиц колёс автотракторной техники в процессе эксплуатации можно лишь на основе глубокого изучения механизма действия металлсодержащих смазочных композиций и исследования основных факторов, влияющих на процесс формирования поверхностей качения деталей подшипников.

Учитывая ранее сказанное и в соответствии с поставленной целью работы, были обозначены следующие задачи:

1. На основании данных литературных источников и патентного поиска установить основные факторы, определяющие ресурс подшипников качения ступиц колёс автотракторной техники, и провести анализ способов повышения их долговечности.

2. Теоретически обосновать влияние модифицированной смазочной композиции на ресурс подшипников качения ступиц колёс автотракторной техники.

3. Обосновать и оптимизировать состав металлсодержащей смазочной композиции, провести её сравнительные лабораторные испытания.

4. Выполнить исследования физико-механических характеристик и химического состава материала поверхностей качения элементов трибосопряжений.

5. Провести стендовые и эксплуатационные испытания разработанной смазочной композиции, дать технико-экономическое обоснование эффективности её применения.

Во второй главе "Теоретические предпосылки повышения долговечности подшипников качения путём модификации смазочной среды" с использованием кинетической модели разрушения материала поверхностного слоя деталей при трении обоснована возможность повышения ресурса подшипников качения за счёт снижения скорости изнашивания их деталей в результате применения смазочной композиции, содержащей НРП металлов и их соединений.

Величина ресурса подшипников качения была рассчитана по формуле

, (1)

где L10a - расчётный ресурс (ресурс, соответствующий 90 %-й надёжности подшипника), скорректированный для особых свойств подшипника и особых эксплуатационных условий, млн об.; a1 - коэффициент, корректирующий ресурс в зависимости от надёжности; a23 - коэффициент, корректирующий ресурс в зависимости от особых условий работы подшипника; C - динамическая грузоподъёмность, Н; Pґ - эквивалентная динамическая нагрузка, действующая на наиболее нагруженное тело качения в подшипнике с учётом радиального зазора, Н.

Эквивалентную динамическую нагрузку Pґ определяли по формуле

, (2)

где Y и X - коэффициенты осевой и радиальной нагрузок; Fa и Fr - осевая и радиальная нагрузки, действующие на подшипник, Н; V - коэффициент вращения; q - коэффициент нагрузки; kd - коэффициент безопасности, определяемый динамичностью нагружения; kt - температурный коэффициент; Z - количество тел качения; ц - комплектовочный угол контакта, град.,

, (3)

h - радиальный зазор в подшипнике, мм; Lw - эффективная длина ролика, мм.

Величину радиального зазора рассчитывали с помощью выражения

, (4)

где хи - скорость изнашивания, мм3/млн об.; Nн - число циклов нагружения подшипника, млн об.; kнк, kвк, kтк - коэффициенты, корректирующие величину износа деталей подшипника с учётом его кинематики; Sнк, Sвк, Sтк - эффективные площади качения наружного и внутреннего колец, а также ролика подшипника, мм2; б, в - угол соответственно между образующей дорожки качения наружного и внутреннего кольца подшипника и его осью, град.

Анализ литературных источников показал, что установить взаимосвязь скорости изнашивания со свойствами материала поверхностей качения, сформированных с участием НРП металлов и их соединений, температурными и нагрузочно-скоростными условиями трения, а также влиянием смазочного материала на процессы изнашивания позволяет кинетическая модель изнашивания, предложенная Д.Г. Громаковским. Модель описывает процессы, происходящие в поверхностных слоях контактирующих деталей под действием трения:

, (5)

где ДAr - площадь единичного пятна контакта, мм2; nr - число пятен в контакте; h - глубина «опасного» повреждения материала, мм; д - параметр, учитывающий релаксацию (восстановление разрушенных связей); о - коэффициент, учитывающий исходную поврежденность материала; - число единичных связей, подлежащих разрушению; to - постоянная времени, близкая к периоду тепловых колебаний атомов твердого тела, мин; Uo - энергия активации пластической деформации, Дж/моль; ш - коэффициент поглощения; г - структурно-чувствительный коэффициент, Джмм2/(мольН); экв - действующие эквивалентные напряжения, МПа; R - молярная газовая постоянная, Дж/(моль·К); Т - температура, К; n - частота вращения подшипника, мин-1.

В отличие от известных моделей изнашивания кинетическая модель, по нашему мнению, наиболее применима для обоснования повышения износостойкости поверхностей трения качения, сформированных с участием смазочных композиций, содержащих НРП различных металлов и их соединений. Это обусловлено тем, что данная модель учитывает не только основной механизм разрушения, но и ряд наиболее существенных факторов, определяющих ход изнашивания. Величина U0 характеризует количество энергии, которое необходимо для отделения частицы износа от поверхности трения, сформированной в результате протекания трибохимических процессов с участием НРП металлов, содержащихся в смазочной среде. Коэффициент учитывает влияние НРП на величину энергии активации разрушения межатомных связей материала поверхностей качения, а также степень его упрочнения, которая зависит от характера распределения нагрузки в зоне контакта. Величина действующих контактных напряжений экв позволяет учесть характер распределения нагрузки в контакте поверхностей качения, сформированных с участием НРП, в результате изменения микрогеометрии поверхностей качения, зазоров в подшипнике и коэффициента трения.

Знание величины скорости изнашивания позволяет, используя формулы (1)-(5), рассчитать ресурс подшипника качения, работающего на смазочной композиции, модифицированной добавкой НРП металлов и их соединений.

В третьей главе "Программа и методика исследований" приведены общая программа и частные методики разработки экспериментальных смазочных композиций, методы лабораторных, стендовых и эксплуатационных испытаний, а также обработки экспериментальных данных.

Анализ существующих технологий получения НРП металлов позволил выделить метод плазменной переконденсации.

Для приготовления экспериментальных смазочных композиций использовали пластичную смазку Литол-24 (ГОСТ 21150-87) и НРП следующих металлов и сплавов: Ni, Fe, Zn, Cu - Sn, Al - Pb, Cu - Pb, Fe - Ni, Fe - Zn. Компоненты для приготовления экспериментальных смазочных композиций выбирали на основании данных литературных источников и проведенных ранее испытаний.

Сравнительные лабораторные испытания экспериментальных смазочных композиций и товарной пластичной смазки Литол-24 проводили на машине трения МИ-1М. Для моделирования процессов фрикционного взаимодействия поверхностей трения деталей подшипников качения использовали пару трения "ролик - ролик". Ролики изготавливали из стали ШХ-15 (ГОСТ 2590-88).

Лабораторные испытания проходили в три этапа. На первом этапе - предварительные испытания с целью выявления НРП с лучшими трибологическими свойствами. На втором этапе проводили полный факторный эксперимент и количественную оптимизацию полученного состава смазочной композиции. Третий этап - сравнительные трибологические испытания разработанной смазочной композиции и базовой пластичной смазки. При этом дополнительно оценивали влияние разработанной смазочной композиции на микрогеометрию поверхностей качения роликов, энергию активации разрушения межатомных связей и химический состав материала поверхностей качения.

Износ роликов определяли взвешиванием до и после испытаний на аналитических весах ДЛР-200М с точностью до 0,1 мг (ГОСТ 24104-80Е). Момент трения в модельном трибосопряжении регистрировался самопишущим устройством испытательной машины на диаграммной ленте. Значения шероховатости поверхностей качения роликов до и после испытаний устанавливали на профилографе-профилометре мод. 201 завода "Калибр" (ГОСТ 19300-86). Величину энергии активации разрушения межатомных связей материала поверхностей качения устанавливали способом склерометрии согласно методике, разработанной в Самарском техническом университете Д.Г. Громаковским. Для выявления влияния НРП металлов и их соединений на процессы формирования поверхностей качения с улучшенными трибологическими свойствами проводили исследования изменений, происходящих в качественном элементном составе материала поверхностей, на рентгеновском дифрактометре ДРОН-4,0 с Fe - kб-излучением.

Для определения влияния разработанной смазочной композиции на ресурс роликовых конических подшипников проводили стендовые испытания 40 радиально-упорных подшипников 7202 (ТУ 37.006.162-89), из которых 20 испытывали на товарной смазке, а остальные 20 - на разработанной смазочной композиции. Испытания проходили на испытательной машине ЦКБ-50 в соответствии с методикой периодических стендовых испытаний подшипников качения М ВНИПП.020-04.

В ходе испытаний контролировали температуру наружных колец подшипников и наличие следов усталостного выкрашивания на поверхностях качения деталей подшипников. Температуру контролировали с помощью термопары "хромель - копель" и трехпозиционного потенциометра типа КСП2-026 (ГОСТ 7164-98). Ресурс подшипников определяли по продолжительности их работы до повышения рабочей температуры более чем на 20 °С.

С целью изучения влияния разработанной смазочной композиции на ресурс подшипников качения ступиц колёс проводили сравнительные эксплуатационные испытания с 17 апреля 2005 г. по 24 мая 2008 г. в ЗАО «Саратовский автокомбинат № 2» согласно плану [NUT] (ГОСТ 27.410-87) с использованием автомобилей КамАЗ-5320.

В ходе испытаний с периодичностью 10 тыс. км контролировали визуально состояние поверхностей качения деталей подшипников. Наступление предельного состояния определяли по наличию следов усталостного выкрашивания на рабочих поверхностях тел качения.

Результаты экспериментальных исследований обрабатывали с помощью методов математической статистики и ЭВМ.

В четвертой главе "Результаты исследований" приведены результаты предварительных трибологических испытаний экспериментальных смазочных композиций, экспериментально-теоретическое обоснование оптимального состава модифицированной смазочной композиции, а также результаты сравнительных лабораторных, стендовых и эксплуатационных испытаний и их анализ.

Результаты предварительных лабораторных испытаний позволили установить, что наилучшими противоизносными и антифрикционными свойствами обладают смазочные композиции, приготовленные с использованием НРП Fe, Ni и Zn.

По результатам первого этапа испытаний составили наиболее эффективную смазочную композицию, содержащую НРП Fe, Ni и Zn. С целью количественной и качественной оптимизации полученного состава смазочной композиции проводили полный факторный эксперимент.

Для качественной оценки трибологических свойств смазочной композиции использовали следующие параметры оптимизации: момент трения, H•м; массовый износ, мг; количество циклов до появления следов усталостного выкрашивания на поверхностях качения при заданной величине нагрузки, млн об. Учитывая, что каждый из принятых частных параметров имеет свой физический смысл и разную размерность, их объединяли в одну обобщающую функцию D.

В ходе проведения эксперимента трибологические свойства находились в зависимости от нескольких варьируемых факторов: x1 - содержание НРП Ni в добавке, масс. %, x2 - концентрация НРП Zn в добавке, масс. %, x3 - концентрация добавки в смазочной композиции, масс. %.

В результате статистической обработки результатов эксперимента была получена математическая модель, характеризующая влияние концентрации компонентов смазочной композиции на её трибологические свойства:

D = 0,251 + 0,0111x1 + 0,0064x2 + 0,296x3 -

- 0,00035x1x2 + 0,000048x22 - 0,0836x32. (11)

Поверхность отклика, соответствующая уравнению (11) при фиксированном значении x2, представлена на рис. 1. В результате оптимизации полученной модели установили оптимальную концентрацию элементов, входящих в смазочную композицию. На разработанный состав смазочной композиции, названной Кластер-С, получен патент РФ № 2258080.

Рис. 1. График функции отклика: D - обобщающая функция; х1 - концентрация порошка Ni в добавке, масс. %; х3 - концентрация добавки в пластичной смазке, масс. %

Результаты сравнительных лабораторных испытаний показали, что использование смазочной композиции Кластер-С способствовало уменьшению среднего значения момента трения в модельном трибосопряжении в 1,15 раза (рис. 2), величины износа роликов - в 2,3 раза (рис. 3), снижению значения шероховатости - в 2,2 раза, повышению числа циклов и нагрузки усталостного выкрашивания поверхностей качения - соответственно в 1,86 и 1,55 раза по сравнению с результатами испытаний пластичной смазки Литол-24.

Рис. 2. Результаты контроля антифрикционных свойств испытуемых смазочных материалов: 1 - Литол-24; 2 - Кластер-С

Рис. 3. Износ роликов, работавших в среде смазочных материалов: 1 - Литол-24; 2 - Кластер-С

Лучшие трибологические свойства смазочной композиции Кластер-С по сравнению с пластичной смазкой Литол-24 можно объяснить следующим образом. Наноразмерные компоненты добавки обладают пониженной температурой плавления, повышенными химической активностью и поверхностной энергией. При попадании в зону фрикционного контакта в условиях протекания физико-химических процессов и фрикционного нагрева происходит их активное взаимодействие с материалом поверхностей качения. Температурное воздействие, а также высокие химическая активность и поверхностная энергия обусловливают формирование поверхностного слоя с участием компонентов добавки. Поверхностный слой, сформированный таким образом, способствует увеличению фактической площади контакта, а модификация материала поверхностного слоя компонентами добавки - уменьшению коэффициента трения, что приводит к снижению действующих контактных напряжений. В результате уменьшаются величина микропластических деформаций, интенсивность диффузии кислорода и как следствие - скорость усталостного изнашивания элементов трибосопряжения.

Результаты определения энергии активации разрушения межатомных связей показали, что в процессе трения для отделения частицы износа от поверхности качения роликов, работавших в среде смазочной композиции Кластер-С, необходимо преодолеть энергетический барьер на 12 % больший, чем от поверхности, формирование которой происходило в среде пластичной смазки Литол-24.

Сравнивая внешний вид образованных борозд (рис. 4) на поверхностях качения, можно отметить положительное влияние на них смазочной композиции Кластер-С. Как видно из рис. 4, б (см. границу основного металла и плёнки) края борозды имеют ровные очертания. Кроме того, на них отсутствуют крупные микротрещины и разрывы. Края борозды на рис. 4, а в основном имеют рваный характер, наблюдаются трещины. Это подтверждает тот факт, что поверхностный слой, сформированный с участием наноразмерных компонентов, способствует диссипации части передаваемой при трении энергии в объеме материала слоя, следовательно, накопление повреждений в основном материале и его деградация могут произойти значительно позднее, чем при использовании товарной смазки.



а б

Рис. 4. Внешний вид борозд при оценке энергии активации материала поверхностей качения роликов, работавших в среде смазочных материалов: а - Литол-24; б - Кластер-С

Результаты рентгенофазового анализа (рис. 5) подтвердили, что при протекании механических и физико-химических процессов, сопровождающих трение, благодаря высокой активности наночастиц металлов в зоне фрикционного контакта происходит формирование плёнки, содержащей исходные наноразмерные компоненты добавки, вследствие чего поверхности качения приобретают более высокие трибологические свойства.

Рис. 5. Рентгенограммы поверхностей качения роликов: 1 - до испытания; 2 - после работы в среде смазочной композиции Кластер-С

подшипник качение изнашивание деталь

В результате проведения стендовых испытаний установили, что ресурс подшипников, соответствующий 90 %-й надёжности, работавших на пластичной смазке Литол-24, составил 78 ч, а подшипников, смазку которых осуществляли разработанной смазочной композицией, - 186 ч, что в 2,4 раза больше. Использование смазочной композиции Кластер-С способствует снижению температурного режима работы подшипников на 18 %.

Анализ данных эксплуатационных испытаний показал, что гамма-процентный ресурс подшипников ступиц колёс автомобилей КамАЗ-5320, смазку которых осуществляли разработанной смазочной композицией, в 2,8 раза больше, чем подшипников, эксплуатировавшихся на пластичной смазке Литол-24.

В пятой главе "Расчет экономической эффективности применения разработанной смазочной композиции" на основе данных эксплуатационных испытаний выполнена оценка экономической эффективности смазочной композиции Кластер-С. Результаты расчётов показали, что использование разработанной смазочной композиции позволило получить годовой экономический эффект 13673 руб. на один автомобиль КамАЗ.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1. Анализ данных литературных источников показал, что на ходовую часть автомобилей КамАЗ приходится 16-22 % от общего числа отказов. Одним из наименее надежных элементов ходовой части автомобилей КамАЗ являются роликовые конические подшипники ступиц колёс. Перспективным направлением повышения ресурса подшипников качения является модификация смазочной среды НРП различных металлов и их соединений.

2. Возможность повышения ресурса подшипников качения за счёт использования композиции наночастиц металлов в качестве добавки в смазочную среду теоретически обоснована формулами (1)-(5).

3. Экспериментально-статистическим методом разработан и определен оптимальный состав смазочной композиции, содержащей НРП металлов. Сравнительные лабораторные испытания показали, что использование разработанной смазочной композиции по сравнению с пластичной смазкой Литол-24 способствовало уменьшению среднего значения момента трения в модельном трибосопряжении в 1,15 раза, величины износа роликов - в 2,3 раза, значения шероховатости - в 2,2 раза, повышению числа циклов и нагрузки усталостного выкрашивания поверхностей качения - соответственно в 1,86 и 1,55 раза.

4. Исследования поверхностного слоя элементов лабораторных пар трения позволили установить следующее:

- определение энергии активации разрушения межатомных связей выявило, что для отделения частицы износа от поверхности качения, работавшей в среде смазочной композиции Кластер-С, необходимо преодолеть энергетический барьер на 12 % больший, чем от поверхности, формирование которой происходило в среде пластичной смазки Литол-24;

- рентгенофазовым анализом поверхностей качения установили присутствие Fe, Ni и Zn в составе поверхностного слоя и тем самым доказали участие НРП металлов, используемых в качестве добавки, в процессах формирования поверхностной плёнки с улучшенными трибологическими свойствами.

5. Стендовые испытания показали, что использование смазочной композиции Кластер-С позволяет снизить рабочую температуру на 18 % и повысить ресурс подшипников качения в 2,4 раза. На основании данных эксплуатационных испытаний установлено, что гамма-процентный ресурс подшипников ступиц колёс автомобилей КамАЗ-5320, смазку которых осуществляли разработанной смазочной композицией, в 2,8 раза больше, чем подшипников, работавших на пластичной смазке Литол-24. Годовой экономический эффект, полученный в результате применения смазочной композиции Кластер-С, составил 13673 руб. на один автомобиль КамАЗ-5320.

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНЫ В СЛЕДУЮЩИХ РАБОТАХ

1. Азаров, А. С. Метод повышения долговечности пар трения качения за счёт модификации смазочной среды / А. С. Азаров // Ульяновские чтения - 2005 : матер. конф., посвящённой 100-летию со дня рождения Алексея Фёдоровича Ульянова, 18-19 мая 2005. Секция «Технический сервис и электрификация сельского хозяйства» / ФГОУ ВПО «Саратовский ГАУ». - Саратов, 2005. - Ч.1. - С. 58-61 (0,12 печ. л.).

2. Азаров, А. С. Повышение долговечности подшипников качения модифицированием пластичных смазок / А. С. Азаров, В. В. Сафонов // Сохранение окружающей среды - важнейшая проблема современности : матер. Междунар. науч.-практ. конф. / Ред.-изд. отдел Западно-Казахстанского аграрно-технического университета им. Жангир Хана. - Уральск, 2005. - С. 69-71 (0,18/0,09 печ. л.).

3. Азаров, А. С. Влияние наноматериалов на эффективность использования автотракторной техники / А. С. Азаров // Вавиловские чтения - 2005 : матер. конф., посвящённой 118-й годовщине со дня рождения академика Николая Ивановича Вавилова, 23-25 ноябр. 2005. Секция «Механизация и электрификация сельского хозяйства» / ФГОУ ВПО «Саратовский ГАУ». - Саратов, 2005. - С. 3-6 (0,14 печ. л.).

4. Азаров, А. С. Триботехнические исследования модифицированной смазочной композиции / А. С. Азаров, В. В. Сафонов // Повышение эффективности использования автотракторной и сельскохозяйственной техники : межвуз. сб. науч. тр. XVI региональной науч.-практ. конф. Поволжья и Предуралья / РИО ПГСХА. - Пенза, 2005. - С. 127-130 (0,16/0,08 печ. л.).

5. Азаров, А. С. Метод повышения долговечности подшипников качения ступиц колёс автомобилей КамАЗ / А. С. Азаров, В. В. Сафонов // Тр. Всерос. науч.-исслед. технологического института ремонта и эксплуатации машинно-тракторного парка / ГНУ ГОСНИТИ. - М., 2006. - С. 72-74 (0,18/0,09 печ. л.).

6. Азаров, А. С. Оценка эффективности наноразмерной добавки к пластичной смазке Литол-24 / А. С. Азаров, В. В. Сафонов // Вестник ФГОУ ВПО "Московский государственный агроинженерный университет имени В.П. Горячкина". Секция «Технический сервис в агропромышленном комплексе». - М., 2006. - Вып. 1(16). - С. 77-79 (0,21/0,105 печ. л.).

7. Азаров, А. С. Экспериментальная проверка металлсодержащих смазочных композиций / А. С. Азаров // Проблемы экономичности и эксплуатации двигателей внутреннего сгорания : матер. Межгос. науч.-техн. семинара / ФГОУ ВПО "Саратовский ГАУ". - Саратов, 2006. - Вып. 18. - С. 146-149 (0,14 печ. л.).

8. Азаров, А. С. Теоретическое обоснование повышения ресурса подшипников качения за счёт модификации пластичной смазки наноразмерными добавками / А. С. Азаров, В. В. Сафонов // Проблемы экономичности и эксплуатации двигателей внутреннего сгорания : матер. Межгос. науч.-техн. семинара / ФГОУ ВПО "Саратовский ГАУ". - Саратов, 2006. - Вып. 18. - С. 149-152 (0,11/0,055 печ. л.).

9. Азаров, А. С. Повышение долговечности трибообъектов применением наноструктурных материалов / А. С. Азаров, В. В. Сафонов, В. А. Александров // Теоретические и прикладные новшества и инновации обеспечения качества и конкурентоспособности инфраструктуры сквозной логистической поддержки трибообъектов и их производства : матер. Междунар. науч.-практ. школы-конференции Славянтрибо-7. В 3 т. Т.3 / под общей ред. В. Ф. Безъязычного, В. Ю. Замятина ; РГАТА. - Рыбинск, 2006. - С. 55-60 (0,31/0,06 печ. л.).

10. Азаров, А. С. Смазочные композиции с компонентами наноструктурных материалов / А. С. Азаров, В. В. Сафонов, С. В. Сафонова // Химия поверхности и нанотехнологии : матер. третьей Всерос. конф. (с международным участием) / ООО "ИК Синтез". - СПб. - Хилово, 2006. - С 279-280 (0,125/0,025 печ. л.).

11. Азаров, А. С. Экспресс-метод ремонта агрегатов машин с использованием наночастиц цветных металлов [монография] / А. С. Азаров, В. В. Сафонов, В. А. Александров ; ФГОУ ВПО «Саратовский ГАУ». - Саратов, 2006. - 113 с. : ил. - Библиогр. : 37 назв. - Рус. - Деп. в ВИНИТИ 15.11.06, № 1390-В2006 (7,06/1,76 печ. л.).

12. Азаров, А. С. Особенности использования наноразмерных частиц слоистых материалов в качестве антифрикционных компонентов смазочных композиций / А. С. Азаров, В. В. Сафонов, В. А. Александров ; ФГОУ ВПО «Саратовский ГАУ». - Саратов, 2006. - 20 с. : ил. - Рус. - Деп. в ВИНИТИ 15.11.06, № 1387-В2006 (1,25/0,31 печ. л.).

13. Азаров, А. С. Разработка и теоретическое обоснование состава смазочной композиции на основе наночастиц цветных металлов / А. С. Азаров, В. В. Сафонов, В. А. Александров ; ФГОУ ВПО «Саратовский ГАУ». - Саратов, 2006. - 14 с. : ил. - Рус. - Деп. в ВИНИТИ 15.11.06, № 1388-В2006 (0,88/0,22 печ. л.).

14. Азаров, А. С. Роль наноразмерных присадок к смазочным материалам в формировании поверхностей трения качения / А. С. Азаров, В. В. Сафонов // матер. Междунар. науч.-практ. конф., посвящённой 70-летию со дня рождения профессора Александра Григорьевича Рыбалко, 11-12 июля 2006. / ФГОУ ВПО "Саратовский ГАУ". - Саратов, 2006. - Ч.3. - С 8-11 (0,15/0,075 печ. л.).

15. Азаров, А. С. Математическая модель изнашивания поверхностей трения качения, модифицированных наноразмерными добавками смазочной среды / А. С. Азаров, В. В. Сафонов // Совершенствование технологий и организации обеспечения работоспособности машин : сб. науч. тр. / РИЦ СГТУ. - Саратов, 2006. - С. 144-150 (0,32/0,16 печ. л.).

16. Азаров, А. С. Повышение износостойкости поверхностей трения качения с использованием наноматериалов / А. С. Азаров // Вавиловские чтения - 2006 : матер. конф., посвящённой 119-й годовщине со дня рождения академика Николая Ивановича Вавилова, 4-8 дек. 2006. Секция «Механизация и электрификация сельского хозяйства» / ФГОУ ВПО «Саратовский ГАУ». - Саратов, 2006. - Ч.1. - С. 3-6 (0,14 печ. л.).

17. Азаров, А. С. Повышение ресурса подшипников качения ступиц колёс автотракторной техники за счёт модификации смазочной среды / А. С. Азаров, В. В. Сафонов // Вестник Саратовского госагроуниверситета им. Н.И. Вавилова. - 2007. - Вып. 5. - С. 60-64 (0,455/0,227 печ. л.).

18. Азаров, А. С. О влиянии наноматериалов на параметры трибосопряжений в режиме "качение с проскальзыванием" / А. С. Азаров // Проблемы экономичности и эксплуатации двигателей внутреннего сгорания : матер. Межгос. науч.-техн. семинара / ФГОУ ВПО "Саратовский ГАУ". - Саратов, 2007. - Вып. 19. - С 191-193 (0,09 печ. л.).

19. Азаров, А. С. Применение наноматериалов в качестве модификаторов пластичных смазок / А. С. Азаров, В. В. Сафонов // Вавиловские чтения - 2007 : матер. Междунар. науч.-практ. конф., посвящённой 120-летию со дня рождения Николая Ивановича Вавилова / ФГОУ ВПО «Саратовский ГАУ». - Саратов, 2007. - Т.3. - С. 205-207 (0,076/0,038 печ. л.).

20. Азаров, А. С. Наноматериалы в ресурсосберегающих технологиях обеспечения работоспособности агрегатов сельскохозяйственной техники / А. С. Азаров, В. В. Сафонов, В. А. Александров // Вестник Челябинского государственного агроинженерного университета. - 2008. - Т. 51. - С. 62-69 (0,36/0,09 печ. л.).

21. Азаров, А. С. Наноразмерные добавки к смазочным средам трибосопряжений в условиях их моделирования / А.С. Азаров, В. В. Сафонов, В.А. Александров // Ремонт, восстановление, модернизация. - 2008. - Вып. 2. - С. 8-11 (0,284/0,071 печ. л.).

Подписано в печать 22.08.2008.

Формат 60Ч84 1/16. Бумага офсетная. Гарнитура Times.

Печ. л. 1,0. Тираж 100. Заказ 536/2008

Типография ОООп «Орион»

410031 г. Саратов, ул. Московская 62

тел.: (8452) 23-60-18

Размещено на Allbest.ru

...