WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

загрузка...
   Добро пожаловать!

Pages:     | 1 || 3 | 4 |

В первой главе произведен литературный обзор, анализ и систематизация информации, отражающие современное состояние вопроса о характере отказов фрикционных узлов, триботехнических методах повышения эффективности эксплуатации БМ и физико – химических основах фрикционного взаимодействия твердых тел. В работах Гаркунова Д.Н., Прокопенко А.К., Посеренина С.П. и других авторов указывается, что проблему повышения ресурса работы узлов трения БМ за счет улучшения условий смазывания нельзя отделить от изучения совокупного влияния структурных факторов смазочного материала и материала поверхности трибосопряжения. Последнее, в связи интенсивным развитием нанотехнологий, требует создания принципиально нового подхода к рассмотрению процессов контактного взаимодействия твердых тел узлов трения БМ на микро- и наноуровнях. Рассматриваются основные типы и строение смазочных структур, формирующихся в результате отмеченного многообразия процессов трибохимических реакций, протекающих в трибосистеме БМ и определяющих одно из направлений эволюции данных систем. Отмечается важная роль диффузионных потоков, генерируемых трением, в явлении самоорганизации узлов трения, заключающейся в доминирующем влиянии указанных процессов на кинетику трибохимических реакций, а также на связь диффузионных процессов со структурой вещества трибосопряжения.

Показано, что в основе изучения трибохимических реакций образования смазочных структур лежат представления о плазмохимических явлениях, возникающих в условиях динамического фрикционного контакта, ключевым моментом которых является переход вещества поверхностного слоя материалов трибосопряжения, в результате структурно-термической активации, в особое сверхвозбужденное состояние – трибоплазму. Процессами химического взаимодействия компонентов в объеме трибоплазмы определяется скорость образования смазочных структур, их реакционный выход. Но, несмотря на отмечаемую многочисленными авторами важность исследования вопроса подобного структурного перехода в анализе всей трибохимии фрикционного контакта, рассмотрение публикаций свидетельствует о недостаточной изученности как механизма фазовых переходов, так и свойств рожденного трением уникального метастабильного образования – трибоплазмы. Более того, до настоящего времени не было ни одной работы, посвященной исследованию данной формы «существования» вещества материалов трибосопряжения. Трибоплазма представляется нам в виде некоего «черного ящика» с достаточно неопределенными свойствами, на которые «списываются» особенности трибохимии фрикционного контакта.

Обосновывается принципиальная возможность управления фрикционными характеристиками трибосопряжений БМ посредством воздействия на плазменные и постплазменные процессы со стороны электромагнитного поля. Последнее выступает как внешний катализатор процессов химического модифицирования тонких поверхностных слоев контактирующих тел за счет интенсификации трибосинтеза активных составляющих трибоплазмы, обуславливающего создание на дорожках трения БМ третьих тел, а также последующую оптимальную для обеспечения антифрикционности БМ их координацию на трущихся поверхностях. Данный факт предопределяет снижение сил трения и интенсивности изнашивания трибосопряжений машин бытового, а также другого назначения, в частности технологического оборудования, что, по совокупности, обуславливает повышение их энергетической, а, следовательно, и эксплуатационной эффективности.

Во второй главе на основе проведенного в первой главе анализа микромеханизмов трения и изнашивания материалов выбраны экспериментальные методы исследования физико-химических процессов, определяющих антифрикционные характеристики и износостойкость узлов трения БМ.

В виду особенностей рассматриваемых явлений, протекающих в тончайших поверхностных слоях тел трения БМ, но проявляющихся на макроуровне изменения их фрикционных параметров, контроль последних осуществлялся по двухуровневой схеме: 1) микроанализа, 2) методов трибометрии.

Так как абсолютные концентрации веществ поверхностных слоев малы для химического анализа, то при реализации первой группы методов в настоящей работе были использованы физические методы химического анализа: рентгеноспектральный флуоресцентный анализ (РСФА), рентгеноспектральный микроанализ (РСМА), рентгеновская фотоэмиссионная спектроскопия (РФЭС), Оже-электронная спектроскопия (ЭОС), ИК-спектроскопия и туннельная микроскопия. В работе отражены основные особенности применения каждого из перечисленных методов с указанием достоинств и недостатков, с приведением аналитических зависимостей, учитывающих специфику использования данных методов в трибометрии: гетерогенности образцов, использования монохроматического приближения – для РСФА; сканирование поверхности по углам падения для изменения толщины исследуемого слоя – при ЭОС.

Однако, в виду того, что объектом исследований выступает агломерат физико-химических процессов, связанных с трибоплазмой и постплазменными состояниями вещества поверхности трения, относящимся к сверхвозбужденным состояниям и являющимися вследствие этого метастабильными, короткоживущими с временами релаксации порядка десятка наносекунд, в исследовательский комплекс включен метод диагностики, чувствительный к физико-химическим превращениям при трении в условиях не прекращающегося фрикционного взаимодействия. Данным методом выступает электромагнитное санирование работающего трибосопряжения БМ, заключающееся в возбуждении в области фрикционного контакта, непосредственно в режиме эксплуатации узла трения, высокочастотных электромагнитных колебаний, анализ изменения частотного спектра которых, несет информацию о состоянии вещества поверхности трибосопряжения. Данный метод также позволяет определить степень и параметры влияния внешних силовых полей на физико-химические превращения, сопровождающие релаксацию трибоплазмы. Последнее необходимо для реализации второй группы методов комплексного изучения трибопроцессов в узлах трения БМ.

При раскрытии второй группы методов дано подробное описание устройства, характера работы трибометрической установки и всего используемого контрольно-измерительного комплекса, включающего методы тензометрии, термопар, измерения износа (весового и линейного), а также метод исследования топографии поверхности.

Совместное применение методов первой и второй групп обеспечило высокую достоверность полученных результатов.

В третьей главе приводится феноменологический подход к описанию особенностей строения и поведения вещества трибосопряжения, находящегося в состоянии трибоплазмы. В основе данного подхода положены представления об аномально усиливающихся процессах диффузионного массопереноса при трении, связанные с изменениями, охватывающими структуру поверхностных слоев трибосопряжений. При этом наблюдаются как превращения, сопровождающиеся усилением дефектности структуры, так и обратные процессы. Указывается, что на явление дефектации поверхности особый отпечаток накладывают тепловые процессы, в частности приводится, что коэффициент диффузии Д0, соответствующий трибоплазме, можно рассчитать при помощи соотношения:

Д0 = ; [Д0] =, (1)

где Rд – радиус Дебая, м;

h – постоянная Планка, Дж;

Q* = kT + Q – величина, характеризующая кинетическую энергию теплового движения частиц трибоплазмы, Дж;

k – постоянная Больцмана, Дж/К;

Т – температура трибоплазмы, К;

Q – теплота, выделяемая трением, Дж;

Wд – энергия активации диффузионных процессов, Дж.

Из приведенного соотношения следует, что термоактивирование поверхности многократно повышает энергию активации диффузионных процессов и ведет к аномальному усилению коэффициента диффузии. В ходе дальнейших расчетов было получено выражение, отражающее пропорциональность коэффициента диффузии корню квадратному температуры области фрикционного контакта, исходя из чего, нами была выдвинута гипотеза о том, что трибоплазма по своим свойствам близка к газам.

На основании выдвинутого предположения была предложена и обоснована модель существования трибоплазмы в виде слабозатухающей электромагнитной волны, наличие которой расширяет временной интервал поддержания вещества материала трибосопряжения в сверхвозбужденном, метастабильном состоянии. Для этого приближения были получены выражения плазменных частот и параметра, соответствующего по своим характеристикам КПД трибохимических реакций:

i = ; (2)

р =, (3)

где i – параметр, обозначенный нами как «степень ионизации вещества», схожий с КПД трибохимических реакций;

р - плазменная частота, с-1;

а3 – постоянная, определяемая как ;

mе – масса электрона, кг;

е – заряд электрона, Кл;

Дэ – экспериментально измеренный коэффициент диффузии, м2/с.

Численные оценки приведенных формул хорошо коррелируются с имеющимися в нашем распоряжении эмпирически полученными значениями указанных параметров.

Аппарат, предложенный для рассмотрения трибоплазмы, дополненный представлениями о волновой теории плазменных процессов и молекулярно-кинетической теории трения, описывающей механизм образования и «закрытия» адгезионных связей, позволил нам получить аналитическое выражение для оптимальных характеристик трибоплазмы, позволяющее определить необходимые условия для устойчивого формирования на поверхностях трения третьих тел:

i = с; [i] =, (4)

где а4 – постоянная, определяемая как =;

t – время релаксации трибоплазмы, с;

с – целое число.

Полученная в ходе теоретического описания предложенной модели размерность параметра «i» (степень ионизации вещества) характеризует временное изменение удельного сопротивления области фактического контакта, то есть кинетику трансформации его агрегатного состояния.

На основании исследования состояния активных реакционоспособных групп, образующихся в объеме трибоплазмы, проводится теоретическая оценка плазмохимических процессов, в которые вовлекается вещество поверхностных слоев трущихся тел в момент релаксации трибоплазмы, основанная на детальном рассмотрении кинетических особенностей рекомбинационных явлений, запускающих механизмы образования сложных химических структур, которыми в частности выступают комплексные соединения. При анализе данного механизма показана высокая степень отзывчивости протекающих явлений к внешним воздействиям со стороны силовых полей.

Основываясь на выдвинутых положениях, нами проведена физическая оценка способа полевого воздействия на плазменные процессы, сопровождающие фрикционное взаимодействие поверхностей БМ1, со стороны внешнего электромагнитного поля. Установлено, что подобное воздействие поддерживает молекулы вещества постплазменного состояния в виде устойчивых мультипольных образований, а также катализирует адгезионный перенос последних на дорожки трения сопряжений БМ, формируя смазочные слои с высокой структурной организацией – трибокоординацией.

Используя аппарат классической электродинамики Максвелла показано, что электромагнитные поля не только интенсифицируют перенос молекул, но и возникающие при этом пондемоторные силы способствуют перемещению мезо- и макрообъемов вещества. Выражение аналитической оценки воздействия пондемоторных сил представлено ниже

, (5)

где Д – постоянная, равная ;

d0 – в рассматриваемом случае – максимальное расстояние между поверхностями трения, м;

с/ – электродинамическая постоянная, м/с;

NА – число Авогадро, Кмоль-1;

- молярная масса среды, кг/Кмоль;

m – масса поляризованного вещества, кг;

– циклическая частота, с-1;

Wп – электрическая энергия процесса поляризации вещества, Дж;

Т/ – период, с.

Все теоретические выводы были подтверждены и проиллюстрированы в данной части работы собственными и имеющимися в нашем распоряжении из литературных источников экспериментальными данными, полученными при помощи методов ЭОС, оптической микроскопии, а также метода электромагнитного санирования поверхности трения, при помощи которого были зафиксированы высокочастотные гармоники плазменных состояний. Появление и интенсификация формирования третьих тел под действием электрического поля зафиксирована при помощи метода профилометрии.

На основании приведенных результатов детально проиллюстрировано влияние электромагнитного поля за счет пассивации поверхности трения на интенсификацию возникновения и структурную ориентацию третьих тел, в частности в узлах трения БМ.

В четвертой главе представленные ранее положения об общих свойствах структурной упорядоченности третьих тел, выявленных у широкого класса трибосопряжений БМ, катализируемой приложением электромагнитного поля, рассматриваются на примере наиболее изученного в настоящее время класса объектов пленочной природы – «серфинг – пленках». Даны фотографии наностроения серфинг-пленок, полученные на сканирующем туннельном микроскопе (СТМ).

Рисунок 1. – Структура серфинг-пленки, полученная при помощи СТМ.

На рисунке 1 видна упорядоченная сетка атомов с расстоянием между ними около 1,9, напоминающая кристаллическую решетку. Такая структура приводит к формированию на поверхности фрикционного контакта длинных молекулярных цепей, ориентированных, преимущественно, в одном направлении. При использовании более крупных масштабов упорядоченное расположение рельефа отсутствует, его можно назвать хаотическим. Он начинает отражать уже характер скольжения поверхностей трибосопряжения.

Приведенные изображения различных участков поверхности в разных масштабах впервые позволяют установить связь крупномасштабной структуры поверхности серфинг-пленки и строения той же пленки на атомарном уровне.

Показано, что серфинг-слой является частным проявлением достаточно общих закономерностей формирования смазочных структур типа гетерогенного двухслойного образования, состоящего из квазикристаллической мономолекулярной подложки, к которой, в частности, и относятся серфинг-пленки, и наружного слоя (возможно мезогенного типа), толщина которого варьируется в широких пределах.

Описаны механизмы структурной упорядоченности – трибокоординации мономолекулярного слоя на поверхности трения под действием электромагнитных сил, определяющие улучшение антифрикционных характеристик трибосопряжений БМ вплоть до достижения параметров гидродинамического трения.

Pages:     | 1 || 3 | 4 |






© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»