WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

 

                                                       На правах рукописи

       

ПОЛЯКОВ Сергей Андреевич

ЗАКОНОМЕРНОСТИ ФОРМИРОВАНИЯ СТРУКТУРЫ ПРИПОВЕРХНОСТНЫХ СЛОЕВ ТРИБОСОПРЯЖЕНИЙ

В СВЯЗИ С ПОВЫШЕНИЕМ ИХ РАБОТОСПОСОБНОСТИ

НА ОСНОВЕ ДИНАМИЧЕСКОЙ АДАПТАЦИИ

К УСЛОВИЯМ ЭКСПЛУАТАЦИИ

Специальности: – 05.16.09. – Материаловедение (промышленность)

(технические науки)

05.02.04. – Трение и износ в машинах

Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора

технических наук

Москва - 2011

Работа выполнена в АНО «Институт нанотехнологий» Международного фонда конверсии, в Учреждении РАН Институте машиноведения им. А.А. Благонравова Российской академии наук и в Государственном образовательном учреждении Высшего профессионального образования «Московский государственный университет приборостроения и информатики».

Научный консультант:                        доктор технических наук, профессор

                                               Куксенова Лидия Ивановна

Официальные оппоненты:                доктор физ.-мат. наук, профессор

                                               Блантер Михаил Соломонович

                                               доктор физ.-мат. наук, профессор

                                               Быков Валерий Иванович

               

доктор технических наук, профессор

                                               Пичугин Владимир Федорович

Ведущая организация – ГОУ ВПО «Самарский государственный технический университет», НТЦ «Надежность технологических, энергетических и транспортных машин», г. Самара

Защита состоится «_2__» марта__ 2011 г. на заседании диссертационного совета Д 212.119.03 в ГОУ ВПО «Московский государственный университет приборостроения и информатики» по адресу: 107996, г. Москва, ул. Стромынка, д. 20.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГОУ ВПО МГУПИ.

       Автореферат разослан «___» ____________ 201__г.

Ученый секретарь диссертационного совета

к.т.н., профессор                                                                        

                                                                                                                                                               Н.И. Касаткин

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Создание в новой России современного социально-ориентированного общества невозможно без развития науки и существенного ускорения научно-технического прогресса. Более того, развитие экономики требует ее перехода на новый, инновационный уровень ускоренного развития всего народного хозяйства за счет внедрения научных достижений. В области триботехнических материалов это означает необходимость проведения новых разработок по повышению их износостойкости и задиростойкости, предложений по значительной экономии топлива и смазочных материалов за счет повышения эффективности работы изделий из конструкционных материалов. При этом интенсификация экономики, а значит и производственных процессов, в ходе которых происходит эксплуатация трибосопряжений, с неизбежностью предполагает дальнейший рост энергонапряженности, нагруженности машин и механизмов и, соответственно, необходимость существенного расширения свойств конструкционных материалов и, соответственно, эксплутационных возможностей трибосопряжений.

Решение этой задачи может основываться на расширении внутренних структурных резервов материалов трибосопряжений, в первую очередь, на их способности адаптироваться к более тяжелым условиям, проявлять свойство динамической адаптации. Как показывает анализ литературы за последние 25–30 лет, когда сложились основные представления в современной науке о триботехнических материалах, понятие динамической адаптации как некоей базовой категории в этой системе представлений практически не использовалось. В то же время, активно развивались такие близкие к этой категории понятия, как структурная приспосабливаемость и прирабатываемость. Прирабатываемость, начиная с работ М.М. Хрущова, и далее в работах С.В. Венцель, Н.А. Буше, И.И. Карасика и др. рассматривалась, преимущественно, в феноменологическом аспекте, в функциональном пространстве с координатами «внешние воздействия – функция отклика», где под функцией отклика понималась, как правило, интенсивность изнашивания. В то же время, металлофизические исследования, глубоко продвинутые в работах Б.И. Костецкого, И.М. Любарского, Л.И. Бершадского, И.И. Гарбара и мн. др. ученых, как направление были сориентированы, в основном, на физические характеристики приповерхностных слоев материалов.

При этом понимание причинной взаимосвязи между этими характеристиками и триботехнической работоспособностью материалов далеко не всегда имело место. В то же время параллельно развивалось направление исследования избирательного переноса, существенное продвижение в понимании природы которого были заложены Д.Н. Гаркуновым, А.А. Поляковым, Л.М. Рыбаковой, Ю.С. Симаковым, Л.И. Куксеновой, А.С. Кужаровым, В.Ф. Пичугиным, А.К. Прокопенко, В.Г.Бабель и др.. В рамках этого направления было открыто множество адаптационных процессов и был достигнут определенный уровень понимания взаимосвязи износостойкости и металлофизических, структурных параметров. К сожалению, эти достижения носили, преимущественно, качественный характер.

В то же время, в области металлофизических исследований был достигнут существенный прогресс в решении таких проблем, как методы количественного описания структурных изменений в твердых телах. В частности, исследования таких ученых как И.М. Лившиц, Я.Е. Гегузин, В.М. Косевич, Б.Я. Любов, В.И. Владимиров, Л.С Милевский, И. Л Смольский, В.П. Алехин, В.Е.Панин, Р.З. Валиев, М.Ф.Эшби, А. Кадич, Д. Эделен и др. позволили дать математические модели процессов эволюции дислокационной  структуры, в том числе, диффузионно-дислокационных механизмов. Кроме того, работы таких ученых как И. Пригожин, Г. Николис, П. Гленсдорф, В.С. Гинзбург, И. Курамото, Т. Цузуки, С.П. Курдюмов, Г.Г. Малинецкий, В.И. Быков, А.А. Колесников, В.А. Терехов и др. позволили обосновать и практически использовать описание процессов самоорганизации в химических и технологических процессах и основанную на этих процессах адаптацию технических систем.

Благодаря этим исследованиям существующий разрыв между металлофизическими, структурными исследованиями и триботехническими характеристиками материалов стало возможным преодолевать, что необходимо для рационального управления работоспособностью материалов и долговечностью трибосопряжений на основе знания их структурной эволюции в процессе эксплуатации. В особенности это является актуальным в отношении адаптационных процессов, предельные возможности которых детерминирует предельные возможности триботехнических материалов. Конкретные теоретические модели таких адаптационных процессов, основанных на структурной самоорганизации в приповерхностных слоях, на сегодняшний день, практически, отсутствуют.

В связи с актуальностью этой проблемы была сформулирована цель данной работы.

Целью работы является создание теоретической концепции динамической адаптации приповерхностных слоев триботехнических материалов к условиям эксплуатации в связи с динамикой их структуры и состава и разработка на этой основе методов и средств оценки явления,  повышения работоспособности конструкционных материалов и долговечности сопряжений.

Для достижения данной цели решались следующие задачи.

  1. Разработка методов описания трибосистем с помощью математических моделей, позволяющих учесть свойства материалов в виде конкретных физических величин – градиентов химических потенциалов и соответствующих им показателей процессов массопереноса, диффузии, деформации.
  2. Разработка методов синтезирования синергетических моделей трибосистем, позволяющих описать процессы самоорганизации, реализующиеся в трибосистемах в процессе их функционирования.
  3. Разработка феноменологических методов описания трибосистем, позволяющих связать эксплуатационные параметры трибосистем с синергетическими моделями, в том числе, с типами устойчивости.
  4. Подбор и разработка методов экспериментального исследования трибосистем с целью проверки адекватности предложенных математических моделей и их интерпретации.
  5. Реализация полученных результатов в форме методов испытаний и рекомендаций по составам и свойствам конкретных конструкционных триботехнических и смазочных материалов.
  6. Организация и реализация практического использования полученных научных достижений в виде издания нормативных документов и внедрения технологий и материалов.

Научная новизна

  1. Предложено понятие динамической адаптации – нового свойства сочетания триботехнических материалов, позволяющего обеспечить асимптотическую устойчивость функционирования трибосистем в условиях динамических воздействий в процессе эксплуатации.
  2. Разработаны принципы динамической адаптации трибосистем к условиям их эксплуатации, рассмотрены и обоснованы основные механизмы адаптации, даны методы их описания.
  3. На основе методов неравновесной термодинамики и синергетики предложены математические модели для различных механизмов адаптации, включая процессы самоорганизации, позволяющие связать свойства конкретных материалов с показателями устойчивости соответствующих моделей и показателями работоспособности сопряжений.
  4. Исследованы неравновесные структуры, возникающие в результате действия различных механизмов адаптации, включая механизм наноструктурной самоорганизации, рассмотрены условия их функционирования и вклад в обеспечение работоспособности трибосопряжений.
  5. Разработаны экстремальные критерии функционирования трибосистем и на их основе определены допустимые области динамических воздействий на трибосопряжения при определенных сочетаниях конструкционных и смазочных материалов.
  6. Разработаны методы подбора сочетаний материалов триботехнического назначения, выполненные на уровне изобретений с экспертно подтвержденной новизной, обеспечивающие оптимальную динамическую адаптацию трибосистем на основе возникающих в них процессов наноструктурной самоорганизации.
  7. Показана взаимосвязь динамической адаптации трибосопряжений с реализацией процессов самоорганизации в приповерхностных слоях деформированных в условиях контактного взаимодействия материалов

Основные положения, выносимые на защиту.

  1. Надежность работы трибосопряжений, особенно в условиях динамических внешних воздействий, должна обеспечиваться их динамической адаптацией, асимптотической устойчивостью их функционирования, что позволяет качественно повысить надежность по сравнению со статичным, неадаптивным сопротивлением изнашиванию и заеданию.
  2. Обеспечение асимптотической устойчивости функционирования трибосистем достигается за счет направленного стимулирования процессов наноструктурной самоорганизации в приповерхностных слоях составляющих трибосистему взаимодействующих конструкционных и смазочных материалов, достигаемой при их определенных сочетаниях.
  3. Основные механизмы процессов самоорганизации при трении представляют собой механохимические  и хемомеханические реакции, составляющие цепочки, которые обеспечивают возникновение положительных и отрицательных обратных связей, реализующих асимптотическую устойчивость соответствующих процессов.
  4. Основные типы простейших моделей самоорганизации при трении представляют собой сочетание дифференциальных уравнений, описывающих совместные динамические изменения плотностей дислокаций, концентрации вакансий и концентраций металлоорганических соединений по типу «реакция - диффузия».
  5. Наличие «второго минимума» на зависимости коэффициента трения от нагрузки, который в отличие от аналогичного минимума на диаграмме Герси – Штрибека возникает в условиях отсутствия гидродинамических эффектов в смазочном материале, является одним из важнейших практических проявлений закритической асимптотической устойчивости функционирования трибосистем в условиях их самоорганизации 

Практическая ценность.

Разработаны методы оценки и управления динамической адаптивностью трибосистем и составляющих их материалов к условиям эксплуатации, что позволяет определять параметрические границы их работоспособности. Предложены и реализованы методы подбора триботехнических материалов, позволяющие достичь эффекта наноструктурной самоорганизации в трибосистемах и получить режимы их асимптотически устойчивого функционирования. Даны и реализованы конкретные предложения по конструкционным и смазочным материалам, использующим перечисленные эффекты, в том числе, технологические инструкции. Получены практические эффекты повышения эксплуатационных свойств двигателей внутреннего сгорания и станочного оборудования. Разработаны методики испытаний трибосистем. Выпущены нормативные документы, методические рекомендации и государственные стандарты:  ГОСТ 23.215 – 84. «Обеспечение износостойкости изделий. Экспериментальная оценка прирабатываемости материалов», ГОСТ 23.222–84. «Обеспечение износостойкости изделий. Метод оценки фрикционной совместимости наплавочных материалов для восстановления деталей», ГОСТ 23.224-86 «Обеспечение износостойкости изделий. Методы оценки износостойкости восстановленных деталей». По результатам исследований получены бронзовая медаль ВДНХ (1989), диплом выставки «БытПромЭкспо. Инновационные технологии в быту» 2009 г. на ВВЦ, диплом 10-ой специализированной выставки «Изделия и технологии двойного назначения. Диверсификация ОПК» 2009 года на ВВЦ.

Достоверность результатов подтверждается:

- использованием общепринятых исходных положений и методов исследования;

- разработкой и реализацией стандартизированных и апробированных методик проведения и обработки результатов экспериментальных исследований;

- соответствием результатов исследований, полученных автором различными методами металлофизического анализа и триботехнических испытаний и результатам других авторов.

Личный вклад автора состоит:

- в постановке задач исследования, формулировке основных положений, определяющих научную новизну и практическую ценность;

- в разработке подходов и математических моделей, использованных в работе;

- в научном руководстве и непосредственном участии в проведении экспериментальных работ, интерпретации и обобщении результатов теоретических и экспериментальных исследований.

Апробация работы.

Материалы диссертации доложены и одобрены на Всесоюзной научно-технической конференции «Триботехнические испытания в проблеме контроля качества материалов и конструкций» (Рыбинск, 1989); на научно-практическом семинаре «Эффект безызносности и изучение водородного изнашивания металлов в решении эксплуатационных проблем транспорта и промышленности» (Москва, ЦРДЗ, 2006); конференции «Нанотехнологии – производству -2006» (Фрязино, 2006); Международной конференции «Актуальные проблемы трибологии» (Самара, 2007); на 1-ой Всероссийской конференции «Новые направления в триботехнике и их использование» (Москва, МГТУ им. Баумана, 2007); на Международной научно – практической конференции «Нанотехнологии – производству 2007» (Фрязино, 2007); научно – технической конференции с участием иностранных специалистов, посвященной 70 – летию  ИМАШ РАН, «Трибология – машиностроению», на конференции «Нанотехнологии – производству -2008» (Фрязино, 2008); на II Всероссийской научно-практической конференции «Триботехника на новом этапе своего развития» (Москва, МГТУ им. Баумана, 2009); конференции «Нанотехнологии – производству -2009» (Фрязино, 2009); на 10ой специализированной юбилейной выставке «Изделия и технологии двойного назначения. Диверсификация ОПК» 2009 года на ВВЦ; на XIII Московском международном Салоне изобретений и инновационных технологий «Архимед 2010» (Патент РФ № 2 351 640, разработка «Стрибойл»); на заседании кафедры ТИ-6 МГУПИ, на семинаре им. проф. Хрущова М.М. в ИМАШ РАН им. Благонравова А.А, 2010 г.

Публикации. Основные материалы диссертации отражены в 50 научных трудах, в том числе 1 монография, 22 статьи в журналах, рекомендаванных ВАК, 3 авторских свидетельства и один патент, 3 государственных стандарта.

Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка цитированной литературы (302 наименования), приложения (акты, документы, дипломы по результатам выставок и апробаций). Общий объем диссертации составляет 344 страниц машинописного текста, включая 85 рисунков и 24 таблицы.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность и сущность изучаемой научно-технической проблемы, сформулированы цель и задачи исследования. Приведены основные результаты с указанием научной новизны и практической ценности данной работы.

В первой главе «Состояние проблемы адаптации трибосопряжений к условиям эксплуатации на основе изменений структуры материалов в приповерхностных слоях» проведен анализ современного состояния исследований в этом направлении. По результатам анализа установлены следующие закономерности формирования структуры приповерхностных слоев конструкционных материалов триботехнического назначения.

Приповерхностные слои конструкционных материалов в процессе работы испытывают большие пластические деформации. При этом такие дефекты кристаллической структуры как дислокации и вакансии весьма существенно (на несколько порядков) меняют количественные характеристики, что оказывает решающее влияние на работоспособность материалов, в том числе, на процессы изнашивания и заедания .

Структурные уровни деформации приповерхностных слоев при трении включают мезоскопический уровень, который оказывает решающее влияние на процессы разрушения и релаксации, - именно в этом слое происходит формирование микротрещин, приводящих к формированию частиц износа. Смазочные материалы претерпевают при трении существенные превращения, включая процессы пленкообразования, что, в свою очередь, также оказывает значительное влияние на состояние и структуру приповерхностных слоев материалов и работоспособность сопряжения в целом. Существует широкий класс смазочных композиций, в том числе, наномодифицированных, использование которых может приводить к процессу пленкообразования с заранее известным составом и свойствами образующейся пленки.

При определенных условиях поверхностной пластической деформации трением протекают процессы самоорганизации, которые локализуются на мезоскопическом уровне и выражаются в формировании пленок на основе нанокластеров. Показано, что процессы самоорганизации при трении в режиме избирательного переноса приводят к возникновению саморегулирования фрикционного поведения трибосопряжений, в том числе, возникновению реакций на внезапное кратковременное приложение нагрузки, аналогичных действию отрицательной обратной связи в системах с автоматическим регулированием. Это является предпосылкой реализации в трибосистеме динамической адаптации.

Самоорганизующиеся химические реакции, используемые для обработки информации и управления наносистемами, применены для достижения динамической адаптации трибосистем в тех случаях, когда устойчивость их функционирования регулируется на наноуровней.

Для управления структурой и свойствами приповерхностных слоев материалов и их динамическими изменениями используютсяспециально подобранные смазочные композиции, взаимодействие которых с конструкционными материалами приводит к процессам релаксации и пленкообразования. При этом для управления процессами взаимодействия смазочных и конструкционных материалов в направлении формирования износостойких и динамически адаптирующихся структур на мезоскопическом уровне и повышения работоспособности трибосопряжений могут быть использованы самоорганизующиеся химические реакции, возникающие в процессе трения.

Во второй главе рассмотрены разработанные автором методы описания и моделирования процесса динамической адаптации трибосопряжений к внешним воздействиям.

На основе применения методов неравновесной термодинамики к анализу процесса деформирования приповерхностных слоев материалов при трении разработан математический аппарат, позволяющий описывать поведение трибосистем в условиях возникновения механохимических и хемомеханических эффектов и сформулировать уравнение регрессии для планирования эксперимента, в котором это поведение моделируется и исследуется.

Для этого трибосистема представлена как гетерогенная термодинамическая система, которая разбивается на локально-равновесные области, рис.1.

Рис. 1. Схема разбиения элементарного контакта на локально равновесные области I-IV – дискретная модель: I – пластичный материал (недеформированная область); II – смазочный материал; III - стальное контртело; IV – пластичный материал (деформированная область); 1 – дислокационное скопление в плоскости скольжения; 2 – дислокационная стенка; 3 – активные молекулы, растворяющие механически активированную область и создающие силу Fy осм.

Описание такой системы оказывается возможным с помощью критерия эволюции (по И. Пригожину), сформулированному применительно к описанной ситуации:

       ,                (1)

где        - производство энтропии, μΔ - химический потенциал области с дислокациями, V - объем системы, f - коэффициент трения, n - число частиц одного сорта, τ  – напряжение сдвига, α - коэффициент.

На основе методов неравновесной термодинамики и анализа процесса пластической деформации приповерхностных слоев материалов сформулированы экстремальные критерии поведения трибосистем, позволяющие определить параметрические границы их устойчивой работы в существенно неравновесной области внешних воздействий - в области «второго» минимума зависимости коэффициента трения от внешнего давления f(Р), существование которого обосновывается с помощью соотношения, полученного на основе критерия эволюции (1).

В простейшем случае, когда суммарный градиент химического потенциала системы является функцией глубины пластической зоны Н и f можно представить как функционал f= f[(H)], а условие экстремума при 0  , где  0 - минимальное значение , записать в виде

δf = Ф[(ΔμΣ ); ∂(ΔμΣ)/∂t;(Н ); δ(ΔμΣ )]dН 0,                                (2)

Условие (2) является общим критерием оптимизации трибосистемы по параметру f при пластическом деформировании области контакта.

Рассмотрены механизмы эволюции структуры приповерхностных слоев трибосопряжений, среди которых выделены диффузионно-дислокационный механизм упрочнения, объясняющий явление аномального упрочнения при трении, и диффузионно-дислокационный механизм возврата, принципиально объясняющий возможность достижения пониженной плотности дислокаций в приповерхностных слоях материалов при трении. Для описания механизма этого явления было использовано уравнение тензора плотности потока дислокаций, позволяющее анализировать совместно процессы скольжения и переползания дислокаций.

дρiк /дt  + eilj д /дlilj (eilj Σ ρik s vms ) = 0, 

где дρik – тензор плотности дислокаций, vms - скорость перемещения дислокаций различного типа, eilj. - единичный тензор, lilj - пространственная координата.

Анализ процессов нарушения сплошности приповерхностных слоев материалов позволил выявить существенную роль скорости протекания диффузионно-дислокационных механизмов в формировании состояния предразрушения этих слоев и кинетики их разрушения. Рассмотрена роль примесей и включений в процессах микротрещинообразования. Построена модель кинетики разрушения приповерхностных слоев как физическая основа для описания процесса изнашивания в условиях накопления коллинеарных дефектов и вредных примесей на базе системы уравнений типа Лотка – Вольтера.

Теоретический анализ макроскопических процессов релаксации в приповерхностных слоях трибосопряжений позволил обосновать модель кинетики прирабатываемости этих сопряжений на основе диффузионно-дислокационных механизмов эволюции структуры приповерхностных слоев материалов и связать показатели прирабатываемости и прироста несущей способности сопряжений с металлофизическими характеристиками конструкционных материалов.

На основе совместного анализа уравнений динамики плотности дислокаций и концентрации вакансий в приповерхностных слоях материалов с использованием метода химико-кинетической аналогии построена модель наноструктурной самоорганизации в этих слоях.

Содержание модели отражает тот существенный факт, что при определенном сочетании конструкционных и смазочных материалов имеет место механизм, позволяющий предотвращать накопление дефектов в приповерхностных слоях и качественно изменять процессы, протекающие при деформации приповерхностных слоев в условиях контактного взаимодействия.

Система уравнений, предложенная для описания этого явления, имеет вид:

                                             

дρ/ дt  =ρ0 - ρ(В+1) + Cv ρα + Dρ д 2ρ/ д x2,        (3)        

дCv/ д t =ρΒ - ρα Cv +  Dχ д 2Cv/ д x2               (4)

где ρ - плотность дислокаций, Cv - концентрация вакансий, Dχ ,Dρ - коэффициенты диффузии вакансий и переползания дислокаций соответственно, α - стехиометрический коэффициент, Β - концентрация активной присадки в смазочном масле.

Подобную систему уравнений называют системой «реакция – диффузия», для более краткого обозначения используют предложенное  И.Пригожиным название «брюсселятор». Ее наиболее существенным отличием является способность к самоорганизации, что дает возможность обосновать асимптотическую устойчивость рассматриваемых процессов и соответствующую склонность к динамической адаптации у сопряжений, в приповерхностных слоях которых эти процессы протекают.

На основе сформулированных представлений о наноструктурной самоорганизации приповерхностных слоев при трении разработана трехкомпонентная модель этого процесса, включающая динамику плотности дислокаций, концентрации вакансий и концентрации металлоорганических соединений в смазочном материале с использованием системы уравнений, разработанной при исследовании реакции Белоусова-Жаботинского типа «орегонатор».

Рассматривая процесс генерации пленки, отметим, что современное понимание процесса формирования тонких пленок в неравновесных условиях  предполагает нелинейность данного процесса. Модель «орегонатора», содержащая отрицательные и положительные обратные связи, подходит для описания такого  нелинейного процесса. В результате использования этой модели получаем стехиометрические соотношения.

       НР + Х а ХР + Н + V        (5)

       Х  +  ХР аСП                        (6)

       Х0  + ХР а 2ХР + V                (7)

       2ХР + Р а Х0 +ТПП                (8)

       СП + V а Х,                        (9)

где Н – водород, НР – органическая кислота, Х – атом, активированный деформацией в ядре дислокации, V – вакансия, СП - серфинг-пленка, ТПП - трибополимерная пленка, Х0 - атом, пассивированный в результате химической реакции. Представленная цепочка реакций описывается системой трех взаимосвязанных нелинейных уравнений, получаемых из закона действующих масс:

                                     

дρ/дt  = - ρ(κ1Α+κ2 CMeR ) + fk6Cv                                        (10)                                

дCMeR/дt =κ1Αρ - ρκ2 CMeR + k34BCMeR - 2k5 C2MeR                 (11)

дCv/дt =ρΒ - k6Cv                                                        (12)

где CMeR - концентрация металлоорганических соединений в смазочном материале, κ1,,κ2,κ34,κ5,κ6, - константы скоростей соответствующих реакций. Данная система уравнений имеет решения в виде асимптотически устойчивых предельных циклов, отражающих автоколебания трех переменных - ρ , CMeR и CV.

Теоретические предпосылки этого подхода были использованы при разработке модели наноструктурной ротационной сверхпластичности приповерхностных слоев материалов при трении и модели процесса пленкообразования при использовании смазочных материалов с наноразмерными модификаторами, послужившей основой для разработки новых смазочных композиций.

Рассмотрены методы описания поведения контактирующих материалов при возникновении наноструктурной самоорганизации приповерхностных слоев, обеспечивающий реализацию динамической адаптации сопряжения к условиям эксплуатации.

Предложены теоретические основы метода экспериментальной оценки динамической адаптации на основе анализа прирабатываемости материалов в различных сочетаниях и зависимости коэффициента трения от давления с определением параметрических координат «второго минимума», области закритической асимптотической устойчивости как основы для оценки триботехнической работоспособности конструкционных и смазочных материалов.

В третьей главе представлены объекты исследования и обоснован выбор и направления исследования триботехнических материалов: антифрикционных сплавов (бронзы, латуни, алюминиево-оловянные сплавы и баббиты), а также материалы и покрытия коленчатых валов. Кроме того, рассмотрен ряд материалов, позволяющих модифицировать смазочные композиции для достижения эффекта динамической адаптации.

Проведен анализ и сделан выбор методов и средств металлофизических исследований приповерхностных слоев триботехнических материалов и высокодиспернсных объектов: рентгеноструктурный анализ, просвечивающая и растровая электронная микроскопия, методы спектрального анализа, метод анализа поверхности с помощью сканирующего туннельного микроскопа.

Проведен анализ и сделан выбор триботехнических методов и средств исследования приповерхностных слоев конструкционных материалов для оценки интенсивности изнашивания: метод профилографирования с прецизионным способом базирования и ориентации изучаемого образца, рис.2, метод измерения размеров отпечатков микротвердомера, а также метод измерения значения потока пропускаемого через зазор в условиях эксплуатации, позволяющих выявить признаки процесса пленкообразования и эффекта динамической адаптации.

Суть метода профилографирования сводится к получению профилограмм одного и того же участка поверхности до и после изнашивания, совмещению этих профилограмм и определении разниц высот профилей в соответствующих точках. Схема ориентации образца на профилографе показана на рис. 2. На исследуемом образце 1 наносят отпечатки 2 и 3, низшие точки которых 4 и 5 лежат на заданной трассе профилографирования 6. Отпечатки выполняют на твердомере Виккерса по ГОСТ 2999-75, так, чтобы между отпечатками располагалась изнашиваемая поверхность, а глубина отпечатков превышала значение износа не более, чем в два раза. Отпечатки располагают на максимальном допустимом размерами изнашиваемой поверхности и значением хода иглы щупа профилографа расстоянии друг от друга. После нанесения отпечатков 2 и 3 образец устанавливают на предметный столик 7, который может перемешаться в горизонтальной плоскости поперек движения иглы 8 щупа при помощи микровинта 9, а также поворачиваться в горизонтальной плоскости при помощи микровинта 10.

Рис. 2. Схема ориентации образца на профилографе. 1- образец, 2,3 – отпечатки (метки), 4,5 - низшие точки отпечатков, 6 - трасса профилографирования, 7 – столик, 8 – игла профилографа, 9,10 – микровинты.

Проведен анализ и обоснован выбор основной триботехнической характеристики для лабораторных испытаний - коэффициента трения. Данный показатель, оперативно измеряемый в режимах смешанной и граничной смазки, выявляет оптимальную для каждого сочетания материалов интенсивность протекания приспособительных процессов.

Установлено, что кинетические свойства трибосистемы оцениваются на основе изменения коэффициента трения при приработке в предельном режиме и отражаются в показателях прирабатываемости, позволяющих выявить признаки процесса пленкообразования и эффекта динамической адаптации. Процесс приработки показан на рис.3.

Установлено, что стационарные свойства трибосистемы оцениваются на основе изменения коэффициента трения при варьировании основных факторов работоспособности и отражаются в показателях работоспособности, определяемых как значения соответствующих факторов в области экстремума коэффициента трения.

Рис.3. Изменение нагрузки Р, силы трения F и коэффициента трения f в процессе приработке в предельном режиме.

Показано, что ускоренные ресурсные испытания по методу «запросов» проводятся с использованием таких значений внешних факторов для периодического форсирования, которые соответствуют значениям показателей работоспособности для каждого материала, а именно значениям внешних факторов в области экстремума коэффициента трения. Показано, что методологическое и метрологическое обеспечение получения металлофизических и триботехнических характеристик обеспечивается выбором методов и средств измерений и статистической обработкой экспериментальных данных. Оценка поведения материалов в эксплуатации, в частности, констатация достижения эффекта динамической адаптации может производиться на основе стандартных показателей, позволяющих косвенно оценить направление протекания процесса пленкообразования и эффекта динамической адаптации.

В четвертой главе представлены результаты экспериментальных исследований процессов упрочнения, релаксации и деструкции в приповерхностных слоях контактирующих конструкционных материалов.

Проведенный анализ экспериментальных данных позволяет заключить, что представленные в главах 1-3 теоретические и методические положения находят прямое экспериментальное подтверждение. Это открывает возможности целенаправленного поиска и формирования свойств соответствующих конструкционных материалов.

На основе рентгеноструктурных данных выявлено четыре основных типа релаксационных механизмов, табл. 1: диффузионно-дислокационный неограниченный возврат; диффузионно-дислокационная релаксация с упрочнением (вплоть до аномального); диффузионное перераспределение примесей; деструкция. Все механизмы находят объяснение в рамках предложенной диффузионно-дислокационной модели. Знак + обозначает увеличение параметра, знак – обозначает уменьшение; пропуск означает отсутствие информации о параметре.

Таблица 1.

Идентификация основных механизмов релаксации напряжений по данным рентгеноструктурного анализа.

Рентгеноструктурные параметры

Физические параметры

Механизмы релаксации

физическое уширение рентгено-графичес-ких линий (β)

параметр кристал-лической решетки

(а)

плот-ность дисло-

каций

(ρ)

концент-рация вакансий

(Св)

концент-рация примеси (Сп)

-

-

-

+

Диффузионно-дислокационный возврат

+

-

+

+

Диффузионно-дислокационная релаксация с упрочнением

+

+

+

+

Перераспределение примесей

-

+

-

+

Деструкция

Рассмотренные механизмы связаны с разными типами структуры приповерхностных слоев после окончания приработки. При этом только один механизм обеспечивает структуру, достижение которой создает возможность динамической адаптации, - это неограниченный возврат на основе хемомеханического эффекта (диффузионно-дислокационный возврат)..

Анализ результатов эксперимента и сопоставление этих результатов с теоретической концепцией позволяет заключить, что в основе эффекта динамической адаптации лежит диффузионно-дислокационный механизм неограниченного возврата структуры приповерхностных слоев, реализация которого определяется условиями протекания хемомеханического эффекта в тонких приповерхностных слоях материалов, деформируемых трением.

При отсутствии предпосылок для протекания диффузионно-дислокационного механизма неограниченного возврата структуры приповерхностных слоев возможны два варианта изменения структуры этих слоев: это или деструкция с последующим формированием подповерхностных микротрещин и удалением отделяющихся частиц износа, или (при сохранении возможности ограниченной релаксации за счет диффузионных процессов) формирование упрочненной структуры, которая в дальнейшем также подвергнется деструкции, но с меньшими объемами разрушения и толщиной частиц иноса, и, самое главное, при более высокой несущей способности сопряжения. При этом, чем больше возможности релаксации формирующейся структуры, тем выше триботехнические показатели работоспособности сопряжения.

Основой для возникновения  диффузионно-дислокационного механизма неограниченного возврата структуры приповерхностных слоев являются процессы генерирования вакансий и переползания дислокаций, стимулирование которых возможно на основе подбора сочетаний конструкционных и смазочных материалов с учетом их реальной склонности к проявлению хемомеханического эффекта.

В пятой главе рассмотрены результаты экспериментальных  исследований процессов самоорганизации и динамической адаптации приповерхностных слоев материалов при трении, их анализ и интерпретация.

Показано, что в условиях динамической адаптации даже при полном отсутствии гидродинамических эффектов материалы обладают высоким уровнем антифрикционности. При этом достижение высоких приработочных и нагрузочных показателей происходит в области, где обычные виды смазочных материалов малоэффективны. Приповерхностные слои теряют устойчивость и, таким образом, возникающий на зависимости коэффициента трения от нагрузки «второй минимум» находится в закритической области и обладает асимптотической устойчивостью.

В результате процесса самоорганизации в трибосистеме возникают отрицательные обратные связи, которые переводят систему в состояние с асимптотической устойчивостью типа предельного цикла. Это свойство позволяет системе гибко адаптироваться к динамическим изменениям внешних условий, что проявляется в реализации адаптивно-динамических свойств у соответствующих смазочных материалов. В частности, для некоторых исследованных сочетаний материалов возможно построение экспериментальных фазовых портретов, имеющих форму, аналогичную той что получается в результате численного решения систем уравнений (3),(4) и (10),(11),(12). Это проиллюстрировано в виде сопоставления предельного цикла, получаемого в результате использования модели «брюсселятор», и экспериментальных данных главы 4, рис. 4, а также сопоставления численного решения системы уравнений (10),(11),(12) с поведением силы трения при внезапном приложении нагрузки, рис.5.

Математическое описание рассмотренного процесса дано в гл. 2 для случая использования металлоплакирующей смазки. Модель «орегонатора» использована при описании металлоплакирования с тем отличием от первого варианта модели (10),(11),(12).

Рис. 4. Результат совмещения теоретической кривой, построенной методом численного интегрирования системы уравнений (3), (4) с экспериментальными данными главы 4. О – экспериментальные точки. Пунктиром отмечена асимптота, соответствующая критическому значению концентрации вакансий, определяемому через изменение периода решетки a 10-3 нм.

а)                                                б)

Рис. 5. Изменение силы трения после приложения дополнительной нагрузки: а)- эксперимент, трение стали по стали с металлоплакирующей смазкой; в момент t = 3 сек. приложена нагрузка, сила трения, пройдя через максимум в момент t = 6 сек, при снижении проходит через минимум в момент t = 12 сек, а затем, приблизившись снизу к стационарному значению, стабилизируется. б) – результат численного решения системы уравнений (10),(11),(12) при внезапном возмущении.

Процессы избирательного растворения, и процессы осаждения соединений МеР2 меняются местами. Поэтому система стехиометрических соотношений записывается следующим образом:

       2HР + Cu*[Fe] → Cu*Р2 + H2;        

       Cu*Р2 + Cu*[Fe] → Cu*Р2Cu*[Fe];        

       CuР2 + Cu*Р2[V] → 2 Cu*Р2 + V;        

       2Cu*Р2 + 2Fe → 2FeР2 + 2Cu0[Fe];        

       V + Cu0[Fe] → s Cu*[Fe],        

где Cu*[Fe] — активный центр в медной пленке на выходе дислокационной трубки, возникшей при трении; Cu*Р2 — соль органической кислоты с активным атомом меди; H — водород; Cu*Р2Cu*[Fe] — хемосорбированная на пленке меди соль органической кислоты; CuР2 — соль меди органической кислоты, входящая в состав присадки; Cu0[Fe] — пассивированный атом медной пленки; s — стехиометрический коэффициент.

Полученная таким образом система стехиометрических соотношений представляет собой полный аналог реакции Белоусова—Жаботинского, описанной с помощью модели орегонатора. Эта модель, как отмечалось, содержит обозначения, в которых А и В — это исходные вещества, а Т и Q — продукты реакции; через X, Y, Z обозначены концентрации промежуточных реагентов, образующихся в ходе реакции. Для рассматриваемого случая введем следующие обозначения: А = 2HR; В = CuР2; Т = Cu*R2Cu*[Fe]; Q = 2FeR + 2Cu0[Fe]; X соответствует концентрации Cu*R2, Y соответствует концентрации Cu*[Fe]; Z = V. При такой системе обозначений приводимая система уравнений полностью соответствует схеме орегонатора. На основе этого и в соответствии с законом действующих масс для величин X, Y, Z составлены следующие дифференциальные уравнения:

       ∂Х/∂t = κ1AY – Yκ2Х + κ34BХ – 2κ5Х 2;        

       ∂Y/∂t = –Y(κ1A + κ2X) + fκ6Cv;        

       ∂Z/∂t = κ34BХ  – κ6Z,        

где А и B — коэффициенты; κ1, κ2, κ34, κ5, κ6 — константы скоростей соответствующих реакций. Полученные уравнения представляют собой модель, описывающую действие металлоплакирующего смазочного материала. В частности, она содержит описание действия положительных и отрицательных обратных связей, присутствующих здесь также, как и в  первой модели (10),(11),(12). Например, существуют предельные циклы для всех трех величин — X, Y, Z, — которые обладают асимптотической устойчивостью. Кроме того, численное решение данной системы уравнений при внезапном возмущении показано на рис.5 б. Таким образом, динамическая адаптация рассмотренных сопряжений на основе протекающих в приповерхностных слоях процессах самоорганизации подтверждается экспериментально.

Динамическая адаптация анализировалась также для сопряжений сталь - алюминиево-оловянный сплав в среде штатного смазочного материала. Характерный признак такой адаптации – отмеченное выше появление «второго» минимума на зависимости коэффициента трения от нагрузки и температуры смазочного масла. На рис. 6 показана такая зависимость, полученная по результатам испытаний, проведенных на модернизированной машине СМТ-1 в паре штатный вкладыш ЗМЗ-53 и вал с покрытием (плазменное напыление) в масле М8В1.

Рис.6. Зависимость коэффициента трения от нагрузки и температуры смазочного масла.

Получаемые в результате таких исследований параметрические координаты «второго» минимума использованы для определения критического значения параметра Зоммерфельда, сопоставление которого с предельным эксплуатационным значением этого параметра позволяет оценивать вероятность отказа сопряжения в эксплуатации.

На рис. 7 приведены значения вероятности отказа для лабораторных q(zл) и эксплуатационных q(zэ) условий, определения которых производились в лабораторных условиях по значениям zл в области «второго минимума» (см. рис.6) и данным эксплуатации. Полученные данные строились в виде распределений, пересечение которых в заштрихованной области соответствует диапазону вероятного отказа.

Рис.7. Распределение плотности вероятности заедания для различных значений параметра Зоммерфельда.

Для достижения эффекта динамической адаптации проводились исследования модифицированных смазочных материалов. Среди возможных модификаторов был выбран нанодисперсный противоизносный состав (далее НДПС), синтезированный на основе нанодисперсного минерала серпентина и солей жирных кислот. Диспергирование до нанодисперсного уровня проводилось с помощью ультразвука и введения специальных сред. Результаты диспергирования показаны на рис.8.

.

Рис.8. Вид распределения частиц по размерам после воздействия ультразвуком (20 мин.) в среде этилового спирта с добавлением 0,1% уксусной кислоты.

Продиспергированный состав вводился в смазочный материал в различных сочетаниях и испытывался. В результате проведения испытаний с использованием НДПС на образцах образовывалась пленка, обладающая нелинейными электрическими свойствами, что было установлено с помощью анализа вольт-амперных характеристик, полученных на сканирующем туннельном микроскопе, рис.9.

Анализ состава поверхности, проведенный методом электронно-зондового рентгеновского микроанализа, подтвердил предположение о существенном изменении состава материала приповерхностного слоя, табл.2.

а)                                        б)

Рис.9. Вид вольт-амперной характеристики прохождения тока через область контакта микрозонда с поверхностью образца а) до трения (линейная характеристика), б) после трения при смазывании НДПС (нелинейная характеристика, которая указывает на возникновение пленки сложного состава).

Таблица 2

Результаты анализа состава приповерхностных слоев по данным ЭЗРМА.

Элементы

Cu

Zn

Al

Pb

S

Si

C

O

Fe

Исходный состав латуни, массовые %

51

38

10

1

0

0

0

0

0

Состав поверхностной пленки после трения толщиной до 1мкм, массовые %

49,7

33,8

0,15

0

0,64

0,39

11,72

2,83

0,71

Состав поверхностной пленки после трения толщиной до 1мкм, атомные %

31,2

20,66

0,22

0

0,8

0,56

38,96

7,07

0,51

Как показывает микрозондовый анализ, в приповерхностных слоях латуни произошли существенные изменения, хорошо коррелирующие с данными рентгеноструктурного анализа, проведенными параллельно по методике скользящего пучка (ИМАШ РАН), и данными, отраженными в литературе. Наиболее существенные изменения состава состоят в том, что легирующие элементы, содержащиеся в латуни, цинк и алюминий, уходят из поверхностных слоев. Судя по тому, что плотность дислокаций по данным рентгеноструктурного анализа в приповерхностных слоях также уменьшается, в этих слоях происходит избирательное растворение и соответствующая ему релаксация напряжений.

Существенным изменением состава является также появление в приповерхностных слоях углерода и кислорода в достаточно больших количествах. Важно отметить, что перед проведением микрозондового анализа образцы промывались бензином и ацетоном, что исключает возможность сохранения на поверхности адсорбированных молекул смазочного материала.

Таким образом, значительную долю в составе пленки имеют металлические компоненты, которые являются продуктами избирательного растворения и, частично, изнашивания металлических материалов, входящих в сопряжение. Существенную долю составляют также углерод и кислород. Значительная доля органических составляющих в пленке подтверждает высказанную ранее гипотезу о возможности полимеризации продуктов деструкции смазочного материала под воздействием солей жирных кислот и практически полностью перешедшего в смазочный материал алюминия.

Триботехнические испытания показали высокие адаптационно-динамические свойства образовавшихся на поверхности пленок. Наблюдается высокая прирабатываемость и склонность к асимптотической устойчивости фрикционного поведения сопряжения, в котором образуется износостойкая пленка, что позволяет рассматривать получаемый в результате материал как «интеллектуальный». Методика триботехнических испытаний соответствовала требованиям ГОСТ 23.224–86 «Обеспечение износостойкости изделий. Методы оценки износостойкости восстановленных деталей». Процесс испытаний состоял из двух этапов. На первом этапе проводится приработка в режиме нагружения  «на грани заедания» и оценивается максимально допустимая кратковременная нагрузка на испытываемое сопряжение. Плавная ступенчатая разгрузка, производившаяся после окончания приработки, позволила проанализировать характер зависимости коэффициента трения от нагрузки в стационарных условиях и выявить основной критерий несущей способности, - значения нагрузки Роп, превышение которой приводит к монотонному возрастанию коэффициента трения, т.е. область нагружения в окрестности второго минимума коэффициента трения. Это позволило также выявить зависимость величины Роп от состава и концентрации вводимой в смазочное масло присадки. На основе данной зависимости проведена оптимизация концентрации присадки. Результаты эксперимента отражены в табл. 3 и на рис.10.

Как видно из табл. 3, наилучшие показатели соответствуют составу №5, концентрация присадки в котором для данного сопряжения близка к оптимальной. Для иллюстрации триботехнического поведения сопряжений с разной концентрацией присадки в смазочном масле на рис.10 приводятся графики зависимостей коэффициента трения от нагрузки для сопряжений 1,2,5.

Как видно из графиков, для сопряжения №5 имеет место «второй» минимум. Это указывает на то, что сопряжение оказывается в устойчивой области экстремума после прохождения через неустойчивую переходную область между двумя минимумами.

Причиной этого является процесс самоорганизации, возникающий при достижении концентрации присадки оптимальной величины.

Отметим, что работа сопряжения в области «второго» минимума отличается не только повышенной несущей способностью, но и выслклй износостойкостью, табл. 3, что определялось на втором этапе испытаний.

Испытания на износостойкость проводилось при нагрузках Роп, соответствующих тем, которые были определены для каждого сопряжения на первом этапе испытаний. Они проводились в стационарных условиях при одинаковых наработках. Измерение  износа осуществлялось с помощью метода профилографирования с воспроизводством исходной трассы по двум коллинеарным меткам в соответствии с ГОСТ 23.224-86.

Таблица 3

Показатели работоспособности сопряжения при варьировании состава и объема присадки НДПС (СС суспензия серпентина, СЖК – соли жирных кислот).

№ п/п

Состав смазочного масла

Соотношение объемов присадки и основного масла

Нагрузка Роп

(МПа)

Интен-сивность изнаши-вания в период прира-ботки

Интенсив-ность изнашива-

ния в стационарном режиме

1

И - 20А, чистое

-

6

9 * 10-9

6,9 * 10-9

2

И - 20А + СС

0,02

10

9,29 * 10-10

6,29 * 10-10

3

И - 20А + (СС + СЖК)

0,02

14

2,9 * 10-10

2,9 * 10-10

4

И - 20А + (СС + СЖК)

0,04

16

1,68 * 10-10

1,68 * 10-11

5

И - 20А + (СС + СЖК)

0,06

20

1,29 * 10-10

1,29 * 10-11

6

И - 20А + (СС + СЖК)

0,08

18

1,89 * 10-10

1,89 * 10-11

По данным профилографирования стального образца получили, что в процессе приработки произошло не менее, чем десятикратное снижение шероховатости с 0,14-0,4 мкм до 0,01 мкм. Оценка износа методом совмещения профилограмм показывает, что процесс пленкообразования приводит к компенсации износа. Следствием этого является высокая износостойкость в результате эффекта самоорганизации.

Результаты совмещения профилограмм по коллинеарным меткам показаны на рис. 11. Видно, что профилограмма, полученная после более длительного изнашивания (22.04), проходит на ряде участков выше, чем профилограмма, снятая на более ранней стадии (19.03), что иллюстрирует микрогеометрию пленкообразования.

Рис.10 . Зависимость коэффициента трения от нагрузки при использовании смазочных материалов различных составов
(номера составов по табл. 3): 1 — № 1; 2 — № 2; 3 — № 5

Рис. 11. Результаты совмещения двух профилограмм, снятых по коллинеарным меткам по ГОСТ 23.224—86. Цифры у профилограмм указывают даты, в которые они были сняты (в промежутке между этими датами происходило испытание образца). По краям профилограмм расположены метки.

а)Дизель  2А-5Д49

б) Дизель 1А9ДГ

Рис. 12. Изменения давления в двигателях.а) Изменение давления сгорания в результате введения НДПС в смазочное масло дизеля 2А5Д49: ряд 1 – давление сгорания до введения НДПС по левому ряду цилиндров; ряд 2 – то же по правому ряду; ряд 3 и ряд 4 – то же через 10 часов после введения НДПС; ряд 5 и ряд 6 – то же через месяц эксплуатации, цифры по горизонтальной шкале – номера цилиндров двигателя.

б) дизель 1А9ДГ – изменения давления даны усреднено по всем цилиндрам.

Оптимизация состава, проведенная по результатам лабораторных испытаний, подтверждена в условиях стендовых и натурных испытаний. Это выражается в том, что при использовании варианта 5 соизмеримый положительный эффект проявляется в эксплуатации значительно быстрее. Если в случае с вариантом 2, появление эффекта требует десятков тысяч километров пробега, то для появления соизмеримого эффекта с вариантом 5 потребовалось всего лишь 10 моточасов, рис.12.

Отметим, что полученные изменения значений давления в цилиндрах и соответствующее повышение мощности указывает на формирование на поверхностях трущихся деталей (деталях цилиндропоршневой группы) достаточно эффективных пленок. Этот эффект является адаптивно – динамическим и реновационным действием смазочного материала. Наиболее важным результатом такого действия является повышение давления сгорания, номинальной мощности при неизменном расходе топливе и экономии топлива при одинаковых нагрузочных режимах, рис. 12.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Разработана теоретическая концепция динамической адаптации трибосопряжений к условиям эксплуатации в результате наноструктурной самоорганизации приповерхностных слоев в процессе пластической деформации в условиях контактного взаимодействия конструкционных и смазочных материалов.

2. Разработаны методы описания трибосистем с помощью математических моделей, позволяющих учесть свойства материалов в виде конкретных физических величин – градиентов химических потенциалов и соответствующих им показателей процессов массопереноса, диффузии, деформации.

3. Разработаны методы синтезирования синергетических моделей трибосистем, позволяющих описать процессы наноструктурной самоорганизации в приповерхностных слоях материалов, реализующиеся в процессе функционирования трибосистем в режиме динамической адаптации, включая математические модели структурной эволюции материалов, а также вытекающие из этих моделей методы испытаний, позволяющие получать показатели, необходимые для оценки надежности и безотказности узлов трения.

4. Разработка и использование методов и средств инициирования наноструктурной самоорганизации в приповерхностных слоях материалов позволили реализовать и исследовать новое свойство трибосопряжений – динамическую адаптацию к условиям эксплуатации, выражающуюся в асимптотической устойчивости функционирования трибосопряжений при динамических воздействиях, что дает возможность повысить их эксплуатационные показатели.

5. Разработаны и реализованы в условиях эксплуатации изделий методы создания трибосопряжений, функционирующие в режиме динамической адаптации, и методы управления динамической адаптацией.

6. Предложены и реализованы методы подбора триботехнических материалов, позволяющие достичь эффекта наноструктурной самоорганизации в трибосопряжениях и, тем самым, получить режимы их функционирования в состоянии асимптотической устойчивости. Сформулированы предложения по конструкционным и смазочным материалам, использующим перечисленные эффекты, в том числе, технологические инструкции по реализации данных эффектов.

7. Получены практические эффекты повышения эксплуатационных свойств ряда изделий машиностроения, в том числе, двигателей внутреннего сгорания, выразившиеся в увеличении давления сгорания и уменьшении расхода топлива, и для металлорежущих станков – в уменьшении биений и повышении точности позиционирования.

8. Достижение свойства динамической адаптации получено путем варьирования сочетаний триботехнических материалов и целенаправленным подбором состава смазочного материала для сопряжений с заданным составом конструкционных материалов.

9. Возникающий при достижении динамической адаптации процесс самоорганизующегося наноструктурного пленкообразования позволяет не только повысить асимптотическую устойчивость к истиранию и заеданию, но и достигнуть компенсации возникшего ранее изнашивания, а также демпфирования вибраций.

ОСНОВНЫЕ МАТЕРИАЛЫ ДИССЕРТАЦИИ

ОПУБЛИКОВАНЫ В СЛЕДУЮЩИХ РАБОТАХ

  1. Поляков С.А. Самоорганизация при трении и эффект безызносности. Монография. М.: Изд-во РГАУ-МСХА.2009. 108с.
  2. Поляков С.А., Поляков А.А. Обоснование метода подбора сочетаний триботехнических материалов при использовании избирательного переноса. Трение и износ. 1983. Т. 4. № 1. - С.121-131.
  3. Поляков С.А. К оценке интенсивности изнашивания при избирательном переносе. Вестник машиностроения. 1983. N 4. - С.41-43.
  4. Карасик И.И., Поляков С.А. Масштабный фактор и возможности моделирующих испытаний на существующих машинах трения. Трение и износ. 1983. Т. 4. № 4. - С.671-675.
  5. Polyakov S.A. Assessment of wear rates in conditions of selective transfer. Soviet Engineering Research, 1983, vol. 3, N 4, April. p.35 – 37.
  6. ГОСТ 23.215–84. «Обеспечение износостойкости изделий. Экспериментальная оценка прирабатываемости материалов». Буше Н.А., Карасик И.И., Поляков С.А. и др. М.: Изд-во стандартов, 1984. 16 с.
  7. ГОСТ 23.222–84. «Обеспечение износостойкости изделий. Метод оценки фрикционной совместимости наплавочных материалов для восстановления деталей». Буше Н.А., Карасик И.И., Поляков С.А. и др. М.: Изд-во стандартов, 1985. 6 с.
  8. Бурумкулов Ф. X., Поляков С. А. Долговечность прирабатываемых восстановленных сопряжений. В кн. «Обеспечение надежности отремонтированной сельскохозяйственной техники». Саранск, Издательство Мордовского университета. 1985. - С.27-33.
  9. Поляков С. А., Рыбакова Л.М. Диффузионно-дислокационный механизм снижения износа при избирательном переносе. Трение и износ. 1985. Т. 6. № 5. - С.908-915.
  10. Обеспечение износостойкости изделий. Метод оценки безотказности и долговечности восстановленных деталей по результатам стендовых износных испытаний. Методические рекомендации МР 151-85. М. ВНИИНМАШ. 1985, 53с. Бурумкулов Ф.Х., Ломоносов Ю.Н., Поляков С.А. и др.
  11. Поляков С.А. Проблема оптимальной реализации явления избирательного переноса при подборе триботехнических материалов. В кн. Долговечность трущихся деталей машин. М. Машиностроение. 1985. Вып.1. - С.74-82.
  12. Рыбакова Л.М., Поляков С.А., Осин А.М. Триботехнические характеристики сопряжения вал – вкладыш и релаксационная способность материалов. Вестник машиностроения. 1986. N 9. - С.26-29.
  13. Метод экспериментальной оценки коэффициента трения и интенсивности изнашивания трибосопряжения на основе моделирования эксплуатационных условий. Методические рекомендации МР 171-85. М. ВНИИНМАШ. 1985, 32с. Браун Э.Д., Карасик И.И., Поляков С.А. и др.
  14. РД 70.0009.006-86. Указания по методам ускоренных испытаний восстановленных деталей для основных марок тракторов, комбайнов и других машин. М. 1986, 48с. Бурумкулов Ф.Х., Давыдов Б.П., Поляков С.А. и др.
  15. Бурумкулов Ф.Х., Осин А. М., Поляков С.А., Хотенко А.А. Способ ориентации деталей для выполнения профилограмм при испытаниях на износостойкость. А. с. № 1335850. Бюллетень изобретений и открытий № 33 от 7.09.87.
  16. ГОСТ 23.224–86. «Обеспечение износостойкости изделий. Метод оценки износостойкости восстановленных деталей». Бурумкулов Ф.Х., Карасик И.И., Поляков С.А. и др. М.: Изд-во стандартов, 1986. 28 с.
  17. Бурумкулов Ф.Х., Осин А.М., Поляков С.А. Способ ускоренных испытаний пар трения скольжения в смазочной среде. А.с.№ 1401348. Бюллетень изобретений и открытий № 33 от 7.09.87.
  18. Мадаминов Б.А., Поляков С. А., Бурумкулов Ф. X., Андреева А.Г. Механизм водородного изнашивания торцовых уплотнений водяных насосов автотракторных двигателей. Трение и износ. 1987. №5, - С.879-887.
  19. Бурумкулов Ф. X., Поляков С. А. , Осин А.М. Оценка триботехнической работоспособности соединений восстановленных деталей при ускоренных испытаниях. В кн. Стандартизация методов контроля триботехнических показателей качества. М., ВНИИНМАШ. 1987.– С.54-63.
  20. Поляков С.А. Теоретический анализ основных механизмов эволюции трибосистем при избирательном переносе. В кн.  Долговечность трущихся деталей машин. М. Машиностроение. 1988. Вып. 3. - С.3-27.
  21. Поляков С.А., Ковалевский Е.А., Клименов В.А. Исследование триботехнических свойств износостойких покрытий. В кн. «Физико-химические исследования новых конструкционных материалов». Сборник трудов Томского ИФПМ. Томск. Издание Томского филиала СО АН СССР. 1988. - С.69-76.
  22. Поляков А.А., Толоконников В.И., Поляков С.А., Рыбакова Л.М., Куксенова Л.И., Сачек Б.Я. Способ подбора смазок для антифрикционных пар трения, работающих в режиме избирательного переноса. А.с. № 1469309, Б.И. №12, 1989.
  23. Куксенова Л.И., Поляков С.А., Рыбакова Л.М. Хемомеханический эффект в контактирующих микрообъемах триботехнических материалов при избирательном переносе. В кн. Безызносность. Меж-вуз. сб. науч. трудов.  Ростов на Дону. 1990. - С.42-45.
  24. Поляков С.А., Хазов С.П. Нанотехника в трибологии. Нанотехника. 2006. N 1. - С.42-51.
  25.   Поляков С.А. К проблеме обоснования выбора триботехнических материалов в аспекте синергетики. Трение и смазка в машинах и механизмах. 2006. №2. - С.10-17.
  26. Поляков С.А., Куксенова Л.И. Механизмы деформации приповерхностных слоев металлов и возможность возникновения самоорганизации в этих процессах. Проблемы машиностроения и надежности машин. 2006. №4. - С.51-61.
  27. Поляков С.А. О механизме диссипативного фазового перехода при трении и деформации. Трение и смазка в машинах и механизмах. 2006. №5. - С.8-17.
  28. Поляков С.А. О взаимосвязи явлений самоорганизации и безызносности при трении. Трение и износ. 2006. Т. 27, №5. - С.558-566.
  29. Поляков С.А., Хазов С.П. Присадка к моторному маслу для восстановления изношенных поверхностей на основе формирования наноструктурных самоорганизующихся пленок. Сб. трудов Международной конференции «Актуальные проблемы трибологии» (Самара, 2007), т.3. - С.475-477.
  30. Поляков С.А. Самоорганизация как основа безызносности при трении. Ремонт. Восстановление. Модернизация. 2007, №5. - С.558-566.
  31. Поляков С.А., Хазов С.П. О механизмах взаимодействия нанодисперсных частиц серпентина с жидким углеводородным смазочным материалом в начальный период трения. Нанотехника. 2007. № 3 (11). - С.98-105.
  32. Поляков С.А., Хазов С.П. Разработка составов для формирования самоорганизующихся «интеллектуальных» наноструктурных пленок на изношенных поверхностях узлов трения. Труды международной научно-практической конференции «Нанотехнологии - производству 2007». - С.172-177.
  33. Поляков С.А., Куксенова Л.И. Формирование противозадирных свойств материалов при динамической адаптации их приповерхностных слоев к условиям эксплуатации. Трение и износ. 2008. Т. 29, №3. С.275-284.
  34. Поляков С.А., Куксенова Л.И. Проблемы динамической адаптации трибосистем к условиям  эксплуатации на основе их наноструктурной самоорганизации. Проблемы машиностроения и надежности машин. 2008. №5. - С.80-90.
  35. Поляков С.А. Хазов С.П. Оценка реновационных и адаптивно-динамических свойств смазочных масел и присадок к ним. Ремонт. Восстановление. Модернизация. 2008. , №7. - С.2-8.
  36. Поляков С.А., Хазов С.П., Соколов И.В., Зайцева К.В.  Разработка нанодисперсных противоизносных составов для повышения динамической адаптации и эксплуатационных показателей дизель-генераторных установок. Нанотехника. 2008. N 4(16). - С.50-56.
  37. Поляков С.А., Хазов С.П. Способ получения и состав смазочной композиции для формирования противоизносных и антифрикционных свойств приповерхностных слоев трущихся деталей. Патент № 2 351 640. Опубликовано БИПМ № 10 от 10.04.2009.
  38. Поляков С.А. Нанотехнологические методы создания трибосопряжений, способных динамически адаптироваться к условиям  эксплуатации. Нанотехника. 2009. N 4(20). - С.81-86.
  39. Поляков С.А., Бурумкулов Ф.Х., Куксенова Л.И. Оценка работоспособности трибосистем на основе экстремальных показателей их динамической адаптации. Трение и смазка в машинах и механизмах. 2009. №10. - С.12-17.
  40. Поляков С.А. Разработка и применение наномодифицированных противоизносных составов для повышения эксплуатационных показателей оборудования. Сборник научных трудов 10-ой юбилейной специализированной выставки «Изделия и технологии двойного назначения. Диверсификация ОПК» 2009 года на ВВЦ. Научно-производственный семинар «Нанотехнологии в промышленности» под руков. акад . РАЕН Ананяна М.А. и акад. РАН Третьякова Ю.Д., с.1-5. (Е:\2tech\11.html).
  41. Поляков С.А. Самоорганизация при трении и проблемы динамической адаптации трибосистем к условиям эксплуатации. В кн. Информатика и технология. Межвузовский сборник: Материалы научно-технической конференции МГУПИ. Выпуск ХV / Под ред. к.т.н., доц. Белова, д.т.н., проф. Ерохина Б.Т. М.: МГУПИ, 2009. - С.40-49.
  42. Поляков С.А., Фильков М.Н., Кравчук П. А. Разработка нанодисперсных противоизносных составов для повышения эксплуатационных показателей дизель-генераторных установок и станочного оборудования. Тяжелое машиностроение. 2010, №3. - С.22-26.
  43. Поляков С.А. О методах синтезирования моделей трибосистем, способных динамически адаптироваться к условиям эксплуатации. Трение и износ. 2010. Т. 31, №2. - С.183-194.
  44. Поляков С.А. Проблемы динамической адаптации трибосистем к условиям эксплуатации на основе их наноструктурной самоорганизации. Ремонт. Восстановление. Модернизация. 2010, №1. - С.20-25.





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

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.