СПОСОБ МИНИМИЗАЦИИ ИЗНОСА ТРИБОКОНТАКТА Российский патент 1998 года по МПК F16C17/00 

Изобретение относится к машиностроению и может быть использовано для тяжелонагруженных пар трения.

Существует несколько способов минимизации трения и износа. Известно полное разделение трущихся поверхностей слоем смазки, т.е. создание режима жидкостного трения [1]. Недостатком этого способа является сложность и высокая точность конструкции подшипников и сравнительно узкая область практического использования (t ≤ 80^oC) таких подшипников.

Другим способом минимизации износа является создание условий аномально низкого трения в трибоконтакте. Известен способ обработки некоторых полимерных материалов α-частицами [2]. Однако, этот эффект обнаружен только для полимерных материалов. Вследствие высокой стоимости способа и технологии обработки α-частицами подшипники из таких материалов практически не используются.

Наиболее близким к предлагаемому техническому решению является способ создания условий аномально низкого трения, основанный на избирательном переносе атомов некоторых металлов, в частности меди, на поверхность, подверженную изнашиванию [3]. При этом, в результате технической реакции смазки с молекулами одной из поверхностей трибоконтакта образуется сервовидная пленка, из которой и происходит высаживание меди на поверхность контакта, и тем самым минимизируется износ поверхности контакта. Однако в литературе описан избирательный перенос атомов только для меди. Кроме того, сервовидная пленка может образовываться в парах трения только при определенных интервалах скольжения и температур, а именно при скоростях скольжения менее 6 м/с и температурах, не превышающих 80^oC [4]. Протекание избирательного переноса возможно только при смазке, содержащей соединения меди, обеспечивающей миграцию атомов меди на поверхность меди.

Предлагаемое изобретение позволяет достичь минимизации износа трибоконтакта, расширив область температурного, скоростного и нагрузочного интервалов работы пары трения, и возможность работы в некоторых случаях без антифрикционных смазок.

Сущность способа минимизации износа по изобретению заключается в том, что пограничный слой с заданными свойствами, в котором локализуются повреждения от микродеформаций и который имеет способность к регенерации, т.е. к самозалечиванию, в процессе работы трибоконтакта создают следующим образом. На одну из поверхностей контакта наносят покрытие, активируют пограничный слой трибоконтакта каким-либо воздействием, тем самым получают необходимые условия динамического равновесия в нем, т.е. условия залечивания микроповреждений и управляют скоростью процесса залечивания этих повреждений путем дополнительных внешних воздействий, соблюдая условия
0 ≤ ψ ≤ 1 ,
где
ψ - поврежденность,
ψ = ψ^*= const ,
где
ψ^* - начальная поврежденность поверхности трения.

Это условие описывается формулой

где
ψ_i определяется решением дифференциального уравнения

где
ψ_i и ψ(t_n) - коэффициенты, характеризующие поверхность на i-ом цикле пластической деформации в пограничном слое контакта и накопленную за n циклов;
a_i,β - коэффициенты, характеризующие напряженное состояние в пограничном слое и скорость залечивания повреждений;
H(t) и Λ(t) - интенсивность скоростей деформации и ресурс пластичности.

Если в любой момент времени

то ψ_i= 0 и ψ(t_n) = Const.

Первое слагаемое в формуле (2) учитывает скорость нарастания повреждений за счет пластической деформации пограничного слоя, второе - скорость залечивания их за счет диффузионных процессов. Поскольку определяющие величины β и Λ_p для каждого материала свои и зависят от внешней активации, в частности от температуры в пограничном слое, то можно подобрать для заданной правой части уравнения материал подшипника или покрытия и температуру с требуемыми значениями β и Λ_p , чтобы удовлетворялось условие (3). Предельным случаем равновесия накопления повреждений и их залечивания является наше техническое решение [5], подтвержденное экспериментально.

Пример. В подшипниковой опоре трехшарошечного долота был реализован радиальный подшипник скольжения с плавающей втулкой, т.е. относительное смещение осуществлялось по двум цилиндрическим поверхностям кольца. Диаметры кольца: наружный 62 мм, внутренний 52 мм; ширина кольца 11 мм, радиальная нагрузка - 4 • 10⁴H.

На кольцо предварительно наносилось двойное антифрикционное покрытие: медный слой, поверх него - легкоплавкая композиция на основе цветных металлов, обладающих высокой пластичностью и высокой скоростью рекристаллизации при температурах порядка 180^oC. Долото нагружали осевой нагрузкой до достижения радиальной нагрузки на подшипник 4 • 10⁴H и вращали буровую колонку.

Активация осуществлялась за счет повышения температуры нанесенного покрытия. При этом охлаждение подшипника не производилось. Тем самым в пограничном слое контакта создавались условия динамического равновесия между возникновением повреждений и их залечиванием.

Далее для управления скоростью процесса залечивания повреждений управляли скоростью теплоотвода от подшипника путем изменения расхода охлаждающей жидкости.

После выработки ресурса долота и разрушения зубьев шарошки, опоры долота разбирались и оценивалось состояние подшипников. На опытных кольцах изменения размеров вследствие износа поверхностей трибоконтакта обнаружено не было, хотя условия работы трибоконтакта были настолько тяжелыми, что произошла пластическая деформация материала основы кольца.

Источники информации.

1. Колмогоров В.Л., Курилов А.М., Харламов В.В., Модель трения и износа тяжелонагруженной пары скольжения. Препринт. Свердловск: УрО АН СССР, 1991.

2. Гаркунов Д.Н. Триботехника. -М.: Машиностроение, 1989.

3. Эффект безызносности - новый этап в повышении износостойкости деталей / Геркунов Д.Н.// Вестник машиностроения. 1983. N 4. -c. 36-41.

4. Хайнике Г. Трибохимия, -М.: Мир, 1987.

5. Авторское свидетельство СССР N 1784773, кл. F 16 C 33/10, Подшипниковый узел скольжения / В.В.Харламов, В.Л.Колмогоров, С.В.Павлышко и др. (СССР) -4919407/27; Заяв. 14.03.91.

Способ минимизации износа трибоконтакта предназначен для тяжелонагруженных пар трения в машиностроении. Пограничный слой трибоконтакта с заданными свойствами, имеющий способность к самозалечиванию микродеформаций, создают нанося на одну из поверхностей контакта антифрикционное покрытие. Активируя это покрытие и весь пограничный слой трибоконтакта каким-либо воздействием, получая тем самым условия динамического равновесия, управляя скоростью процесса залечивания повреждений путем дополнительных внешних воздействий, достигают минимизацию износа трибоконтакта, расширив области температурного, скоростного и нагрузочного интервалов работы пары трения.

Способ минимизации износа трибоконтакта, заключающийся в создании пограничного слоя на поверхностях трения с заданными свойствами, в котором локализуются повреждения от микродеформаций, имеющего способность к залечиванию в процессе работы трибоконтакта, отличающийся тем, что на одну из поверхностей контакта наносят покрытие, активируют пограничный слой трибоконтакта, получают условия динамического равновесия в нем и управляют скоростью процесса залечивания повреждений путем дополнительных внешний воздействий.