METHODS AND MEANS OF IMPROVING RESOURCE OF THE TRIBOCOUPLING

УДК

621.891

Н

.

Г

.

МАКАРЕНКО

(

ГУП

Центр

внедрения

новой

техники

и

технологий

«

ТРАНСПОРТ

»

МПС

,

Омск

,

Российская

Федерация

)

МЕТОДЫ И СРЕДСТВА ПОВЫШЕНИЯ РЕСУРСА

ТРИБОСОПРЯЖЕНИЙ

Розглянутоможливістьпідвищенняресурсудеталейтрибосистеммашинтамеханізмівметодомавтоко -мпенсаціїзносуз використанняменергії зовнішнього джереладля створеннята переносувзону контакту відновлюючогоматеріалу.

Рассмотренавозможностьповышенияресурсадеталейтрибосистеммашинимеханизмовметодомавто -компенсацииизносасиспользованиемэнергиивнешнегоисточникадляобразованияипереносавзонукон -тактавосстанавливающегоматериала.

The opportunity of increasing the resource of parts of tribosystems of machines and mechanisms by the method of wear autocompensation with the use of external energy source for formation and transfer of recovering material to the contact zone is considered.

Введение

Повышение надежности и снижение экс

-плуатационных затрат машин и механизмов является одной из основных проблем триболо

-гии. В настоящее время существует большое количество методов повышения долговечности деталей, вкаждомизкоторых заложеныпотен

-циальные возможности. Однако реализация их непозволяетдостичьтребуемыхрезультатовпо увеличению ресурса и имеет недостаточно вы

-сокиепоказателиэффективности.

Известно, что работа каждой трибосистемы сопровождается потерей массы трущихся эле

-ментов. Интенсивность этого процесса изменя

-етсяво времении, как правило, характеризует

-сятремяпериодами: I период – приработка (на

-чальное изнашивание), характеризуется пере

-менной высокой интенсивностью; II период –

установившееся изнашивание, характеризуется практически постоянной и невысокой интен

-сивностью процесса; III период – периодуско

-ренного, недопустимого изнашивания с высо

-койивозрастающейинтенсивностьюпроцесса.

Анализсовременныхдостижений триботех

-нологии и трибоматериаловедения показывает,

что, как правило, известные способы повыше

-ния долговечности направленына уменьшение скорости изнашивания, т.е. увеличение про

-должительностиработы сопряжениядонаступ

-лениятретьего периода – недопустимогоуско

-ренногоизнашивания. Втожевремя, возможен принципиальноинойподходкуправлениютри

-босистемами, основанный на использовании принципов автоматического регулирования и управлениятехническимисистемами, какпока

-зановработах [1, 2]. Вэтомслучаереализуется принцип управления по отклонению регули

-руемого параметра, каковым является в трибо

-системе сила трения или температура. Такая система (трибосистема) автоматического регу

-лированияпри изменениивопределенномдиа

-пазоне внешних энергетических возмущений способна работать в устойчивом автоколеба

-тельном режиме. Она поддерживает регули

-руемый параметр на установившемся мини

-мальном режиме за счет сохранения и воспро

-изводствадинамическихтрибоструктур [2].

Постановказадачи

Обоснование и разработка трибосистемы с автокомпенсацией износа трущихся поверхно

-стей за счет автоматического управления про

-цессом трения и изнашивания по отклонению регулируемогопараметра.

Методыиспытаний

Структурная схема трибосистемы с исполь

-зованием принципа автокомпенсации износа представлена нарис. 1. На входетрибосистема воспринимает внешнее воздействие в виде на

-грузки p искоростискольжения V притемпе

-ратуре T. Подихвлияниеммеждуэлементами трибосистемы A и B возникают внутреннее напряжение δ идеформация ε. Онивызывают износ трущихся поверхностей, что приводит к изменению показателей функционирования трибосистемы, например: давление, шум, виб

-рация, изменение температуры ∆T . Этот сиг

-етсявэлектрическийсигнал d_i обратнойсвязи.

В элементе E этот сигнал преобразуется в управляющий ток ∆J , подаваемый на диэлек

-трическиизолированный элемент M . Элемент M выполняетсяизантифрикционногометалла,

способногопод действием электрическоготока втокопроводящейсреде выделятьионы метал

-ла, которые транспортируются в зону трения

междуэлементами A и B иосаждаютсянаних в виде атомов металла. Осаждение металла улучшает условия трения, обеспечивая более равномерное распределение контактного дав

-ленияи внутренних напряжений, что приводит к снижению деформации и температуры по

-верхностного слоя, а также к восстановлению изнашиваемыхповерхностей.

P

V A

E

M

d ε T i ∆ ∆

,δ

Рис. 1. Структурнаясхематрибосистемысавтокомпенсациейизноса

Электролитическоеосаждение металлов ос

-новано на явлении электролиза, т.е. окисли

-тельно-восстановительных процессах, проис

-ходящих в электролите и на электродах при прохождении через электролит постоянного тока. Восстановление поверхности этимспосо

-бом наращивания не вызывает структурные изменения в деталях, позволяет устранять не

-значительные износы. Процесс восстановления легко поддается механизации иавтоматизации.

Количественная сторона процесса электролиза описывается известными законами Фарадея [3, 4].

Скорость осаждения ионов металла на тру

-щиеся поверхности трибосистемы зависит от многихфакторов: плотноститока, свойствжид

-кости, материала анода и деталей, концентра

-ции ионов металла в жидкости и т.д. Управле

-ние интенсивностью процесса осаждения ме

-талла возможно путем регулирования плотно

-ститока иконцентрации ионовметаллав жид

-кости. Для этого используются параметры электрического поля, создаваемого в смазы

-вающейсреде.

Принцип работы предлагаемой системы ос

-нован на притяжении ионизированных частиц металла в смазочном масле к электродам,

имеющимпротивоположнуюполярность.

При этом, чем выше напряженность элек

-трического поля, тем выше будет интенсив

-ность процесса насыщения смазки ионами ме

-талла.

Максимальная напряженность электриче

-ского поля ограничивается характеристикой диэлектрических свойствжидкости инеможет превышать 90...95 % напряжения пробоя. Раз

-ность потенциалов, необходимая для эффек

-тивного протекания процесса электролиза,

складывается из потенциала разложения элек

-тролита, концентрационной поляризации, пе

-ренапряжения и омического падения напряже

-ния [4].

Основнойпроблемойприреализации разра

-батываемой трибосистемы является то, что в подавляющем большинстве современных ма

-шин и механизмах используют масла с высо

-ким электрическим сопротивлением. Поэтому наиболее приемлемой, простойи эффективный путь реализации принципа автокомпенсации и минимизации износа заключается в разработке трибосистем, где вкачествесмазки применяет

-ся кислота, щелочь, морская вода, синтетиче

-ские масла, обладающие хорошей токопрово

-димостью [5].

Задача создания трибосистем с управляе

-мым ресурсомявляется, сматематической точ

-ки зрения, типичной задачей теорииоптималь

-ного управления, при заданных ограничениях.

зонетрения, предельные зазоры всопряжении,

скоростьизнашиванияит.п.

Предлагаемая структура трибосистемы при ее разработке позволяет управлять кинетиче

-скимизависимостямиизносадеталейизазорав сопряжении (рис. 2) с учетом вышеназванных ограничений. Так, путем выбора материала и конструктивных параметров элемента M (рис. 1), а также величины напряжения источ

-ника E, можнополучить трибосистемускине

-тическими зависимостями износа типа S−S₁,

2 S

S− , S−S₃ и N−N₁, N −N₂, N−N₃ или другоепромежуточноесочетаниекинетических зависимостей износа охватывающей и охваты

-ваемойдеталейтрибосистемы.

Рис. 2. Кинетическиезависимостиизноса деталейизазоров, реализуемыев трибосистемахсавтокомпенсациейизноса:

τ – времяработы; S−S1 – размерыохватываемой деталистабильны; S−S2 – размерыохватываемойдетали

уменьшаются; S−S3 – размерыохватываемойдетали увеличиваются; N−N1 – размерыохватывающейдетали

стабильны; N−N2 – размерыохватывающейдетали уменьшаются; N−N3 – размерыохватывающейдетали

увеличиваются

Результатыэксперимента

иихобсуждение

Практическая реализация изложенного спо

-собапоказана нарис. 3, примереторцовогоуп

-лотнения с закрытым контуром циркуляции затворнойжидкости [6].

Система состоит из бачка с затворной жид

-костью, системы трубопроводов, измерителя давления, встроенного насоса для циркуляции жидкости, источника тока, регулятора тока,

растворяемой вставки – анода. В качестве за

-творной жидкости может применяться вода.

Однако, применение комбинированных смесей на основе полиэтиленгликолей, воды и глице

-рина, например, жидкость ПГВ (ТУ 6-02-762-78), позволяет при хороших охлаждающих свойствах повысить смазывающие свойства,

т.е. уменьшить потери мощности на трение.

Кроме того, ПГВ имеет хорошие вязкостно

-температурные характеристики и антикоррози

-онныесвойства.

Рис. 3. Схемаавтоматическоговосстановления работоспособноститорцовыхуплотнений:

1 – торцовоеуплотнение; 2 , 3 – подвижнаяи неподвижнаячаститорцовогоуплотнения;

4 – встроенныйнасос; 4 – вставка-анод

При износе торцовых уплотнений давление затворной жидкости снижается до p_м (рис. 4).

Приэтомусловиисигналсманометра MH по

-ступает на регулируемыйисточник вторичного электропитания UZ. При этом увеличивается ток, протекающийвцепи: источник UZ, встав

-ка-анод 4, рабочая жидкость, торцовое уплот

-нение, корпус. Ионы металла вставки-анода при помощи рабочей жидкости транспортиру

-ются к подвижной 2 и неподвижной 3 части торцового уплотнения 1. Контактирующие по

-верхности постоянно активируются механиче

-скимвоздействием, и на их рабочихповерхно

-стях осаждаются ионы металла. Величинатока при этом составляет 50...150 мА. Герметич

-ность уплотнения улучшается, давление повы

-шается до p_н. При этом по сигналу с датчика давления MH напряжение на выходе UZ уменьшается. Прекращаетсярастворениеанода,

График изменения давления в затворе тор

-цового уплотнения, поясняющий принцип ре

-гулирования восстановлением, показан на

рис. 4.

Рис. 4. Изменениедавлениявзатвореторцового уплотненияссистемойвосстановления

работоспособности:

p – давлениезатворнойжидкостивсистеме;

н

p – номинальноедавлениевсистеме; pм – минимальноедавление, τ – времяработы

Основные закономерности, полученные в результате проведенных экспериментов по ис

-следованию трибоэлектрохимической компен

-сации износа, представлены на рис. 5 − 8. Ин

-тенсивностьизнашиваниязависитотплотности тока, протекающего вцепи «анод – катод». Для выбранных режимов работы и пары трения,

приведенныхнарис. 5, минимальнаяинтенсив

-ностьизнашивания зафиксированапри плотно

-сти тока _{35 А/м}2_{, и при 45 % концентрации}

загустителярабочейжидкости (рис. 6).

Коэффициент трения, максимально способ

-ствующий интенсивности осаждения металла надетали, находитсявпределах 0,09...0,1.

Выводы

Анализ предлагаемой схемы трибосистемы с автокомпенсацией износа на примере торцо

-вого уплотнения нефтеперекачивающих насо

-сов показывает возможность существенного снижения интенсивности изнашивания и уве

-личенияресурсауплотненийиуплотнительных комплексовсложныхтехнических систем. Дол

-говечность деталей трибосистемы в этом слу

-чаеопределяетсяне износом, а другимифакто

-рами: неточности в сборке, механические по

-вреждения, усталостнаяпрочность.

Рис. 5. Зависимостьсуммарнойинтенсивности изнашиванияотплотноститока (паратрения: сталь 45 – БрОСЦ-5-5; N = 1600 H; V =2,1 м/с)

30 40 ₆₀

C 9 x10 -11

J

%

8 x10 -11

7 x10 -11

6 x10 -11

Рис. 6. Зависимостьсуммарнойинтенсивности изнашиванияотконцентрациизагустителя (пара

трения: сталь 45 – БрОСЦ-5-5; N = 1600 H; 2,1 м/с

V = )

Обозначения

p – давление затворной жидкости в систе

-ме; p_н – номинальное давление в системе;

м

p – минимальноедавление, определяемоепо

-рогом срабатывания датчика давления; τ –

время работы, S−S₁ – размеры охватываемой детали стабильны; S−S₂ – размеры охваты

-ваемойдетали уменьшаются; S−S₃ – размеры охватываемойдеталиувеличиваются; N−N₁ –

размеры охватывающей детали стабильны;

2 N

уменьшаются; N−N₃ – размеры охватываю

-щейдеталиувеличиваются.

Рис. 7. Зависимостьинтенсивностиэлектрохимическогоосажденияметалла надеталиоткоэффициентатрения:

1, 3 , 4 – катодсталь 45 , анод – соответственно, цинк, медь, алюминий; 2 – катодианодмедь.

Плотностьтокавзятапристабильномосажденииметаллов

Рис. 8. Изменениемикротвердостиосажденныхнатрущиесяповерхности металловвзависимостиотплотноститока:

1 – цинк; 2 – медь; 3 – алюминий / коэффициенттрения µ =0, 07; давление Р=8,92 МПа;

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙСПИСОК

1. ВивденкоЮ. Н. Управлениересурсомтрибоси -стем / Ю. Н. Вивденко, Н. Г. Макаренко, С. А. Резин // Материалы II Межд. технолог. конгресса «Военная техника, вооружение и технологии двойного применения в ХХI веке». Материалы науч.-техн. конф. «Развитие обо -ронно-промышленного комплексанасовремен -ном этапе» (г. Омск, 4-6 июня 2003 г.). – Часть 1. – Омск: Госуниверситет, 2003. – 197 с. – С. 106-107.

2. МакаренкоН. Пат. 2084863 Россия, МПК G 01 N 3/56. Способстабилизациисостояния трибо -системы / Н. Макаренко, И. Кравец. –

№ 5055436/28; Заявлено 20.07.92; Опубл. 20.07.97. – Бюл. № 20, Приоритет 20.07.92. 3. Справочник по электрохимии / Под ред.

А. М. Сухотина. – Л.: Химия, 1981. – С. 20. 4. Добош Д. Электрохимические константы:

Справ. дляэлектрохимиков. – М.: Мир, 1980. – С. 25.

5. КравецИ. А. Управляемыйсинтезэнергии. – Х.: Изд-воХГАДТУ, 2001. – 300 с.

6. Кондаков Л. А. Уплотнения и уплотнительная техника: Справ. / Л. А. Кондаков, А. И. Голу -бев, В. Б. Овандер и др.; Под общ. ред. А. И. Голубева, Л. А. Кондакова. – М.: Маши -ностроение, 1986. – 464 с.