Повышение эксплуатационных характеристик бытовых машин путем интенсификации процессов смазки трибосопряжений
На правах рукописи
ДОЛГОПОЛОВ КИРИЛЛ НИКОЛАЕВИЧ
ПОВЫШЕНИЕ ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ ХАРАКТЕРИСТИК БЫТОВЫХ МАШИН ПУТЕМ ИНТЕНСИФИКАЦИИ ПРОЦЕССОВ СМАЗКИ ТРИБОСОПРЯЖЕНИЙ
Специальность 05.02.13 - Машины, агрегаты и процессы
(коммунальное хозяйство и сфера услуг)
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук
Шахты 2009
Работа выполнена в Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Южно-Российский государственный университет экономики и сервиса» (ГОУ ВПО ЮРГУЭС) на кафедре «Машины и аппараты бытового назначения»
Научный руководитель кандидат технических наук, доцент
Кожемяченко Александр Васильевич
Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор Адигамов Касьян Абдурахманович
кандидат технических наук, профессор
Романович Жорж Александрович
Ведущая организация Научно-производственное и коммерческое
ООО «Дон-Инвек», г. Ростов-на-Дону
Защита состоится 27 ноября 2009г. в 1230 часов на заседании диссертационного совета Д 212.313.01 при ГОУ ВПО «Южно-Российский государственный университет экономики и сервиса» по адресу 346500, г.Шахты, ул. Шевченко, 147, ауд. №2247.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке «Южно-Российского государственного университета экономики и сервиса».
Текст автореферата размещен на сайте ГОУ ВПО ЮРГУЭС: http//www.sssu.ru
Автореферат разослан «___» октября 2009 г.
Ученый секретарь
диссертационного совета Д 212.313.01 Куренова С.В.
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность темы. Бытовые машины и приборы являются с учетом широкой номенклатуры выпускаемых изделий и постоянного роста объема их выпуска самым распространенным и в последнее время обязательным атрибутом населения Российской Федерации.
Анализ проблем эксплуатации бытовых машин (Гаркунов Д.Н., Прокопенко А.К., Посеренин С.П., Лепаев Д.А. и др.) установил, что причины выхода из строя данных машин в 80% случаев связаны с недостаточной надежностью узлов трения, входящих в их конструкцию. Число обращений в сервисные службы по ремонту и обслуживанию бытовой техники за первый год эксплуатации колеблется по различным ее видам от 4 до 30%. Затраты на ремонт и техническое обслуживание таких машин оказываются соизмеримыми, а иногда и превышающими стоимость последних.
Одним из путей решения проблемы повышения эффективности эксплуатации бытовых машин является создание на трущихся поверхностях их функциональных узлов третьих тел, прочно удерживающихся на них и определяющих оптимальные характеристики фрикционного процесса.
Формированию третьих тел предшествует переход вещества трибосопряжения в особое малоизученное сверхвозбужденное состояние – трибоплазму. Крупнейшие трибологи современности Хайнике Г., Эбелинг В., Белый В.А., Гаркунов Д.Н., Костецкий Б.И., указывали на первоочередную необходимость исследования трибохимических процессов с позиций плазмохимических превращений вещества и каталитического влияния на них со стороны физических полей.
В настоящей работе с целью повышения эффективности эксплуатации бытовых машин представляется актуальным разработать комплекс физических способов воздействия на процесс формирования третьих тел на контактирующих поверхностях узлов трения данных машин. Предлагаемый способ основывается на современных представлениях трибохимии фрикционного контакта, физико-химических аспектах возникновения третьих тел с позиций перехода вещества трибосопряжения в особое сверхвозбужденное состояние – трибоплазму и последующих плазмохимических превращений вещества в зоне трения, протекающих при релаксации плазменных процессов, а также влияния физических полей на данные процессы.
Актуальность и перспективность настоящей работы представляется бесспорной как с точки зрения установления и объяснения новых научных фактов, так и решения задач прикладного характера, касающихся повышения эффективности эксплуатации бытовых машин. Последнее, учитывая широкий парк бытовой техники, количество сервисных служб, материально-технические затраты на проведение ремонтных работ и социокультурные аспекты ее (техники) эксплуатации, имеет в масштабах страны огромное социальное и экономическое значение.
Цель и задачи исследований. Целью настоящей работы является разработка универсального способа повышения эффективности эксплуатации бытовых машин посредством управления фрикционными характеристиками их трибосопряжений с использованием электромагнитных полей.
Для достижения поставленной цели были сформулированы и решены следующие задачи:
1. Разработать на основании данных об особенностях процессов массопереноса и динамики изменения структуры поверхностных слоев трибосопряжений феноменологическую модель плазменных и постплазменных состояний вещества.
2. Выбрать комплекс аналитических методов физико-химического исследования поверхностных слоев узлов трения бытовых машин, позволяющих достоверно дополнить решение предыдущей задачи.
3. Описать характер воздействия внешних электромагнитных полей на плазменные и постплазменные процессы в области фрикционного контакта машин бытового назначения, а также изучить это влияние на формирование третьих тел.
4. Исследовать структурные особенности смазочных слоев, возникающих в различных узлах трения бытовых машин, выявить их основные закономерности.
5. Разработать, на основании полученных результатов, универсальный способ управления фрикционными процессами, протекающими в узлах трения бытовых машин, а также антифрикционные добавки к материалам триботехнического назначения.
Объект и предмет исследования. В настоящей работе объектом исследования являются узлы трения бытовых машин. Предметом исследований является процесс формирования структуры смазочных слоев в подвижных сопряжениях машин бытового назначения под влиянием внешних электромагнитных полей, а также создание на основе исследования данного процесса эффективных смазочных и антифрикционных полимерных материалов.
Методы исследований. Поставленные задачи решались теоретическими и экспериментальными методами.
Теоретическая часть работы основывалась на фундаментальном аппарате квантовой теории твердого тела, физики плазмы, теории массопереноса и аппарата молекулярно-кинетической теории трения. Теоретические исследования проверялись и обосновывались при помощи современных методов физического анализа поверхности твердого тела, включающих в себя: рентгеноспектральный флуоресцентный анализ (РСФА), Оже – электронную спектроскопию (ЭОС), а также комплекс электромагнитного санирования узлов трения.
Фрикционные параметры сопряжений контролировались на специально сконструированной лабораторной установке для испытания малых образцов на кафедре «Машины и аппараты бытового назначения» ГОУ ВПО ЮРГУЭС; четырехшариковой машине трения (ЧШМ) в НИИ «Физической и органической химии» ЮФУ, что обеспечило высокую достоверность полученных результатов.
Производственные испытания выполнены на предприятиях Ростовской области и Краснодарского края.
Научная новизна.
- Предложена гипотеза, основанная на предположении о трибоплазме как квазигазовом образовании, раскрывающая особенности возникновения и развития трибоплазмы, и получены аналитические выражения, описывающие кинетику плазменных и постплазменных процессов в области фрикционного контакта подвижных сопряжений бытовых машин.
- Произведена теоретическая оценка трибохимического КПД, до настоящего времени не поддающегося аналитическому описанию, а принимаемого на основании косвенных экспериментальных результатов.
- Экспериментальными исследованиями нового типа присадок к смазочным материалам – минеральных модификаторов трения, расширены представления о гетерогенной структуре третьих тел, состоящих из квазикристаллической микроподложки, обеспечивающей совместно с внешними слоями мезогенной природы принцип положительного градиента механических свойств и антифрикционных параметров, соответствующих граничному трению.
- Предложен универсальный способ управления фрикционными характеристиками узлов трения бытовых машин различного конструктивно-технологического типа, не требующий их конструктивных изменений, основанный на воздействии на плазменные и постплазменные состояния вещества со стороны внешних электромагнитных полей.
Практическая ценность и реализация результатов исследований.
- Разработан феноменологический подход к описанию трибоплазменных процессов, позволяющий раскрыть механизм протекания трибохимических реакций в начальной стадии трения, обуславливающих формирование на поверхностях трущихся тел смазочных структур.
- Разработано электронное устройство, позволяющее управлять фрикционными характеристиками трибосопряжений бытовых машин, а также других типов машин различного параметрического ряда, в частности технологического оборудования, с целью повышения его эффективности эксплуатации.
- Разработанные составы новых противоизносных присадок к смазочным материалам и антифрикционный полимерный материал, показали высокую эффективность применения в узлах трения бытовых машин, а также машин другого назначения.
Достоверность результатов, полученных в ходе выполнения работ, подтверждается:
- экспериментальными исследованиями, выполненными на лабораторных и промышленных стендах с применением современных методов измерения, анализа и обработки результатов при использовании персональных компьютеров и пакетов прикладных программ;
- использованием в качестве теоретической базы фундаментальных исследований, выполненных отечественными и зарубежными авторами по вопросам износостойкости, физико-химических основ контактного взаимодействия твердых тел, условий функционирования бытовых машин;
- положительными результатами производственных испытаний повышения эксплуатационной эффективности бытовых машин при использовании разработанных в настоящей работе материалов и устройств.
Апробация работы. Результаты диссертационных исследований были представлены на международных выставках г. Москва (ВЦ «Крокус-экспо»: Автоимпорт) в 2007-2008г; региональных выставках в г. Ростов-на-Дону (ВЦ «ВертолЭкспо»: Высокие технологии XXI века) в 2007-2008г. и г. Челябинск в 2008 г.
Итоги работы обсуждены на ежегодных межвузовских научно-технических конференциях, проводимых в ЮРГУЭС (г. Шахты 2006-2009г) и доложены на заседаниях кафедры «Машины и аппараты бытового назначения».
Результаты работы, выводы и рекомендации приняты к внедрению предприятием по ремонту и техническому обслуживанию бытовых машин ОАО «Иней» г.Сочи, а также компанией – производителем смазочных материалов ООО «НПО «Супротек»» г. Шахты.
Работа обсуждена и рекомендована к защите на расширенном заседании кафедры «Машины и аппараты бытового назначения» ГОУ ВПО ЮРГУЭС с приглашением ведущих специалистов кафедр «Прикладная механика и конструирование машин» и «Энергетика и БЖД».
Основное содержание диссертации отражено в 12 публикациях в журналах, сборниках трудов и материалах конференций (в том числе 1 в реферируемом журнале, рекомендованном ВАК), в 1 патенте РФ, 1 положительном решении о выдаче патента РФ.
Личное участие автора в получении результатов. Непосредственно автором выполнено следующее: произведен обзор публикаций и положений, существенных для разработки научной теории по тематике исследований, выбраны экспериментальные и теоретические методы исследований. Реализованы алгоритмы расчета химических констант трибохимических реакций в феноменологической модели трибоплазмы. Получены теоретические выражения, отражающие коллективное взаимодействие собственных и наведенных электромагнитных полей в трибосистеме. Обобщены и проанализированы структурные особенности существования третьих тел на примере общих закономерностей поведения минеральных модификаторов трения. Проанализированы полученные при помощи методов спектроскопии поверхности твердого тела, данные о физико-химических процессах, происходящих во фрикционном контакте, ответственных за формирование третьих тел. Проведены триботехнические испытания модельных образцов материалов, широко используемых в узлах трения бытовых машин, и новых, разработанных в ходе выполнения работы материалов.
Положения и результаты, выносимые на защиту:
1. Гипотеза квазигазового состояния трибоплазмы, основанная на диффузионно-энергетическом механизме эволюции фрикционных процессов.
2. Способ расчета основных констант трибохимических реакций, основанный на аналитическом описании постплазменного состояния вещества.
3. Представление смазочных структур как гетерогенного образования, состоящего из квазикристаллической мономолекулярной подложки, к которой в частности относятся серфинг-пленки, и наружного слоя (возможно мезогенного типа), толщина которого варьируется в широких пределах.
4. Закономерности фрикционного поведения минеральных модификаторов трения и их практическое использование для повышения эффективности эксплуатации как машин бытового назначения, так и других типов машин и механизмов.
5. Универсальный способ управления фрикционными процессами узлов трения бытовых машин с целью повышения эффективности их эксплуатации и технические средства для его реализации.
Объем и структура диссертации. Диссертация содержит 195 страниц, включающих 65 рисунков и 5 таблиц; состоит из введения, пяти глав, списка используемой литературы, содержащего 197 работ отечественных и зарубежных авторов, а также имеет приложение, включающее документы, подтверждающие актуальность работы и достоверность полученных результатов исследований, акты производственных испытаний (2 шт.), акты внедрения в производство (4 шт.), технические условия (1 шт.).
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении определена роль микромеханизмов трения в решении задач минимизации фрикционных потерь в узлах трения бытовых машин (БМ), обуславливающих повышение эксплуатационной эффективности последних, обоснована актуальность работы, сформулирована цель работы, основные положения, задачи и результаты исследований.
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 БМ[1], 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.
С перечисленных выше позиций показаны основные закономерности трения присадок к материалам триботехнического назначения, основу которых составляют продукты минерального происхождения. В частности, методом нарушенного полного внутреннего отражения (НПВО) на ИК-спектрометре Cary-100 (Varian) и атомно-силовом микроскопе (АСМ) Nanoeducator установлено, что использование серпентина при смазывании трущихся поверхностей в среде минерального масла приводит к образованию на последних отдельных «островков» сетчатой псевдокерамической пленки высотой до 600 нм (рисунок 2).
Рисунок 2. – Топография (АСМ) поверхности после обработки серпентином.
На фотографии фрагмента поверхности трения наблюдается статистически регулярная структура формируемой защитной пленки, схожая с сотовым строением: различимы участки, по контуру которых расположены выступы с шероховатостью до 0,6 мкм, внутреннее же пространство имеет шероховатость до 0,1 мкм. Периодичность повторения указанных участков до 20 мкм (ось Y)[2]. В общем случае поверхность трения при использовании минеральных модификаторов имеет вид «медовых сот».
Подобная пленка придает узлу трения низкий коэффициент трения и повышенную износостойкость.
Расшифровкой ИК-спектра установлено, что основную массу пленки на поверхности псевдокерамического слоя составляют минеральное масло и трибополимер, полученный его окислением и радикальной трибополимеризацией. Трибополимер имеет вид сетки нерегулярной структуры, перешитой избытком радикальных фрагментов и пропитанный смазочной средой.
Приведены результаты оптимизации и экспериментальной проверки разработанного состава смазочной композиции на основе минеральных модификаторов трения и пластичного смазочного материала УС-3, широко используемого для смазывания подшипниковых опор БМ, в частности стиральных машин; а также антифрикционного самосмазывающегося полимерного материала, хорошо проявившего себя при замене бронзо-графитовых втулок в стиральных машинах активаторного типа.
В резюме к данному разделу отмечается, что при обработке минеральным модификатором узлов трения во фрикционном контакте формируется двухуровневое третье тело, имеющее, в силу специфики своего образования, ячеистое строение – слой мезогенного характера, хорошо сорбирующий смазочный материал с его последующей трибополимеризацией, продукт которой удерживается на поверхности ячеистой подложки сильными ковалентными связями, создавая мультимолекулярную высокоориентированную квазикристаллическую пленку (подобие серфинг-структур). Трибополимер локализует деформационную составляющую силы трения, а псевдокерамический слой обуславливает высокие противоизносные свойства изучаемых композиций.
В заключение главы, зафиксирована особенность функционирования трибосистем, к которым, в частности относятся узлы трения БМ, состоящая в том, что даже при использовании природных минералов в качестве присадок к смазочным материалам, прослеживается единый механизм антифрикционности, сводящийся к образованию многослойного третьего тела, один из слоев которого слагает мономолекулярный высокоориентированный жидкокристаллический слой со структурой близкой к серфинг-структуре.
Пятая глава посвящена апробации результатов диссертационных исследований, заключающихся в практическом использовании развитых положений относительно особенности каталитического влияния на реакционный объем трибохимического синтеза смазочных структур в подвижных сопряжениях БМ, в контексте модели плазменных и постплазменных процессов, со стороны электрического поля.
Приведены результаты лабораторных испытаний указанного влияния на триботехнические характеристики сопряжений, широко используемых в узлах трения современных БМ: 1) металлополимерных, при сухом взаимодействии; 2) металлов при трении в среде смазочного материала.
На примере данных материалов показана принципиальная возможность управления (как снижения – для повышения долговечности, так и увеличения – для оптимизации периода и режимов приработки механизмов БМ) коэффициентом трения и интенсивностью изнашивания в широких пределах за счет электрополевого воздействия на рассматриваемое сопряжение со стороны внешних источников электрической поляризации и использования специальных функциональных добавок к смазочным материалам. Установлено, что предлагаемый способ не имеет ограничений, связанных с конструктивно-технологическими особенностями эксплуатации узлов трения БМ.
В частности, на примере сопряжения «ПТФЭ – сталь 45», показано, что поляризация металлополимерных трибосопряжений при определенном значении подаваемого потенциала и модулируемой в узле трения частоты вынужденных электромагнитных колебаний, соответствующей определенной в третьей главе р, может полностью нивелировать влияние на износостойкость нагрузочно-скоростного фактора (рисунок 3).
Рисунок 3. – Зависимость интенсивности изнашивания I (отн.ед.) от параметра Ф (
-фактора) и потенциала U, подаваемого на защищаемую поверхность.
1) без воздействия электромагнитного поля; 2) с применением электромагнитного поля.
Оптимальная частота вынужденных электромагнитных колебаний р, определенная для данного типа трибосопряжения с использованием метода электромагнитного санирования, соответствовала 4060 МГц.
Дана схема и описание работы созданного прибора – источника поляризации узлов трения БМ, а также машин другого назначения, названного «Система электронной поляризации горюче-смазочных материалов» (СЭП). Приведены данные его стендовых и промышленных испытаний для повышения энергетической эффективности приводов стационарных устройств и машин бытового назначения. Отмеченными эффектами использования данного прибора стали: повышение энергетической эффективности и износостойкости трибосопряжений БМ.
Представленные данные подтверждены положительными результатами внедренческих работ на предприятиях сервисного обслуживания машин бытового назначения г. Сочи: подключение СЭП к подшипниковым узлам приводов барабанов стиральных машин автоматического типа, (подаваемый потенциал 3 В, р = 60 МГц) показало уменьшение количества и средней продолжительности микроконтактов в подшипниковых опорах в 5 раз, что характеризует повышение эффективности смазывания и интенсивности образования смазочных пленок. Последнее повлекло снижение электропотребления бытовых стиральных машин, с учетом погрешности измерений от 3 до 5% в зависимости от режима работы (стирка, отжим соответственно).
Апробация данного прибора происходила также на электроприводах мешалок варочных реакторов ОАО «Ростовский нефтемаслозавод «Рикос»» г. Новочеркасск, по конструктивному исполнению представляющих собой активатор, предназначенный для перемешивания компонентов пластичных смазок в емкости объемом 6,3 м3. Получены устойчивые данные по снижению потребления электроэнергии, составляющие 5,13% на одном реакторе.
Показано, что использование разработанного метода электрополевого воздействия посредством применения СЭП является альтернативой присадкам к смазочным материалам различного функционального назначения и может быть применено для улучшения эксплуатационных свойств БМ.
Даны практические рекомендации по применению минеральных модификаторов трения в качестве наполнителей композиционных антифрикционных самосмазывающихся материалов, обуславливающих их высокие физико-механические и триботехнические свойства для альтернативной замены бронзо-графитовых втулок (БГМФО) в узлах трения активаторов стиральных машин на втулки из разработанного материала. Указывается на возможность замены металлических материалов в подвижных сопряжениях БМ на металлополимерные с применением разработанных полимерных материалов.
Экономический эффект, полученный за счет снижения себестоимости материалов при такой замене, по объединению ремонтных предприятий бытового обслуживания г. Сочи ОАО «Иней», составил 90 тыс. рублей в год.
Антифрикционная полимерная композиция может быть применена также в других тяжелонагруженных узлах трения, 
-фактор которых не превышает 0,75 [МПа
].
Введение минеральных модификаторов трения в состав пластичных смазок, используемых в узлах трения стиральных машин активаторного и барабанного типа, позволяет производить безразборное восстановление изношенных поверхностей, а также повысить износостойкость и, соответственно, эффективность эксплуатации БМ, согласно статистическим данным отказов бытовых стиральных машин за 1-4 квартал 2008г. по г. Сочи, в 1,5 раза, что соответствует совокупному годовому экономическому эффекту, равному 241 тыс. рублей.
ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ
Анализ результатов исследований, приведенных в диссертационной работе, позволил сделать следующие выводы:
1. На основании имеющихся экспериментальных данных об особенностях процесса массопереноса при трении впервые проведена теоретическая оценка вещества узла трения в стадии трибоплазмы. Выдвинута гипотеза о ее квазигазовой природе, на основании которой прослежена динамика релаксационных процессов, приводящих к формированию на трущихся поверхностях механизмов бытовых машин смазочных структур – третьих тел.
2. На основании положений молекулярно-кинетической теории трения и трибохимии обоснована возможность длительного существования вещества в постплазменной фазе, обусловленная коллективным электромагнитным взаимодействием компонентов постплазмы с электромагнитным полем.
3. Показано взаимодействие мультиполей с поверхностью трения узлов бытовых машин в условиях воздействия на данный процесс внешнего электрического поля и установлена связь их структурной ориентации с антифрикционными характеристиками трущихся тел.
4. Установлены общие механизмы функционального поведения трибосистем независимо от природы и режимов испытаний, выделяющие их стремление к созданию на поверхностях трения двухуровневых смазочных структур с высокими антифрикционными свойствами в схожий наследственный признак, которым выступает квазикристаллический моно(мульти) молекулярный слой, обеспечивающий устойчивость третьих тел.
5. Предложена модель антифрикционного действия нового типа присадок к смазочным материалам и композитам, полученным на основе природных минеральных веществ, в частности серпентина, называемых минеральными модификаторами трения, а также основные принципы реализации их практического применения для повышения эффективности эксплуатации бытовых машин, а также машин другого назначения.
6. Создано устройство, позволяющее осуществлять управление фрикционными характеристиками бытовых машин, а также машин другого назначения, независимо от внешних и нагрузочно-скоростных условий их эксплуатации. Получены устойчивые положительные результаты по снижению трения и уровней изнашивания трибосопряжений бытовых машин при использовании данного устройства, обуславливающие повышение их энергетической эффективности в среднем на 5%.
Публикации, отражающие основные научные результаты диссертации
Статьи в ведущих рецензируемых научных журналах
1. Долгополов, К.Н. Структура смазочных слоев, формирующихся при трении в присутствии присадок минеральных модификаторов трения [Текст]/ К.Н. Долгополов, Д.Н. Любимов, А.Г. Пономаренко, Г.Г. Чигаренко, М.В. Бойко// Трение и износ. – 2009 (30), №5, С. 516 – 521.
Патенты на изобретения
2. Подшипник скольжения: [Текст] пат № 2295659 Рос. Федерация: МПК F16C 17/24 (2006.01), F16C 33/04 (2006.01)/ Долгополов К.Н., Рыжиков В.А; заявитель и патентообладатель Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Южно-Российский государственный технический университет (Новочеркасский политехнический институт)» по заявке № 2005129855/11 от 26.09.2005; опубл. 20.03.2007.
3. Антифрикционная полимерная композиция и способ ее изготовления: [Текст] положительное решение о выдаче патента на изобретение по заявке № 2008133853/04(042645) от 19.08.2008г. Рос. Федерация: МПК С08J 5/16 (2006.01), C08L 63/00 (2006.01), C08K 3/34 (2006.01)/ Зазимко О.В., Пустовой И.Ф., Любимов Д.Н., Долгополов К.Н; заявитель и патентообладатель ОАО «Нанопром».
Публикации в журналах, сборниках трудов, материалах конференций
4. Долгополов, К.Н. Современная трибология. Избранные главы: монография [Текст]/ К.Н. Долгополов, Д.Н. Любимов. – Шахты: изд-во Принтер, 2008г. 156 с. ил.
5. Долгополов, К.Н. Методологические принципы анализа механизмов взаимодействия трущихся тел [Текст]/ Долгополов К.Н., Любимов Д.Н., Кожемяченко А.В.// Вiсник схiдноукраинського нацiонального унiверситету iмени Володимира Даля №1 (107). – Луганськ, 2007г. С.201-203.
6. Долгополов, К.Н. Особенности влияния на процессы фрикционного взаимодействия зарядовых состояний поверхностных слоев узлов трения [Текст]/ К.Н. Долгополов, Д.Н. Любимов, А.В. Кожемяченко// Бытовая техника, технология и технологическое оборудование предприятий сервиса и машиностроения: Юбилейный международный сборник научных трудов, посвященный 35-летию кафедры «Машины и аппараты бытового назначения»/ под ред. А.В. Кожемяченко. – Шахты: изд-во ЮРГУЭС, 2007г. С.33-34.
7. Долгополов, К.Н. Влияние постплазменных процессов на формирование смазочных пленок на поверхностях трения [Текст]/ К.Н. Долгополов, Д.Н. Любимов, А.В. Кожемяченко// Сб. Бытовая техника, технология и технологическое оборудование предприятий сервиса и машиностроения/ под ред. А.В. Кожемяченко. – Шахты: изд-во ЮРГУЭС, 2007г. С.86-87.
8. Долгополов, К.Н. Механизм трибокоординации в узле трения компрессора холодильника [Текст]/ К.Н. Долгополов, А.В. Кожемяченко// Сб. Бытовая техника, технология и технологическое оборудование предприятий сервиса и машиностроения/ под ред. А.В. Кожемяченко. – Шахты: изд-во ЮРГУЭС, 2007г. С.34-36.
9. Долгополов, К.Н. Исследование физических свойств трибоплазмы, как особого агрегатного состояния вещества [Текст]/ К.Н. Долгополов, Д.Н. Любимов, Р.В. Саванчук// Материалы международной научной конференции «Проблемы развития естественных, технических и социальных систем». Часть 2. – Таганрог: изд-во «Антон», ТТИ ЮФУ, 2007г. С.38-43.
10. Долгополов, К.Н. Электродинамика поляризации горюче-смазочных материалов от внешнего источника [Текст]/ Н.М. Бай, К.Н. Долгополов, Д.Н. Любимов// «Экономика и производство»: Сборник научных трудов РАЕН. – Челябинский центр НТИ, Челябинск 2009г. С. 124 – 131.
11. Долгополов, К.Н. Механизм формирования покрытия в процессе петротриботехнического метода обработки металлов трением [Текст]/ К.Н. Долгополов, Д.Н. Любимов, А.В. Кожемяченко// Вiсник схiдноукраинського нацiонального унiверситету iмени Володимира Даля №2. – Луганськ, 2008г. С.197-201.
12. Долгополов, К.Н. Интеллектуальные смазочные композиции [Текст]/ К.Н. Долгополов, Д.Н. Любимов, В.И. Пеньков, Д.Н. Ситник// Теплоэнергоэффективные технологии: Информационный бюллетень №1. - г.Санкт-Петербург, 2008. С.57-63.
13. Долгополов, К.Н. Методология управления фрикционными характеристиками смазочных материалов [Текст]/ Н.М. Бай, Н.К. Вершинин, К.Н. Долгополов, Д.Н. Любимов// Материалы XLVII Международной научно-технической конференции: «Достижения науки – агропромышленному производству». Часть 2. – Челябинск, 2008г. С.96-99.
14. Долгополов, К.Н. Основные принципы и результаты использования «Электронного регулятора трения» для повышения эксплуатационных показателей двигателей транспортных средств [Текст]/ Н.М. Бай, Н.К. Вершинин, К.Н. Долгополов, Д.Н. Любимов// Интеллектика, логистика, системология: Сборник научных трудов/ под ред. В.В. Ерофеева. – Челябинск: ЧНЦ РАЕН, 2008. С.146-149.
[1] Взаимодействие по схеме «вал-вкладыш», моделирующее работу подшипникового узла БМ.
[2] Данный параметр зависит от элементного состава используемого модификатора трения.
