Повышение износостойкости и долговечности тяжелонагруженных узлов трения транспортных средств

Повышение износостойкости и долговечности тяжелонагруженных узлов трения транспортных средств, машин и механизмов путем формирования антифрикционного слоя поверхностных наноструктур на трибоконтакте и обеспечения динамического контроля за техническим состоянием трибосистемы

В соответствии с требованиями задания в рамках государственного соглашения о предоставлении субсидии с Минобрнауки России публикуются результаты работ на каждом этапе календарного плана.

В ходе выполнения проекта по Соглашению о предоставлении субсидии от 26 ноября 2018 г. № 14.607.21.0203 по теме: «Повышение износостойкости и долговечности тяжелонагруженных узлов трения транспортных средств, машин и механизмов путем формирования антифрикционного слоя поверхностных наноструктур на трибоконтакте и обеспечения динамического контроля за техническим состоянием трибосистемы» (Уникальный идентификатор проекта RFMEFI60718X0203) с Министерством науки и высшего образования РФ в рамках федеральной целевой программы «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2014-2020 годы» на этапе № 1 в период с 31 мая 2018 г. по 31 декабря 2018 г. выполнялись следующие работы:

Работы Получателя за счет собственных средств, затраты которых возмещаются Субсидией

1.1 Аналитический обзор современной научно- технической, нормативной, и методической литературы по направлениям:

- износостойкие покрытия; их состав и методы нанесения;

- наноразмерные поверхностные структуры в трибосопряжении;

- пленка фрикционного переноса, кинетика ее образования на трибоконтакте;

- акустическая эмиссия; её роль в контроле состояния покрытия;

- контактная задача взаимодействия упругих тел; метод конечного элемента;

- напряженно-деформированное состояние с учетом неоднородностей трибосистемы;

- диффузионные и сегрегационные и процессы в трибосистеме;

- трансмиссионные смазочные композиции;

- динамический мониторинг упруго-диссипативных связей трибосистемы

1.2 Проведение патентных исследований в соответствии с ГОСТ 15.011-96

1.3 Анализ и сравнительная оценка направлений повышения эксплуатационных характеристик трансмиссионных шлицевых соединений

1.4 Исследования различных способов и материалов модифицирования покрытий поверхностей трибоконтакта трансмиссионных шлицевых соединений

1.5 Исследования материалов и способов модифицирования трансмиссионных масел для шлицевых соединений

1.6 Разработка программ и методик исследований свойств модифицированного покрытия поверхностей трибоконтакта:

- трибологических исследований;

- физико-механических исследований;

- рентгеноэлектронных исследований;

- ИК Фурье спектроскопии;

- растровой электронной микроскопии.

1.7 Разработка программ и методик исследований свойств модифицированных трансмиссионных масел:

- трибологических исследований;

- рентгеноэлектронных исследований;

- ИК Фурье спектроскопии;

- растровой электронной микроскопии.

1.8 Оценка геометрических параметров трансмиссионного шлицевого соединения с целью разработки предложений по оптимизации его напряженно-деформированного состояния

1.9 Создание лабораторных образцов с модифицированными покрытиями поверхности трибоконтакта

1.10 Приобретение научно-исследовательского оборудования для лабораторных исследований, проводимых на этапе 2

Работы Получателя, выполняемые за счет собственных средств из внебюджетных источников

1.11 Выбор и обоснование направлений и методов исследований и разработки

1.12 Разработка физико-математической модели шлицевого соединения трансмиссии, позволяющей оценить характер упруго-диссипативных связей при заданных нагрузочно-скоростных условиях эксплуатации

Работы Получателя, выполняемые за счет средств Индустриального партнера

1.13 Моделирование напряженно-деформированного состояния шлицевого соединения заданной конструкции численно-аналитическими методами

1.14 Разработка технических требований на модифицированные покрытия поверхностей трибоконтакта трансмиссионных шлицевых соединений

1.15 Разработка технических требований на трансмиссионные масла для шлицевых соединений

1.16 Разработка программ и методик проведения лабораторных физико-химических исследований трансмиссионных масел

1.17 Проведение лабораторных физико-химических исследований трансмиссионного масла, в исходном состоянии и после отработки срока своей службы, и выявление параметров, значительно деградирующих в процессе эксплуатации

1.18 Подготовка эскизной конструкторской документации испытательного стенда, имитирующего работу трансмиссионного шлицевого соединения

Работы Индустриального партнера, выполняемые за счет собственных средств из внебюджетных источников

1.19 Инженерный анализ работы трансмиссионных шлицевых соединений и их отказов

1.20 Анализ и ранжирование возникновения нештатных ситуаций в работе летательных аппаратов из-за отказов трансмиссионных шлицевых соединений

В ходе выполнения этапа 1 «Обоснование методов повышения эксплуатационных характеристик трансмиссионных шлицевых соединений и разработка лабораторных образцов» ПНИЭР были получены следующие научно-технические результаты:

Проведен аналитический обзор современной научно-технической, нормативной и методической литературы, включающий основные направления, связанные с достижениями в области использования новых материалов и разработки технологических процессов создания поверхностных слоев с заданными трибологическими свойствами, а также вопросов динамического контроля состояния трибосистем.

На основании анализа, патентного поиска и сравнительной оценки, используемых в настоящее время в нашей стране и за рубежом основных направлений повышения износостойкости и долговечности тяжелонагруженных узлов трения транспортных средств (в том числе повышения эксплуатационных характеристик трансмиссионных шлицевых соединений), сделан вывод о целесообразности применения гетерогенных функциональных покрытий, в том числе композиционных, которые благодаря особенностям наноструктуры способны обеспечивать структурную и химическую адаптацию поверхности к изменяющимся условиям эксплуатации. Эти покрытия обладают многообразием составов, а успехи современных технологий модификации поверхности, в том числе ионно-плазменного напыления покрытий с использованием систем магнетронного испарения позволяют в широком диапазоне варьировать их структуру и свойства. При нанесении покрытий на поверхность твердого тела необходимо учитывать возможность дальнейшей диффузии и сегрегации химических элементов. Для расчетов физических и химических процессов на поверхности представляется наиболее перспективным использование методов молекулярной динамики, квантовой физики, а также инструментальных методов анализа поверхности, что и будет реализовано нами в рамках текущего проекта.

Нами впервые с использованием технологий PVD и CVD были созданы лабораторные образцы: на подложки из 12Х2Н4А и 38Х2МЮЛ с использованием адгезионного подслоя из хрома были осаждены нанокристаллические алмазные пленки. Выращивание нанокристаллических алмазных пленок происходило в установках химического осаждения пара при активации СВЧ плазмы в аргоновой атмосфере с добавками СН4 и СО2 в Н2.

Еще одним направлением работы являлось исследование материалов и способов модифицирования трансмиссионных масел. Модифицирование трансмиссионного масла для шлицевых соединений трансмиссий вертолета может быть реализовано двумя способами - улучшением эксплуатационных свойств штатного масла или разработкой нового смазочного материала на основе масел с низкой температурой застывания. К недостаткам масла ТСгип, ограничивающим его применение, относятся высокая температура замерзания и плохая стабильность к окислению. Основным способом улучшения эксплуатационных свойств масел является модифицирование их при помощи функциональных присадок. Использование присадок, предложенных в отчете, позволяет значительно изменять свойства исходного масла и придавать ему необходимые для конкретных условий эксплуатации свойства. В качестве перспективного базового масла, возможного для использования в трансмиссии, могут быть отнесены синтетические масла - сложные эфиры карбоновых кислот, полиальфаолефины и полиалкилсилоксановые жидкости. Эти вещества хорошо смазывают металлические поверхности, за счет полярности молекул хорошо адсорбируются на телах трения, что способствует низкому коэффициенту трения. Важным свойством таких масел является их способность образовывать на трущихся поверхностях антифрикционные поверхностные пленки.

Разработаны программы и методики исследований свойств модифицированного покрытия и свойств модифицированных трансмиссионных масел, включающие физико-механические и трибологические исследования, исследования методом РФЭС и ИК Фурье спектроскопии, а также растровой электронной микроскопии.

С целью разработки предложений по оптимизации напряженно-деформированного состояния трансмиссионного шлицевого соединения после нанесения покрытий проведено моделирование напряженно-деформированного состояния этого узла заданной конструкции численно-аналитическими методами и проведена оценка влияния геометрических параметров соединения на его прочностные характеристики.

Разработаны технические требования на шлицевые соединения с модифицированной поверхностью трибоконтакта и трансмиссионные масла для этих узлов.

Проведены лабораторные физико-химические исследования трансмиссионного масла, в исходном состоянии и после отработки срока своей службы, и выявлены параметры, значительно деградирующие в процессе эксплуатации.

Осуществлена разработка эскизной конструкторской документации испытательного стенда, имитирующего работу трансмиссионного шлицевого соединения.

Выполнена разработка физико-математической модели шлицевого соединения трансмиссии, позволяющей оценить характер упруго-диссипативных связей при заданных нагрузочно − скоростных условиях его эксплуатации.

Все запланированные в отчетном году научно-технические результаты достигнуты.

Полученные результаты работы представлены в виде докладов и статей:

  • 24 декабря 2018 г. состоялось Мероприятие по демонстрации и популяризации результатов проекта «Повышение износостойкости и долговечности тяжелонагруженных узлов трения транспортных средств, машин и механизмов путем формирования антифрикционного слоя поверхностных наноструктур на трибоконтакте и обеспечения динамического контроля за техническим состоянием трибосистемы», проводимое ФГБОУ ВО «Ростовский государственный университет путей сообщения»
  • подготовлены и отправлены в печать две статьи в высокорейтинговые журналы:

- «Thrust bearings due to melt in turbulent friction mode, taking into account the rheological properties of viscoelastic lubricant» в журнале Journal of Machinery Manufacture and Reliability (Проблемы машиностроения и надежности машин) (импакт-фактор 0,48), индексируемом в базе данных Scopus.

- «Analysis of the effect of the hardened surface layer properties of the tribocontact parts on their wear and stress strain state» в книге Springer Proceedings in Physics (импакт-фактор 0,156), индексируемой в базе данных «Сеть науки» (WEB of Science);

  • результаты выполнения работ на Этапе №1 доложены и обсуждены на заседании Научно-технического совета РГУПС (протокол №3 от 26.12.2018 г.)