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.)

В ходе выполнения этапа 2 были выполнены:

Работы Получателя за счет собственных средств, затраты которых возмещаются Субсидией

2.1 Проведение трибологических исследований лабораторных образцов с модифицированными покрытиями поверхности трибоконтакта.

2.2 Проведение физико-механических исследований лабораторных образцов с модифицированными покрытиями поверхности трибоконтакта.

2.3 Проведение исследований методом рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии лабораторных образцов с модифицированными покрытиями поверхности трибоконтакта.

2.4 Проведение исследований методом ИК Фурье спектроскопии лабораторных образцов с модифицированными покрытиями поверхности трибоконтакта.

2.5 Проведение исследований методом растровой электронной микроскопии лабораторных образцов с модифицированными покрытиями поверхности трибоконтакта.

2.6 Проведение трибологических исследований лабораторных образцов модифицированных трансмиссионных масел.

2.7 Проведение исследований методом рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии лабораторных образцов модифицированных трансмиссионных масел.

2.8 Проведение исследований методом ИК Фурье спектроскопии лабораторных образцов модифицированных трансмиссионных масел.

2.9 Проведение исследований методом растровой электронной микроскопии лабораторных образцов модифицированных трансмиссионных масел.

2.10 Разработка технологической документации на модифицированное покрытие поверхностей трибоконтакта.

2.11 Разработка технологической документации на модифицированные трансмиссионные масла.

2.12 Моделирование напряженно-деформированного состояния контактного взаимодействия тел с покрытиями численно-аналитическими методами.

2.13 Моделирование контактной задачи для компонентов шлицевого соединения с учетом наличия покрытия на взаимодействующих поверхностях.

2.14 Корректировка технических требований на модифицированные покрытия поверхностей трибоконтакта трансмиссионных шлицевых соединений.

2.15 Корректировка технических требований на трансмиссионные масла для шлицевых соединений.

2.16 Создание экспериментальных образцов трансмиссионного шлицевого соединения с модифицированным покрытием контактирующих поверхностей и модифицированного трансмиссионного масла.

Работы Получателя, выполняемые за счет средств Индустриального партнера

2.17 Создание лабораторных образцов модифицированных трансмиссионных масел.

2.18 Проведение лабораторных физико-химических исследований модифицированных трансмиссионных масел.

2.19 Изготовление испытательного стенда, имитирующего работу трансмиссионного шлицевого соединения.

2.20 Разработка программы и методики проведения стендовых испытаний экспериментальных образцов трансмиссионного шлицевого соединения с модифицированным покрытием контактирующих поверхностей и модифицированного трансмиссионного масла.

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

2.21 Оценка возможности применения разрабатываемой технологии создания модифицированного покрытия поверхностей в условиях производства.

2.22 Оценка возможности применения разрабатываемой технологии создания модифицированных трансмиссионных масел в условиях производства.

2.23 Изготовление заготовок для создания экспериментальных образцов трансмиссионного шлицевого соединения.

Работы Получателя, выполняемые за счет собственных средств из внебюджетных источников

2.24 Разработка технической (эскизной конструкторской и программной) документации программно-аппаратного комплекса динамического мониторинга состояния трансмиссионного шлицевого соединения.

В ходе выполнения этапа 2 «Разработка технологической документации и создание экспериментальных образцов» ПНИЭР были получены следующие научно-технические результаты:

По результатам проведенных исследований трибологические и физико-механические исследования; а также исследования с использованием методов рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии, ИК Фурье спектроскопии и растровой спектроскопии) сделан ряд выводов, имеющих принципиальный характер:

  • лабораторные трибологические испытания не в состоянии в точности обеспечить условия эксплуатации исследуемого узла трансмиссии вертолета;
  • результаты исследования физико-механических свойств покрытий, показывают, что, опираясь только на эти данные, невозможно прогнозировать поведение покрытий в условиях трения;
  • результаты электронно-микроскопического и энерго-дисперсионного анализа показывают, что износостойкость исследованных ионно-плазменных покрытий при трибологических испытаниях тесно связана с механизмом износа;
  • к настоящему моменту для вакуумных ионно-плазменных покрытий не имеется каких-либо однозначных рекомендаций по использованию в тяжелонагруженных ответственных шлицевых трибосопряжениях.

Основным итогом работ 2019 года по нанесению покрытий является рекомендация о проведение стендовых или натурных испытаний с использованием следующих типов вакуумных ионно-плазменных покрытий: 1) износостойкого покрытия системы CrAlSiN с гетерогенной структурой 3D-нанокомпозита; 2) антифрикционного DLC-покрытия с предварительной модификацией поверхности образца путем вакуумного легирования Nb и/или Hf; 3) композиционного покрытия в виде послойного сочетания слоя системы CrAlSiN (в качестве внутреннего слоя) со слоем DLC-покрытия (в качестве наружного слоя); апробированные технологические режимы нанесения обеспечивают возможность получения как двухслойных, так и многослойных покрытий такого типа (с чередованием слоёв CrAlSiN / DLC).

Полученные экспериментальные данные и выводы, как можно заметить, полностью корреспондируют с рекомендациями и результатами исследований 2018 года. При этом по результатам проведенных трибологических испытаний ряд ионно-вакуумных покрытий (CrAlSiN, DLC) рекомендован для использования в тяжелонагруженных трибосопряжениях.

Созданы лабораторные образцы модифицированных трансмиссионных масел. Проведенные лабораторные физико-химические исследования модифицированных трансмиссионных масел, позволили отобрать лучшие для проведения дальнейших исследований.

Исследования (трибологические и спектроскопические) модифицированных трасмиссионных масел позволили выявить механизм формирования поверхностных структур в среде модифицированного трансмиссионного масла. Предложенные в настоящем проекте присадки, повышающие смазочные свойства базовых основ за счет формирования на поверхностях трения пленки обеспечивают безотказную работу узла трения в условиях масляного голодания.

Применение модифицированных трансмиссионных масел способствует снижению коэффициента трения на 70 ÷ 80 %, что соответствует цели проекта «Повышение долговечности, снижение износа трибосопряжения шлицевого соединения трансмиссии вертолета путем создания нового смазочного материала, снижающего коэффициент трения на 15-28%».

Результаты исследований лабораторных образцов с модифицированными покрытиями позволили провести корректировку технических требований на модифицированные покрытия поверхностей трибоконтакта трансмиссионных шлицевых соединений и послужили основой созданной технической документации на модифицированное покрытие поверхностей

Выполненные исследования модифицированных трансмиссионных масел позволили внести коррективы в технические требования на трансмиссионные масла для шлицевых соединений и разработать техническую документацию на них.

Учитывая, что лабораторные трибологические испытания не в состоянии в точности обеспечить условия эксплуатации исследуемого узла трансмиссии вертолета, для проведения испытаний в реальных условиях эксплуатации был изготовлен экспериментальный стенд, имитирующий работу трансмиссионного шлицевого соединения,разработаны программа и методика проведения стендовых испытаний и экспериментальные образцы трансмиссионного шлицевого соединения с модифицированным покрытием контактирующих поверхностей и модифицированного трансмиссионного масла.

Выполнение этого этапа работ создает условия для проведения стендовых испытаний экспериментальных образцов трансмиссионного шлицевого соединения с модифицированным покрытием контактирующих поверхностей и модифицированного трансмиссионного масла, что и будет реализовано в рамках третьего этапа настоящего проекта.

В продолжение работ, связанных с исследованием напряженно-деформированного состояния узла трения, в текущем году разработана конечно-элементная, модель, позволяющая исследовать напряженно-деформированное состояние тела с тонким покрытием при воздействии на него жесткого штампа с учетом возможного отслоения покрытия. С целью учета малой толщины покрытия бтонких структур на основе оболочечных элементов. Результаты расчетов показали, что нанесение на контактную поверхность зуба наконечника покрытия, обладающего повышенными прочностными характеристиками, приводит к увеличению контактного давления и эквивалентного напряжения на поверхности.

Учитывая важность проблемы прогнозирования состояния исследуемого узла, а также возможное наступление внештатных ситуаций и необходимости проведения планово-предупредительного ремонта, проблема мониторинга занимает особое положение в выполняемом проекте. На основе разработанной физико-математической модели шлицевого соединения трансмиссии в 2019 г. разработана техническая документация программно-аппаратного комплекса динамического мониторинга изменений упруго-диссипативных связей состояния трансмиссионного шлицевого соединения.

Дополнительно, в рамках общей темы динамического контроля за техническим состоянием трибосистем, были продолжены исследования по применимости двух других направлений мониторинга состояния трибосистем тяжелонагруженных узлов трения. По результатам этих работ разработан дополнительный комплект технической документации программно-аппаратного комплекса вибродиагностики шлицевых зубчатых муфт трансмиссии хвостового винта вертолета.

Подготовленные два комплекта технической документации будут положены в основу запланированных в следующем году испытаний программно-аппаратного комплекса динамического мониторинга состояния трансмиссионного шлицевого соединения.

Таким образом, все запланированные в отчетном году научно-технические результаты получены в соответствии с план-графиком исполнения обязательств.

Полученные результаты работы представлены в виде докладов и статей:

подготовлены и отправлены в печать восемь статей в высокорейтинговые журналы:

«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 индексируемом в базе данных Scopus

«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 индексируемом в базе данных Scopus

«Friction, Wear, and Monitoring of Heavily Loaded Tribosystems: An Innovative Approach to Studying the Processes» в журнале Journal of Friction and Wear индексируемом в базе данных Scopus

«Surface and bulk phase analysis of the tribolayer of nanocrystalline diamond films sliding against steel balls» в журнале Diamond& Related Materials индексируемом в базе данных Scopus

«Study of the stress state in coated bodies on the layer separation boundary under contact interaction» в журнале Journal of Physics: Conference Series индексируемом в базе данных Scopus

«The degradation mechanisms in ion-plasma nanostructured coatings under the conditions of contact cyclic loads» в журнале Journal of Physics: Conference Series индексируемом в базе данных Scopus

«The application of strengthening vacuum ion-plasma treating for the surface layer of constructional metal materials in mechanical engineering and the features of its formation» в журнале Journal of Physics: Conference Series индексируемом в базе данных Scopus

«Environmentally safe transmission oil for a helicopter tail gearbox» в журнале Journal of Friction and Wear индексируемом в базе данных Scopus

25-28 июня 2019 г. состоялась Международная научно–техническая конференция «Полимерные композиты и трибология» (Поликомтриб -2019), проводимая в г. Гомель Национальной академией наук Беларуси

19-24 августа 2019 г. состоялся XII Всероссийский съезд по фундаментальным проблемам теоретической и прикладной механики, проводимый в г. Уфа Российским национальным комитетом по теоретической и прикладной механике и Российской академией наук

31 октября 2019 г. состоялась Международная научно-практическая конференция «Актуальные проблемы и перспективы развития транспорта, промышленности и экономики России» («ТрансПромЭк-2019»), проводимая ФГБОУ ВО «Ростовский государственный университет путей сообщения»