EN
В Ростовском государственном университете путей сообщения сформировалась известная в России и за рубежом школа трибологов, возглавляемая председателем Российского национального комитета по трибологии академиком РАН В.И. Колесниковым. В рамках этой школы объединены усилия специалистов разных научных специальностей – физиков, химиков, механиков, материаловедов, инженеров. Решение поставленных в проекте задач представляется возможным, благодаря большому научному заделу, созданному за последние 35 лет. В научно-исследовательской лаборатории «Нанотехнологии и трибосистемы», научно-образовательном центре «Нанотехнологии и новые материалы» РГУПС проводятся работы по созданию новых износостойких полимерных композиционных материалов, разрабатываются основы управления структурой и трибологическими характеристиками таких материалов. Выполненные фундаментальные исследования адгезионного взаимодействия конденсированных сред и структуры температурного поля в пограничной области фрикционного контакта послужили основой для разработки антифрикционных самосмазывающихся композиционных полимерных материалов и смазочных материалов, предназначенных для использования в узлах трения. Параллельно были развиты методы исследования поверхности, такие как рентгеноэлектронная и оже-спектроскопия, растровая электронная микроскопия и рентгеноспектральный микроанализ, ИК-Фурье спектроскопия, а также методики анализа поверхности трения.
Участники коллектива одними из первых применили методы квантовой химии к изучению пленки фрикционного переноса на стали. Еще в 1986 г. авторами проекта изучался композит на основе нетканого материала из волокон ПТФЭ, где в качестве связующего использовался формальдегид. С помощью расширенного метода Хюккеля были определены химические соединения, возникшие на поверхности стали. Современные методы квантово-химического анализа, основанные на приближении DFT, успешно применяются научным коллективом при исследовании совместимости химических элементов на границах зерен в стали. С помощью кластерного моделирования проведены расчеты энергии химической связи между атомами элементов первого-пятого периодов и поверхностью железа. Проведена классификация упрочняющих и разупрочняющих элементов. Исследовано влияние атомов различных примесных и легирующих элементов на величину химической связи между зернами в поликристаллических материалах. Показано, что энергия химической связи находится в периодической зависимости от атомного номера элементов, что соответствует периодическому закону Менделеева. Этот факт может служить теоретической базой для прогнозирования прочностных свойств и износостойкости стали с различным составом легирующих и примесных элементов. Авторами проекта разработана методика квантово-химических расчетов взаимодействия молекул присадок с поверхностью металла. С помощью этой методики исследованы структурные изменения молекул присадок (двойных фосфатов и гетерополифосфатов щелочных металлов) вблизи поверхности металла. Изучен механизм перехода молекул присадок от циклической формы (в свободном состоянии) к линейной форме при контакте с поверхностью. Показана роль электрического заряда, получаемого молекулами от поверхности, и участие кислорода в структурных преобразованиях молекул присадок. Изучено влияние присадок на локальную атомную структуру поверхности. Проведены расчеты энергии адгезии присадок к железу с учетом перестройки структуры поверхности.
С целью оценки прочностных характеристик полимерных композитов разработана методика конечно-элементного моделирования контактных задач с кусочно-неоднородными и функционально-градиентными механическими свойствами в зоне контакта. Предложена техника конечно-элементных аппроксимаций с постоянными механическими свойствами в пределах каждого структурного конечного элемента и автоматизированные процедуры учета неоднородностей. Тонкие механизмы взаимодействия композита и контртела, установленные в результате работ по поверхности, будут использованы для анализа механизма и кинетики образования пленки фрикционного переноса на поверхность металлического контртела. Кроме того, имеются наработки в области экспериментальных и теоретических исследований процессов, происходящих на поверхности твердых тел, в частности, сегрегационных процессов примесных и легирующих элементов в металлах, которые оказывают влияние на прочностные характеристики зерен металлов, а через них и на механические и трибологические свойства материалов.
Представления теории столкновений и теории активированного комплекса, широко известные в химической кинетике, были адаптированы к описанию взаимодействия шероховатых поверхностей трущихся тел, выведены выражения законов Амонтона для трения скольжения и Кулона для трения качения. Проведено компьютерное моделирование фрикционного контакта методом Монте-Карло с целью определения эффективной площади контакта и сечения столкновения шероховатостей при фрикционном взаимодействии. Проанализирована заселённость переходных состояний химических реакций, инициированных трением и близких к ним по энергетике реакций, инициированных термически. Показано, что при трении реализуются высокоинверсные переходные состояния химического взаимодействия между частицами материалов контактирующих трущихся тел по сравнению с переходными состояниями, заселёнными термически.
С помощью разработанного метода мольных объемов проанализировано влияние высоких давлений в зоне непосредственного фрикционного контакта на формирование сервовитной плёнки в системах с избирательным переносом. Проведены общие термодинамический и кинетический анализы вероятных химических реакций и адсорбционных процессов в зависимости от их энергетики, температуры и давления. Высокие давления в зоне контакта трущихся тел увеличивают равновесную адсорбцию низкомолекулярных присадок, а также ряда высокомолекулярных присадок к жидким смазочным материалам. Анализ различного рода, как равновесных, так и неравновесных вероятных химических взаимодействий присадок с поверхностями трущихся тел для термических реакций показал, что только смазочные адсорбционные пленки, сформированные за счет механоактивированных реакций, могут быть достаточно стойкими и играть существенную роль в улучшении фрикционных свойств трибосистем скольжения.
В рамках выполнения проекта РНФ (14-29-00116) проведены исследования закономерностей влияния функциональных добавок на структурное состояние на наноуровне поверхностных слоев и трибофизические характеристики трибосистем. На основе этих исследований сформулированы принципы разработки и технологии создания нанокомпозитных полимерных и смазочных материалов триботехнического назначения. Изучены возможности регулирования изнашивания поверхности трибоконтакта подбором специфичных комплексных наноразмерных присадок в составе композитных материалов. Принципиально новым подходом служит конструирование полимерной матрицы путем ее наполнения смазочными материалами, исходя из возможности реализации комплекса ее новых свойств. Выработаны инновационные решения модификации свойств полимерных нанокомпозитов путем маслонаполнения или микрокапсулирования – введение микрочастиц (смазочных материалов с наноприсадками) в оболочках из полимерных материалов в матрицу разработанных нанокомпозитов. Это обусловливает формирование на трибоконтакте поверхностных наноструктур, значительно повышающих триботехнические характеристики материала. Решение ряда существующих технологических проблем, связанных с равномерностью распределения модификаторов в полимерной матрице, роста адгезионного взаимодействия матрицы с металлом при сохранении заданного количества модификатора (микрокапсул или масла), выполняющих роль пластификатора матрицы, позволило проводить конструирование материалов с заданными эксплуатационными свойствами.
В рамках договоров с ОАО РЖД были проведены разработки на основе широко используемых по сети РЖД смазочных материалов класса Пума (МГ, МЛ, МР), ЛЗ ЦНИИ, смазочных композиций с присадками неорганических фосфоромолибдатов, фосфоровольфроматов некоторых металлов.
В рамках реализации программ и проектов инновационного развития плана научно-технического развития ОАО «РЖД» в 2014 г. для сферы ремонта и обслуживания железнодорожного транспорта нами были выполнены следующие работы:
- Исследования образцов материала, с созданными экспериментальными покрытиями наружного диаметра вкладышей моторно-осевых подшипников локомотива, на прочность связи покрытия с подложкой, величин остаточных макронапряжений и металлографические исследования.
- Создана технология для методов электродуговой металлизации и электромеханической обработки по восстановления наружного диаметра подшипника.
Работа, выполненная коллективом ученых Ростовского государственного университета путей и сообщения, тема «Инновационные методы повышения износостойкости, надежности и долговечности трибосистем подвижного состава» была выбрана в номинации «Выполнение научно-технических работ, результаты которых внесли существенный вклад в работу ОАО «РЖД» и получила в 2017 году премию ОАО «РЖД» за вклад в образование и развитие науки в области железнодорожного транспорта.
В соответствие с Государственной программой Российской Федерации «Развитие авиационной промышленности на 2013–2025 годы» совместно с Федеральным государственным унитарным предприятием «Центральный аэрогидродинамический институт имени профессора Н.Е. Жуковского» в 2017 году завершена научно-исследовательская работа «Разработка методики динамического мониторинга и оценки упруго-диссипативных характеристик демпфера». Ключевые результаты данной работы:
- Разработана математическая модель с вращательными парами трения, реализующая нагрузочные и скоростные условия эксплуатации летательного аппарата.
- Разработана физическая модель демпфера: определены масштабы и критерии подобия модельной и натурной конструкции демпфера, обеспечивающие равенство частот и форм собственных колебаний и подобие динамических характеристик.
- Установлена функциональная связь вертикального смещения демпфера с жёсткостью покрытия колец, коэффициентом трения и углом наклона к горизонту вала-эксцентрика.
- На основе результатов математического моделирования разработаны рекомендации по размещению тензометрических датчиков в конструкции, обработки нормальных и тангенциальных сил фрикционного взаимодействия и мониторинга упруго-диссипативных характеристик.
- Представлена программа математического моделирования, которую можно использовать как базовую для программы тензометрических измерений и обработки сигналов.
В 2018 году совместно с Федеральным государственным унитарным предприятием «Центральный аэрогидродинамический институт имени профессора Н.Е. Жуковского» выполнена научно-исследовательская работа «Совершенствование действующего макета демпфера вибраций винтовых приборов (ВП-5, ВП-6) за счет инновационных вращательных пар трения». В процессе выполнения были выполнены:
- Разработка подшипников сухого трения с перспективным покрытием из композиционного материала, обладающих необходимыми типологическими характеристиками, а также высоким эксплуатационным ресурсом, обеспечивающим устойчивую многочасовую работу демпфера без эксплуатационного обслуживания.
- Диагностика динамических характеристик демпфера с вращательными парами трения в виде цилиндрических подшипников с покрытиями из антифрикционных материалов.
У коллектива имеется большой научный потенциал, базирующейся на изложенных выше результатах фундаментальных исследований. Ученые этой школы занимаются внедрением полученных разработок на предприятиях железнодорожного транспорта. В числе внедренных разработок различные варианты конструкций узлов трения с новыми материалами: подпятниковые узлы, втулки балансиров, скользуны и направляющие боковых опор, подшипники пантографа, втулки контакторов и т.д. Данные исследования неоднократно поддерживались РФФИ, РНФ, программами и грантами Минобразования РФ.
Внедрение разработок на предприятиях железнодорожного транспорта
Рабочий процесс восстановления МОП методом ЭДМ
Нанесение многослойного антифрикционного материала на боковую грань головки рельса
Модернизация опор люлечного подвешивания электровозов ВЛ-80с