Исследование процесса активации смазочных материалов лазерным излучением и повышение эксплуатационных параметров трибомеханических систем в приборостроении

Надежность и долговечность узлов трения приборов и машин во многом предопределяется износом контактирующих элементов. В этой связи проблемы трения и износа, как двух взаимосвязанных процессов, являются до настоящего времени весьма актуальными, несмотря на значительное количество научных исследований и реализованных в этих направлениях оригинальных решений по оценке и управлению механизмами, лежащими в их основе.

Наиболее значимыми работами в этих областях являются работы: И. В. Крагельского, Д. Н. Гаркунова, Б. И. Костецкого, Н. В. Демкина, В. Г. Куранова, Г. Польцера, Ю. Г. Шнейдера и многих других российских и зарубежных ученых, в которых рассмотрены основные критерии, определяющие работоспособность трибосистем, раскрыты причинные связи механизма износа контактирующих пар с внешними эксплуатационными факторами, предложены способы повышения работоспособности и параметрической надежности трибомеханических систем на базе разработки: новых материалов с антифрикционными характеристикамимодификации поверхностных слоев деталей трибопар с помощью высокоэнергетических методов обработки (лазерных, электроннолучевых, плазменных и др.) — совершенствования и разработки новых конструкций трибосистемсоздания смазочных материалов и противоизностных к ним присадок. Применение данных методов, которые в настоящее время признаны в качестве классических, позволило решить целый ряд задач, связанных с повышением работоспособности сопряженных деталей и функциональной надежностью трибомеханических систем различного назначения.

Однако данные методы применительно к приборостроению не могут в полной степени решить проблемы в области триботехники в силу специфических особенностей приборных опорных систем, связанных с работой в широком диапазоне скоростей при малых моментах трогания и трения, небольших размерах сопряженных пар, ограниченностью применения конструкционных материалов и смазок в сочетании с обеспечением высокой работоспособности и надежности. Все это требует изыскания и разработки новых методов и направлений по разрешению задач относительно повышения эксплуатационных параметров контактирующих пар.

Проведенные на кафедре «Технология производства приборов и систем управления летательных аппаратов» МАТИ-РГТУ им. К. Э. Циолковского работы по взаимодействию лазерного излучения с различными материалами, в том числе с рядом жидких сред, позволили установить влияние лазерного излучения на структурные изменения жидких сред, а вместе с ними и целого ряда изменений их физико-химических свойств: вязкости, поверхностного натяжения, удельной электропроводности, диэлектрической проницаемости, окислительно-восстановительного потенциала и др. Данные исследования явились базой для изучения влияния лазерного излучения на смазочные материалы и на характер трения и износ в трибопарах приборных систем. Предпосылками положительного эффекта в этом направлении были работы в области металлообработки, где успешно используется активация смазочно-охлаждающих жидкостей внешними источниками энергии с целью уменьшения размерного износа режущего инструмента при обработке трудно обрабатываемых материалов.

В связи с тем, что данная работа является первой диссертационной работой в области активации смазочных материалов лазерным излучением, в ней потребовалось провести широкий комплекс исследований по обоснованию выбора лазерных источников энергииопределению влияния параметров лазерного излучения на характеристики жидких смазочных средразработать методики и аппаратуру по оценке изменений этих свойствраскрыть особенности механизма взаимодействия активированных смазочных сред с рабочими поверхностями трущихся парпроверить достоверность полученных данных на промышленных типовых узлах трения приборовсоздать научно-обоснованные методики процессов активации смазочных сред лазерным излучением и дать рекомендации по конструированию приборных трибосистем с встроенными в них лазерными источниками.

Диссертационная работа состоит из пяти глав и приложения.

В первой главе рассмотрены результаты анализа типовых узлов трения приборов и оценки основных видов износа их элементовсостав и свойства смазочных материалов и их модификаций на базе противоизностных присадокрезультаты анализа существующих методов активации смазочно-охлаждающих технологических средств (СОТС) внешними источниками энергииа также сформулированы основные задачи исследований.

Во второй главе рассмотрены энергетические характеристики основных макромолекул смазочных сред. Исследован механизм взаимодействия жидкой смазочной среды с поверхностью элементов трибосистемы и определены особенности такого взаимодействия при условии обработки жидкой смазочной среды низкоэнергетическим лазерным излучением.

В третьей главе представлена разработанная теоретическая модель, связывающая параметры низкоэнергетического лазерного излучения, воздействующего на смазочную среду, и ее характеристики. На основе экспериментальных исследований осуществлен выбор параметров лазерного излучения для исследования процесса активации смазочных сред. Приведены результаты экспериментальных исследований влияния обработки лазерным излучением смазочных веществ на величину их кинематической вязкости. Представлены результаты исследования энергетического состояния смазочных сред, обработанных лазерным излучением, с помощью метода газоразрядной визуализации (ГРВ) .

В четвертой главе приведены результаты экспериментальных исследований влияния обработки смазочной среды лазерным излучением на износ элементов трибопары при наличии различных типов трения. Представлены результаты исследования экс.

— б плуатационных характеристик приборных шарикоподшипников и гиромоторов со смазочной средой, обработанной лазерным излучением.

В пятой главе определены перспективы применения метода лазерной обработки смазочных сред в приборои машиностроении. Показана техническая и технологическая универсальность предлагаемого метода активации смазочных сред при помощи обработки лазерным излучением.

В приложении приведены составы и технические характеристики типовых смазочных сред и присадок, применяемых в приборои машиностроениитипы серийно выпускаемого лазерного технологического оборудования. Представлены методики и подробные описания этапов проведения экспериментальных исследований, осуществленных в рамках настоящей работы.

Настоящая диссертационная работа на соискание ученой степени кандидата технических наук выполнена на кафедре «Технология производства приборов и систем управления летательных аппаратов» МАТИ — Российского государственного технологического университета им. К. Э. Циолковского.

5.2. ВЫВОДЫ.

1. Показана технологическая и техническая универсальность метода обработки смазочных сред трибосистем лазерным излучением.

2. Предложено использование лазерного метода обработки смазочных сред для трибосопряжений с различными типами трения.

3. Рассмотрены варианты конструктивных решений по реализации метода применительно к типовым узлам трения приборои машиностроения.

Рис. 5.5. Схема варианта подвода лазерного излучения к узлу трения через модифицированный элемент конструкции — крышку.

1 — модифицируемый элемент — крышка- 2 — узел подвода лазерного излучения.

Рис. 5.6. Схема варианта подвода лазерного излучения к узлу трения с добавлением дополнительного конструктивного элемента при невозможности модификации конструкции существующих элементов.

1 — добавляемый конструктивный элемент для подвода лазерного излучения.

— 167 -ЗАКЛЮЧЕНИЕ.

1. В результате проведенного анализа типовых узлов трения приборов осуществлена оценка основных видов износа их элементов. Вскрыта совокупность факторов, влияющих на интенсивность и величину износа контактирующих элементов узлов трения приборов .

2. На основании анализа литературных источников определено место лазерной активации жидких смазочных сред среди других методов физической активации технических жидкостей. Определены его основные преимущества и перспективы использования. Проведен анализ возможных областей применения предлагаемого метода активации смазочной среды трибосопряжений приборов.

3. Рассмотрены функциональные свойства и особенности пространственного строения молекул жидких смазочных веществ и их модификаций на базе противоизносных присадок. На базе сравнительного анализа способов увеличения износостойкости контактирующих узлов трения приборов прогнозируется приоритетность использования активации смазки внешним энергетическим воздействием по отношению к методу применения присадок в составе смазочной среды.

4. На основании проведенного анализа существующих методов активации смазочно-охлаждающих технологических средств (СОТС) внешними источниками энергии выдвинуто предположение о возможности перехода от высокоэнергетических внешних воздействий на смазочную среду, применяемых в существующих методах физической активации, к низкоэнергетическим диапазонам мощностей обработки.

5. Обоснован выбор источника электромагнитного излучения для реализации физической активации смазочных жидкостей, используемых в качестве смазочной среды узлов трения приборов. В соответствии со спектральными характеристиками смазочных жидкостей, применяемых в приборостроении, определены оптимальные параметры электромагнитного излучения, формируемого лазерным излучателем.

6. В результате проведенных теоретических и экспериментальных исследований впервые в отечественной и зарубежной практике разработана и реализована технология процесса активации смазочных сред электромагнитным излучением оптического диапазона длин волн, формируемым лазерным излучателем. Определены основные технологические параметры процесса обработкивремя экспозиции и мощность электромагнитного излучения.

7. В ходе экспериментов исследованы и определены технологические возможности применения метода лазерной обработки для модификации характеристик жидких смазочных сред узлов трения приборов с целью повышения качества их функционирования.

8. Вскрыта совокупность факторов, обуславливающих изменение параметров смазочных сред в результате обработки их электромагнитным излучением оптического диапазона длин волн. Исследован механизм взаимодействия смазочной среды, обработанной лазерным излучением, с поверхностью контактирующих элементов трибосопряжений.

9. Разработана модель начального уровня, связывающая характеристики смазочной среды и параметры воздействующего на нее лазерного излучения. На базе теоретической модели осуществлен выбор комплексного параметра смазочной среды, использованного для анализа влияния параметров лазерного излучения на характеристики жидких смазочных сред и эксплуатационные показатели узлов трения приборов.

10. Проведены экспериментальные -'исследования, позволившие определить особенности влияния параметров лазерного излучения на характеристики смазочных сред и характер взаимодействия элементов пар трения при наличии в зоне контакта смазочной среды, обработанной лазерным излучением.

11. Разработан и применен метод газоразрядной визуализации (ГРВ) для исследования зависимости энергетического состояния жидких смазочных сред от параметров внешнего энергетического воздействия — лазерного излучения. Разработаны методики применения метода ГРВ для оценки свойств смазочных сред. Определены временные диапазоны сохранения смазочными жидкостями результатов воздействия лазерного излучения. Зафиксировано отсутствие зависимости сохраняемости результатов воздействия лазерного излучения на смазочную среду от температурного фактора.

12. В результате экспериментальных исследований зафиксирована тенденция к уменьшению величины и интенсивности износа элементов трибопар при применении в качестве смазочной среды смазочной жидкости, обработанной лазерным излучением. Суммарный износ контактирующих элементов трибосопряжений снижается на 20−4-40%. Объяснение такого эффекта основывается на особенностях предполагаемого механизма взаимодействия молекул смазочной среды, активированной лазерным излучением, и поверхности металлических элементов трибосистемы.

13. Показано, что предполагаемый механизм взаимодействия смазочной среды, обработанной лазерным излучением, с поверхностью элементов трибосистемы имеет место независимо от типа трения. Исследовано влияние обработки смазочной среды лазерным излучением на эксплуатационные характеристики шарикоподшипниковых опор — типовых представителей объектов приборостроения. Установлено, что применение смазочной среды, обработанной лазерным излучением, приводит к улучшению триботехнических параметров узла трения.

14. Определены области и направления возможного применения предлагаемого метода активации смазочных сред. Показана технологическая и техническая универсальность разработанного метода активации смазочных жидкостей. Разработаны методики и рекомендации по использованию лазерной обработки смазочных сред при создании новых технологий сборки изделий приборои машиностроения и новых конструкций узлов трения.