Развитие науки и техники в последние десятилетия показало, что надежные и долговечные машины, оборудование, приборы могут быть созданы только при совместном решении теоретических и прикладных задач трения, износа и смазки, т. е. задач трибологии и триботехники.
Наиболее распространенной причиной (85%-90%) выхода деталей и узлов современных машин из строя является их износ. Недостаточный ресурс машин и механизмов приводит к огромным непроизводительным затратам материалов, энергии и рабочей силы, в том числе и на железнодорожном транспорте, который является энергоемкой, материалоемкой и трудоемкой системой. Основная доля всех отказов железнодорожной техники вызвана процессами трения и изнашивания в тяжелонагруженных трибосистемах. Таким образом, прогресс на транспорте связан с проблемой повышения износостойкости узлов трения, в решении которой важную роль играет создание новых полимерных композитов и смазочных материалов с заданными свойствами. Однако диапазон использования этих материалов сравнительно невелик и не отвечает требованиям производства. Одна из причин — отсутствие научно обоснованных методов определения фрикционных и адгезионных характеристик металлополимерных трибосопряжений, максимально учитывающих специфические свойства полимерных композитов, прежде всего их способность накапливать электрические заряды, генерировать активные продукты деструкции и образовывать в узле трения самосмазывающие пленки.
Проблема повышения износостойкости особенно остро ощущается в металлополимерных сопряжениях. Это обусловлено температурой, физико-механическими, физико-химическими процессами в сопряжениях, которые еще до конца не выяснены. При решении этих вопросов значительное место занимает разработка мероприятий по повышению износостойкости тяжелонагруженных узлов трения.
Современной тенденцией машиностроения является управление процессами получения структур и свойств материалов, которые адаптированы к условиям эксплуатации конструкций машин. Для этого используются разнообразные физические явления: импульсное воздействие электромагнитными и температурными полями, плазменная и ионная обработка поверхностного слоя изделий, процессы диффузии и осаждение твердых, жидких и газообразных сред в поры материала. Однако генеральной линией управления свойствами материалов является создание смесевых структур. Это связано с тем, что традиционные конструкционные материалы — металлы, полимеры и керамики — не обладают набором свойств, необходимых для экстремальных условий эксплуатации современной техники.
Актуальной задачей триботехники является выяснение особенностей поведения поверхностных слоев металлополимерного трибоконтакта. Для исследования процессов, происходящих в объеме и в пограничном слое необходимо разработать как методы диагностики, так и теоретические модели, специфическое назначение которых с одной стороны учитывать изменения в пограничном слое, а с другой — приводить к простым инженерным расчетам.
Научно-теоретические исследования в триботехнике позволяют утверждать, что в нашей стране достигнуты значительные успехи в создании композиционных материалов для узлов трения машин и механизмов. Отечественными учеными сформулированы принципиальные положения и предложен ряд теорий, объясняющих фундаментальные явления трения, износостойкости деталей и узлов. Имена ученых широко известны — это: A.C. Ахматов, В. А. Белый, В. Н. Виноградов, Д. Н. Гаркунов, Н. М. Демкин, Б. В. Дерягин, В.Н. Каще-ев, В. И. Колесников, Б. И. Костецкий, В. А. Кислик, И. В. Крагельский, В. Н. Лозовский, Н. М. Михин, Г. А. Прейс, П. А. Ребиндер, Г. М. Сорокин, Н.М. Тенен-баум, М. М. Хрущов, И. Н. Черский и другие.
Исследования трения полимерных материалов отражены в работах Г. М. Бартенева, Ф. Боудена, В. А. Белого, Г. А. Гороховского, Ю. А. Евдокимова, Д. Ланкастера, A.A. Кутькова, В. И. Колесникова, А. И. Свириденка, Д. Плея, Р. Штейна, A.B. Чичинадзе и многих других.
Однако проблема управления фрикционно-контактным взаимодействием металлополимерных соединений остается нерешенной. Такое положение обусловлено отставанием теории и экспериментальных методов исследования, а также возникновением множества новых задач, обусловленных специфическими свойствами этих материалов. Специфика полимерных материалов обусловлена их чувствительностью к различным факторам трения, внешней среды и 'Ф еще тем, что их работа в узлах трения сопровождается процессами трибоэлектризации, диффузии [83,18,33,92,29], а также деструкции с образованием химических активных продуктов, которые могут взаимодействовать с металлической поверхностью [155].
Важным преимуществом композиционных полимерных материалов с высокой износостойкостью и низким коэффициентом трения является эффект пленкообразования — способность полимера, образовывать на поверхности трения пленку переноса. В последнее время ведущие специалисты в области трения как у нас, так и за рубежом к основным требованиям, предъявляемым к антифрикционным материалам относят и способность образовывать на поверхности трения пленку переноса, обладающую смазочными свойствами [155,32,53]. Именно это согласуется с одним из непременных условий осуществления ^ внешнего трения — положительным градиентом механических свойств [85].
Среди материалов, используемых в узлах трения современной техники, все более заметную роль играют полимеры и композиционные материалы (КМ) на основе полимеров. За последнее время почти четверть всех публикаций по трибологии посвящены изучению процесса трения и механизма изнашивания композиционных материалов на основе полимеров. Из композиционных материалов, используемых в тяжелонагруженных узлах трения современных машин и механизмов, выделяются антифрикционные самосмазывающиеся композиционные материалы. Один лишь перечень антифрикционных самосмазывающихся композиционных материалов насчитывает множество наименований [83,18,33,92,29,155,32,63,60]. Среди них выделяются своими высокими трибо-логическими характеристиками такие, которые содержат в своем составе волокна ПТФЭ и углерода [43,87,85,84,86,82,81,19,53].
Повышенное внимание ученых к изучению тяжелонагруженных трибосистем железнодорожного транспорта вызвано специфическими условиями эксплуатации подвижного состава, ростом скоростей движения в сочетании с высокими требованиями к оборудованию. Для снижения потерь на трение и изнашивание необходимо выявить причины выхода из строя трибосопряжений и разработать методы управления трибомеханическими, трибоэлектрическими, трибохимическими и т. п. процессами, протекающими на фрикционном контакте.
Одной из областей применения КМ являются тяжелонагруженные узлы трения подвижного состава, наиболее многочисленными из которых являются трибосопряжения грузовых вагонов. Сопряжение кузов-тележка грузового вагона, оказывающее существенное влияние на горизонтальную динамику подвижного состава, реализуется в виде скользящих опор, которые имеют наиболее простое конструктивное исполнение. Эксплуатация подвижного состава со скользящими опорами показала, что при движении на участках со сложным планом пути (кривые малого радиуса, наличие двойных и тройных сопряжений и т. д.) из-за возникающих в опорах значительных сил трения появляются моменты, затрудняющие поворот тележки. Это приводит к увеличению расхода топлива, боковому износу рельсов, расстройству верхнего строения пути и снижению скорости движения. Все это является особенно актуальным для подвижного состава, эксплуатирующегося на тракционных и подъездных путях промышленных предприятий, для которых характерно наличие значительного количества участков со сложным планом пути.
7. Результаты работы реализованы в конструкции узла трения: пятник — ме-таллополимерная прокладка — подпятник грузового вагона (патент № 2 002 127 861/04 (29 425)), эксплуатационные испытания которой показали, что износ деталей трибосопряжения уменьшился в 1,5−2 раза, а износ гребней колес снизился на 15−25%.
