Научно обоснованные технические решения по обеспечению работоспособности сферических шарнирных подшипников механизмов привода управления летательных аппаратов для экстремальных условий эксплуатации тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.02.02, кандидат наук Шишурин Александр Владимирович

• Шишурин Александр Владимирович
• кандидат наук
• 2018

Оглавление диссертации кандидат наук Шишурин Александр Владимирович

СПИСОК УСЛОВНЫХ СОКРАЩЕНИЙ

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. ТРЕБОВАНИЯ, ОБЕСПЕЧИВАЮЩИЕ РАБОТОСПОСОБНОСТЬ ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНЫХ ТЯЖЕЛОНАГРУЖЕННЫХ УЗЛОВ ТРЕНИЯ В ЭКСТРЕМАЛЬНЫХ УСЛОВИЯХ

1.1. Условия работы СШП, цели и задачи исследования

1.2. Материалы для подшипников скольжения, работающих

в экстремальных условиях

1.3. Покрытия узлов трения, работающих в экстремальных условиях

1.3.1. Износостойкие покрытия

1.4. Твердые смазочные материалы

1.5. Композиционные порошковые антифрикционные материалы

ГЛАВА 2. ОПРЕДЕЛЕНИЕ НАПРЯЖЕНИЙ И ДЕФОРМАЦИЙ ПРИ СЛОЖНОМ НАПРЯЖЕННОМ СОСТОЯНИИ ШАРНИРНОГО УЗЛА ПРИВОДА УПРАВЛЕНИЯ ЛА

2.1. Механические свойства пластического материала

2.2. Обобщенные напряжения и обобщенные скорости деформаций

2.3. Упруго-пластический расчет и расчет по предельным нагрузкам

2.4. Экспериментальная оценка коэффициентов трения шарнирного

узла

ГЛАВА 3. ОБОРУДОВАНИЕ И МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ СШП В ЭКСТРЕМАЛЬНЫХ УСЛОВИЯХ

3.1. Конструкция испытательных стендов по оценке работоспособности СШП

Стр.

3.3. Объекты испытаний и узел фиксации колец испытуемых подшипников

3.4. Геометрическое и силовое подобие в СШП

3.5. Результаты сравнительных испытаний

ГЛАВА 4. ИССЛЕДОВАНИЕ РАБОТОСПОСОБНОСТИ СШП С

КОМПОЗИЦИОННЫМИ МНОГОСЛОЙНЫМИ ПОКРЫТИЯМИ

4.1. Существующие методы расчета подшипников скольжения сухого трения на долговечность

4.2. Определение ресурса СШП с композиционными многослойными покрытиями

4.3. Экспериментальные исследования работоспособности СШП в экстремальных условиях

4.3.1. Рабочее место испытаний СШП

4.3.2. Объекты исследований

4.3.3. Методика проведения испытаний и контролируемые параметры

4.4. Порядок проведения испытаний

4.4.1. Результаты сравнительных испытаний СШП

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

Список литературы

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Научно обоснованные технические решения по обеспечению работоспособности сферических шарнирных подшипников механизмов привода управления летательных аппаратов для экстремальных условий эксплуатации»

ВВЕДЕНИЕ

Необходимость создания аппаратов, способных совершать полеты как в атмосфере, так и в космическом пространстве, ставит перед исследователями и конструкторами ряд сложных научно-технических задач.

Одной из них является создание узлов трения, способных сохранять свою работоспособность в широком диапазоне нагрузок и температур как в воздушной среде, так и в глубоком вакууме.

В настоящее время широкое применение в авиационной и космической технике в качестве опор скольжения получили СШП, имеющие значительные преимущества по сравнению с традиционными цилиндрическими опорами. Возможность восприятия как радиальных, так осевых нагрузок, способность к самоустановке, повышенная нагрузочная способность позволяет устанавливать эти узлы трения в различных устройствах и механизмах. Однако, существующие типы шарнирных подшипников далеко не всегда удовлетворяют тем требованиям, которые предъявляет развитие современной техники и появление более прогрессивных технологий. Отсутствие материалов и ТСП, способных противостоять экстремальным условиям работы, осложняют задачу применения шарнирных подшипников.

Отсутствие единой методики экспериментального исследования шарнирных подшипников усложняет систему обобщения экспериментальных данных.

В этой связи в представленной работе проведено широкое научное, экспериментальное и методологическое исследование по оценке фрикционных характеристик новых ТСП и материалов, предполагаемых для работы в экстремальных условиях. По результатам испытаний отобраны наиболее перспективные виды материалов и покрытий, отвечающие требованиям сохранения высокой износостойкости, стабильных механических свойств, отсутствия схватыванию, высоких антифрикционных характеристик.

Отсутствие универсальной теории трения и изнашивания, методики определения напряжений и деформаций при сложном напряженном состоянии шарнирного узла трения, применительно к сферическим шарнирным подшипникам в экстремальных условиях работы, предопределило необходимость научных и экспериментальных исследований, а также создания стендового оборудования, имитирующего реальные условия эксплуатации СШП.

Работоспособность СШП в большой мере зависит от параметров упругопластических деформаций опорных узлов трения. Предложен экспериментально-расчетный метод определения напряженно-деформируемого состояния шарнирного узла трения с учетом влияния пластических деформаций и определения остаточных напряжений.

Для определения работоспособности СШП с композиционными ТСП была разработана комплексная методика испытаний при изменении внешнего воздействия с учетом изгибающих моментов, которые позволили оценить влияние на трибологические процессы в подшипниках силовой нагруженности, температуры, рабочей среды, скорости скольжения и т.д.

Результаты работы использованы для создания опор скольжения шарнирных соединений, и в частности, СШП механизмов приводов управления ЛА в экстремальных условиях эксплуатации.

ГЛАВА 1. ТРЕБОВАНИЯ, ОБЕСПЕЧИВАЮЩИЕ РАБОТОСПОСОБНОСТЬ ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНЫХ ТЯЖЕЛОНАГРУЖЕННЫХ УЗЛОВ ТРЕНИЯ В ЭКСТРЕМАЛЬНЫХ УСЛОВИЯХ

В соответствии с современными представлениями трение и износ твердых тел характеризуются весьма сложными процессами взаимодействия тонких поверхностных слоев, сопровождающихся изменением структуры и свойств материалов под воздействием нагрузки, температуры, окружающей среды и многих других факторов [30, 32, 34].

1.1. Условия работы СШП, цели и задачи исследования

Условия работы узлов трения авиационной и космической техники включает в себя целый спектр различных факторов, оказывающих существенное влияние на рабочие характеристики всего изделия в целом.

Отсутствие универсальной теории трения предопределяет детальное изучение каждого отдельного узла, механизма и т.д.

К наиболее важным параметрам, определяющим служебные характеристики опорных узлов трения и требования, предъявляемые к материалам, относятся [3, 12, 14, 30, 40]:

- скорость;

- рабочие температуры;

- удельные нагрузки;

- рабочая среда;

- характер нагружения.

Весьма ответственными и наименее долговечными узлами, как правило, являются опорные шарнирные узлы [1, 2, 3]. Неотъемлемыми элементами шарнирных узлов являются шарнирные подшипники. Шарнирные подшипники встраиваются в узлы опор, обеспечивая компенсацию пространственных

деформаций и перемещений, используются в качестве элементов подвижных соединений механизмов управления. Так в створках грузового отсека американского корабля «Columbia» в качестве подвижных опор использованы сферические шарнирные подшипники с ТСП на основе дисульфида молибдена.

Создание комбинированных двигательных установок, как разгонной, так и орбитальной ступени является первостепенной задачей. Подвеска двигателей осуществляется через специальные шарнирные узлы, позволяющие в процессе работы совершать отклонения двигателя. Угол отклонения двигателя в подвеске для разгонной ступени составляет ±11°, для орбитальной ступени ±8°. Составную часть узлов подвески составляют СШП.

Усложнение конструкции летательных аппаратов выдвигает повышенные требования к работоспособности и надежности к опорным узлам трения, количество которых постоянно возрастает, например, в механизмах регулирования тяги газовой струи реактивного сопла их более ста.

На Рис. 1.1 показаны места применения СШП.

Рис. 1.1.

Важным требованием, предъявляемым к шарнирным подшипникам, является обеспечение и сохранение низкого коэффициента трения, определяющего мощностные характеристики и вес механизмов различных приводов.

Существует необходимость создания СШП с ТСП, с покрытиями, обладающими предельным значением коэффициента трения 0,25...0,3 в широком диапазоне воздействия внешних факторов. При этом, от величины коэффициента трения будет зависеть прочность и быстродействие управляемых систем [48, 49, 50].

Требования к износу сопрягаемых поверхностей не менее жесткие, так как от него зависит величина внутренних зазоров, которые, в свою очередь в условиях наличия вибраций, приводят к нежелательному росту динамических нагрузок и опасности хрупкого разрушения элементов узлов трения.

Высокие требования по стабильности рабочих параметров СШП в условиях резко меняющихся во времени рабочих параметров - нагрузок, температур, воздействия воздушной среды или вакуума, скорости скольжения и вида движения, ставят перед разработчиками узлов трения большое количество новых и сложных задач [13, 14, 18, 21].

Они могут быть решены при условии создания и использования в СШП новых, перспективных материалов, а также ТСП, способных отвечать современным требованиям.

Поставленная задача не может быть решена без организации широких исследований и испытаний вновь создаваемых узлов трения в условиях близким к эксплуатационным и без совершенствования существующих и вновь разрабатываемых методов расчета рассматриваемых узлов.

Целью работы состоит в обеспечении работоспособности СШП опорных узлов механизмов управления ЛА при работе в экстремальных условиях. Для достижения поставленной цели были сформулированы и решены следующие задачи:

1) определение нагрузочных режимов СШП, воздействующих факторов и условий работы механизма привода управления, возникающих в реальных условиях;

2) разработка стендового оборудования, имитирующего реальные условия полета ЛА и позволяющего проводить широкие исследования и испытания опорных узлов механизмов управления и СШП;

3) разработка методики испытаний СШП в режимах постоянного и циклического изменения действующих факторов (температура, радиальная нагрузка, силовой износ покрытия, диаметральный зазор);

4) определение критериев работоспособности СШП;

5) разработка научно обоснованных технических решений по обеспечению работоспособности СШП механизмов привода управления ЛА для экстремальных условий эксплуатации.

Отсутствие универсальной теории трения и изнашивания, применительно к СШП в экстремальных условиях работы, предопределило необходимость разработки методики экспериментального исследования, а также создания стендового и исследовательского оборудования, позволяющего проводить испытания, имитирующего реальные условия эксплуатации СШП.

Работоспособность СШП в большей мере зависит от параметров, характеризующих контактное взаимодействие рабочих поверхностей. Предложен расчетный метод определения максимальных контактных давлений, основанный на получении безразмерных комплексов геометрического и силового подобия СШП.

Для определения ресурса СШП с композиционными покрытиями в условиях, близких к эксплуатационным, была разработана методика и проведены испытания при изменении внешних факторов воздействия на СШП в соответствии с временными циклограммами.

узла трения, а также разработан метод расчета по предельным нагрузкам шарнирного узла трения.

Проведенные исследования выявили закономерности трения и изнашивания СШП, а также позволили количественно оценить влияние на работоспособность в подшипниках силовой нагруженности, температуры, а также рабочей среды.

Результаты, полученные в данной работе, позволили дать обоснованные и проверенные рекомендации по применению и эксплуатации материалов и антифрикционных покрытий для СШП механизмов приводов управления ЛА.

1.2. Материалы для подшипников скольжения, работающих в экстремальных условиях

Специфика применения шарнирных подшипников в экстремальных условиях обуславливает выбор материалов, способных выдерживать воздействие высоких нагрузок в широком диапазоне температур в различных газовых средах и в вакууме. Наряду с общими требованиями, предъявляемыми к материалам подшипников, материалы для высокотемпературных подшипников должны обладать целым рядом дополнительных свойств [40, 43, 44]:

1) высокой жаропрочностью и коррозионной стойкостью;

2) стабильностью механических характеристик при различных температурах (ав, НВ, E, M и др.);

3) высокой теплопроводностью, а также близким значением коэффициентов линейного расширения с материалами корпусных деталей и осей;

4) минимальное значение твердости при рабочих температурах должно быть не менее 40.45 Н^, а предел текучести должен быть значительно выше величины действующих контактных напряжений;

5) высокой износостойкостью и низким значением коэффициента трения.

Как правило, совместить все эти качества в одном материале не удается и поэтому появляется необходимость в применении твердосмазочных покрытий [9, 10, 12].

1.3. Покрытия узлов трения, работающих в экстремальных условиях

Существуют несколько классификаций твердосмазочных материалов (ТСМ) [10, 15, 25]. Твердые смазки подразделяются на следующие группы: структурные смазки, протекторные механические смазки, химически активные смазки и др.

Вне зависимости от принятой классификации, считается что наиболее радикальным является использование этих материалов в виде тонких покрытий, прочно закрепленных на поверхности металла [9, 10, 15]. Основными требованиями к подобным покрытиям для обеспечения антифрикционных свойств являются:

1) возможно меньшая толщина для предотвращения изменения геометрии и зазоров подшипников при пластической деформации слоя твердой смазки;

2) низкое сопротивление сдвигу;

3) высокая адгезия материала покрытия к подложке;

4) высокое сопротивление износу, а также вид продуктов износа;

5) химическая стойкость материалов покрытия;

6) высокая температурная стойкость.

1.3.1. Износостойкие покрытия

Одним из наиболее эффективных путей повышения долговечности деталей, работающих в условиях контактной усталости и истирания, является создание на трущихся поверхностях прочных износостойких слоев, позволяющих резко увеличивать усталостную прочность, коррозионную стойкость и износостойкость материалов [42, 43, 44, 50].

Поверхностную обработку металлов с целью повышения износостойкости можно проводить двумя путями:

1) нанесением защитного слоя каким-либо из методов осаждения покрытий;

2) преобразованием поверхностного слоя металла методом химико-термической обработки (ХТО) [20, 21, 27], а также новыми методами электроннолучевой и лазерной закалки и другим, менее распространенными методами, например, методом магнитно-электрического упрочнения.

Эффективность применяемого метода упрочнения зависит от правильности его выбора, т.е. от соответствия физико-механических свойств получаемого покрытия требованиям, предъявляемым условиям работы опорного узла трения.

Хорошо известны методы электро-химической защиты поверхностей для создания антифрикционных износостойких покрытий на основе мягких и твердых металлов. При нанесении тонких (несколько мкм) гальванических покрытий Ли, Л§, РЬ, Уп, Си за счет низкого сопротивления сдвигу материала покрытия и высокой прочности основы получаются низкие коэффициенты трения. Однако износостойкость таких тонких, мягких покрытий невелика [2, 4, 5].

Гальванические покрытия Ли, Си, Со, Сг и композиционное покрытие №с добавкой МоБ2, нанесенные на титановый сплав Т1-6Л1-4У значительно снижают трение и изнашивание. При колебательных движениях с частотой 50 Гц коэффициент трения для указанных покрытий при увеличении числа циклов постепенно возрастает до 0,7.1,00. В режиме колебательного движения при использовании гальванических покрытий Л§ и Со изнашивание существенно снижается [21, 25, 27].

Метод электрохимического оксидирования (анодирования) применяют для получения толстых (до 200 мкм) окисных пленок на поверхности черных и цветных металлов. Образующаяся при этом окисная пленка отличается высокой твердостью, износостойкостью, жаропрочностью и электроизоляционными свойствами. Применение в опорных узлах трения анодированных поверхностей

приводит к существенному возрастанию коэффициентов трения по сравнению с коэффициентами трения для необработанных поверхностей [39, 45, 48].

Из существующих методов напыления наибольшими возможностями обладают методы плазменного и детонационного напыления. Наиболее часто плазменное напыление используют для напыления тугоплавких покрытий, таких, как окись алюминия, Мо, ЫЪ, интерметаллиды, силициды, карбиды, бориды и т.д.

Существенным преимуществом детонационного напыления является незначительный нагрев покрываемой детали и распыляемых частиц. Получаемые при этом покрытия по плотности, прочности, жаропрочности, износостойкости значительно превышают аналогичные характеристики покрытий, получаемых методами плазменного и ионного напыления [18, 22]. Напыляемые износостойкие покрытия представляют собой напыленные порошковые твердые сплавы. Твердая составляющая сплава (карбида) заключена в мягкую матрицу, препятствующему хрупкому разрушению зерен карбида. Оптимальную по износостойкости композицию составляет карбид вольфрама и кобальт. Микроструктура напыляемых покрытий оказывает влияние на абразивную износостойкость. Износостойкость повышается у сплавов с аустенитной матрицей при увеличении объема карбидов и возрастании их твердости.

В последнее время широкое распространение получили методы нанесения износостойких покрытий в вакууме. Различают три основных метода нанесения покрытий: катодное распыление, термическое напыление и ионное осаждение [8, 15, 35]. В зависимости от реакционной способности газовой среды методы напыления могут быть физическими и химическими.

Высокую износостойкость имеют покрытия ТЮ, ТЫ, отличающиеся высокой твердостью и относительно невысокими коэффициентами трения. Качество нанесения покрытия зависит от давления, расхода газа, вида и состава газовой среды, температуры в камере и ряда других факторов. Покрытия ТЮ иТЫ имеют высокую износостойкость при адгезивном и абразивном изнашивании. В то же время в условиях эрозионного изнашивания эти покрытия

приобретают хрупкость. Покрытие ТК применяют в парах трения, работающих в агрессивных средах, в вакууме, в условиях низких и высоких температур, в узлах возвратно-поступательного движения в вакууме и в среде инертных газов. Нанесение Т1К обеспечивает увеличение износостойкости на один-два порядка по сравнению с детонационным напылением.

Износостойкость покрытий, нанесенных катодным распылением, существенно зависит от твердости подложки, от адгезии к основе и технологии нанесения. Долговечность пленки Л1203, нанесенной на алюминиевый сплав, углеродистую сталь, коррозионную сталь и спеченный карбид, возрастает при увеличении твердости основы. Металлические окислы, карбиды, силициды, бориды, нанесенные распылением, обладают высокой твердостью и износостойкостью при высоких температурах.

Для повышения адгезии покрытий применяют механические способы предварительной подготовки поверхности: обработку поверхности абразивом, полирование алмазной пастой, промывку и сушку. Окончательную очистку производят в вакуумной камере ионным травлением.

Адгезия тугоплавких веществ к металлическим подложкам повышается при создании промежуточных слоев, состоящих из смеси окислов, нитридов и карбидов, образованных из материала покрытия или подложки в результате предварительного окисления [9, 12, 52].

Для обработки поверхностного слоя материала с целью повышения износостойкости используется ускоренный поток ионизированных атомов с энергией 100.20 кэВ в вакууме. Глубина проникновения ускоренных электронов составляет примерно 0,1 мкм и происходит она за счет высокой кинетической энергии частиц и не требует высокой температуры. Ионную имплантацию применяют для изменения триботехнических свойств, повышения коррозионной стойкости и повышения прочности сцепления покрытия с основой.

возникают специфические фазовые и структурные превращения материалов. При воздействии лазерного излучения тонкий поверхностный слой подвергается термообработке. Высокие скорости нагрева (до 105оС/с) и охлаждения (до

о

510 оС/с) приводят к образованию метастабильных фаз сверхтонкой структуры вещества перенасыщенных твердых растворов. При этом возникает аморфная структура металлических «стекол». Металлические «стекла» обладают высокой коррозионной стойкостью и износостойкостью. Температура существования металлических «стекол» примерно в 2 раза ниже температуры плавления металла [8, 53, 54]. В результате измельчения структуры, увеличения плотности дефектов происходит упрочнение поверхности металлов. Толщина «стеклообразного» слоя уменьшается при увеличении плотности поглощенного потока лазерного излучения, так как при этом увеличивается скорость охлаждения и сокращается время достижения температуры испарения [8, 9, 59]. При повышении плотности энергии лазера увеличивается диффузия элементов к поверхности, что способствует образованию метастабильного слоя. Метастабильное состояние поверхностных слоев приводит к повышению в 3.. .5 раз износостойкости контактирующих пар трения [1, 2, 3, 11].

В результате облучения различных сталей, чугуна, алюминиевых сплавов, бронзы, титановых сплавов лазерами непрерывного излучения существенно повышается поверхностная прочность металлов и сплавов. Лазерное упрочнение низкоуглеродистых сталей 20 и 20ХН3А с целью повышения их износостойкости наиболее эффективно производить после их цементации. Износостойкость образцов повышается также при увеличении числа лазерных дорожек на обрабатываемой поверхности [11, 25, 26, 27].

1.4. Твердые смазочные материалы

основой и низким сопротивлением сдвигу, слабо испаряются в глубоком вакууме, радиационностойки, имеют малую склонность к разложению и старению. ТСМ не загрязняют детали механизмов, отличаются простотой нанесения, особенно на большие опорные поверхности, а также повышенной несущей способностью за счет высоких прочностных свойств подложки [10, 12, 30, 35].

Наряду с указанными преимуществами ТСМ отличаются повышенным изнашиванием, низкой теплопроводностью и сравнительно невысокой долговечностью. Относясь к разряду практически невосстанавливаемых при повреждении, эти материалы обладают ограниченным ресурсом, зависящим от толщины смазочной пленки и условий эксплуатации.

Одним из основных факторов, определяющих диапазон применения ТСМ, является их температурная стабильность. Различные типы ТСМ предназначены для работы при температурах свыше 1000°С, они также работоспособны на воздухе до 300°С и выше, в вакууме и в среде инертных газов - до значительно более высоких температур. Эти материалы применяют в низкочастотных узлах трения, в режимах пуска и остановки механизмов, когда жидкие и пластичные смазочные материалы не обладают необходимой несущей способностью.

Применение ТСМ позволяет избежать схватывания трущихся поверхностей в узлах трения, совершающих колебательные движения в условиях фреттинг-коррозии.

К ТСМ относятся твердые неорганические вещества - графит, нитрид бора, сульфиды, селениды, теллуриды, фториды, йодиды металлов, оксиды металлов, мягкие металлы (Ли, Л§, Уп, Сё, В, Бп, Си и др.).

ТСМ применяют:

- в виде пленок, наносимых натиранием, галтовкой и т.д., в виде твердых покрытий, содержащих неорганические порошки со связующими и без связующих;

- в виде прессованных таблеток и брикетов для использования в качестве смазывающих карандашей и ротапринтных узлах трения;

- в составе композиционных самосмазывающихся материалов, применяемых в виде деталей узлов трения, изготавливаемых методом порошковой металлургии.

Наибольшее распространение получили неорганические слоистые порошковые ТСМ, МоБ2 и графит, имеющие высокие смазочные свойства, обусловленные их слоистым кристаллическим строением с ярко выраженной анизотропией механических свойств в двух взаимно перпендикулярных направлениях, а также хорошей адгезией к неметаллам. МоБ2 - порошок свинцово-серого цвета, на воздухе сохраняет смазочные свойства в диапазоне от криогенных температур до 400ОС, а в неокислительной среде и при значительно более высоких температурах [17, 20, 22, 23].

Халькогениды (сульфиды, селениды, теллуриды и др.) имеют слоистую структуру, аналогичную структуре МоБ2 и хорошие смазочные свойства.

Графит отличается высокой термостойкостью, чем объясняется его широкое применение в качестве высокотемпературного твердого смазочного материала. При температуре 2000ОС графит становится пластичным. Для улучшения смазочных свойств графита в условиях, когда граничные слои отсутствуют (сухой воздух, вакуум), предлагается вводить в состав графита различные соединения, которые способны в этих условиях испаряться или разлагаться с выделением веществ, сорбирующих на поверхности трения [27, 35, 36].

При внедрении атомов или молекул веществ (интеркалянтов) между плоскостями слоистых твердых тел образуются химические соединения; расстояние между плоскостями слоистых веществ увеличивается, что приводит к снижению межплоскостной энергии связи и осуществляется более мягкое скольжение одной атомной плоскости по другой. В качестве интеркалянтов применяют различные переходные металлы (Со, Бе, Си, N1, Р1:, А1), хлориды (Н1, У, Бе, Со, Си) и другие металлы, которые в результате интеркаляции образуют с графитом химические соединения. Так из сравнения полученной

модифицированной смазочной пленки с пленками МоБ2 и обычного графита следует, что графит, содержащий 19,8% СоС12в 7,6 раз долговечнее обычного графита. Таким образом, метод интеркаляции открывает пути для разработки ТСМ с заданными свойствами с повышенной износостойкостью, низким коэффициентом трения и высокой несущей способностью.

Все большее распространение получают ТСМ, содержащие смеси МоБ2 с различными твердыми смазочными материалами [59, 70, 73].

В настоящее время получили развитие новые методы вакуумного и плазменного напыления твердых смазочных материалов. Вакуумная технология нанесения ТСП удачно сочетается с операциями ионного травления подложки в целях тщательной очистки поверхности перед напылением покрытия и легирования, и позволяет наносить покрытия без термического подогрева подложки и при высокой адгезии ТСП к подложке [6].

Методом катодного распыления получены твердые смазочные пленки (толщиной 2.5 мкм) тройного сплава Бе-Мо-Б, обладающие хорошими антифрикционными свойствами [38, 56, 57]. Коэффициент трения покрытий такого сплава составляет примерно 0,1. Напыление производится в среде Лг и И2Б, парциальное давление которых оказывает влияние на состав и триботехнические характеристики покрытия.

В качестве высокотемпературных ТСМ применяют дихалькогениды, графит, фтористый графит (СБх)п, полиимиды, мягкие окислы, фториды. В атмосфере Лг и в вакууме температурный предел дихалькогенидов определяется

7 4

температурой их термической диссоциации. В вакууме 10-7.10-4 Па пленки МоБ2, WS2, МоБе2, WSe2, нанесенные натиранием, работоспособны до температуры 650. 760°С.

Смазочные свойства полиимидов проявляются в диапазоне температур 100.500°С. Окислы свинца и кремния работоспособны при 500.600°С. При высоких скоростях скольжения (до 6 м/с) температурный диапазон этих окислов распространяется на температуры от 20°С до 500°С. Фториды (СаБ2, ВаБ2) применяют при температурах 500.950°С. Смеси окислов и фторидов

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Шишурин Александр Владимирович, 2018 год

Рис. 4.20 Ось после использования

Ось подшипника 0 11 мм, Материал - сплав на никелевой основе ЭК-61

Образец № 7

Рис. 4.21

Рис. 4.22

Микроструктура материала образца в центре сечения. Оптическое увеличение х 200

Рис. 4.24

Микроструктура материала образца в центре сечения. Оптическое увеличение х 200

Рис. 4.26

Микроструктура материала образца в центре сечения. Оптическое увеличение х 200

1. На основании результатов исследований определена конструкция СШП, обеспечивающая работоспособность ЛА в экстремальных условиях эксплуатации, за счет использования подобранных материалов, апробированных ТСП с заданными толщинами, а также технологий их изготовления.

2. Разработано и изготовлено уникальное стендовое оборудование, имитирующее реальные условия полета ЛА (стенд испытаний механизма привода управления; стенд автономных испытаний СШП).

3. На основе инженерного подхода предложен алгоритм расчета напряжений и деформаций при сложном напряженном состоянии шарнирного узла трения привода, учитывающий возникновение пластических деформаций, не приводящих к отказу механизма.

4. Разработана комплексная методика испытаний СШП при постоянных режимах и режимах циклического изменения действующих факторов в процессе работы: температур, рабочей среды и скорости скольжения.

5. Установлено, что влияющим фактором ограничивающим работоспособность СШП, является температура, определяющая долговечность покрытия и его антифрикционные свойства. Радиальная нагрузка в меньшей степени влияет на работоспособность.

6. Исходя из критерия отказа СШП по превышению коэффициентами трения эксплуатационной величины - 0,3, на основе комплексов, характеризующих влияние факторов на работу подшипника и ТСП, получены расчетные зависимости для определения ресурса СШП.

7. Проведены испытания СШП с целью оценки работоспособности и антифрикционных характеристик различных видов ТСП, полученных по новым технологиям для работы в экстремальных условиях, а также покрытий выпускаемых серийно.

Наиболее работоспособными, для эксплуатации в экстремальных условиях, соответствует СШП с многослойным композиционным покрытием (сплав ВЖЛ-3 с диффузионным напылением ^^^^ на основе ЭК-61.

РЕКОМЕНДАЦИИ

Результаты диссертационного исследования позволяют дать обоснованные и проверенные рекомендации по применению и эксплуатации материалов и антифрикционных покрытий для сферических шарнирных подшипников в опорных узлах трения изделий летательных аппаратов.

ПЕРСПЕКТИВЫ ДАЛЬНЕЙШЕЙ РАЗРАБОТКИ ТЕМЫ

Планируется дальнейшие исследования в области разработки новых композиционных материалов, которые позволили бы существенно повысить работоспособность сферических шарнирных подшипников механизмов управления летательных аппаратов в экстремальных условиях эксплуатации.

1. Александров В.М., Мхитарян С.М. Контактные задачи в машиностроении. М.: Машиностроение, 1986. 176 с.

2. Александров В.М., Ромалис Б.П. Контактные задачи для тел с тонкими покрытиями и прослойками. М.: Наука, 1983. 488 с.

3. Андриенко Л.А. Детали машин: Учебник для ВУЗов / Под ред. О.А. Ряховского, 2-ое изд., перераб. М.: Из-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2004. 520 с.

4. Анурьев И.И. Ракеты многоразового использования. М.: Воениздат, 1975. 216 с.

5. Анурьев В.И. Справочник технолога-машиностроителя. М.: Машиностроение, 2001. 201 с.

6. Бондарева В.Ф. О действии нормальной осесимметрической нагрузки на упругий шар // Прикладная математика и механика. 1969. Т.33. №6. С. 82 - 84.

7. Бондарева В.Ф. Контактная задача для упругого шара // Прикладная математика и механика. 1971. Т.35. №1. С. 61 - 70, С. 30 - 44

8. Борозин И.Н. Упрочнение деталей композиционными покрытиями. -М.: Машиностроение, 1982. - 141 с.

9. Боуден Ф.И., Тейбор Д. Трение и смазка. М.: Машиностроение, 1968.

543 с.

10. Брейтуэйт Е.Р. Твердые смазочные материалы и антифрикционные покрытия. М.: Химия, 1964. 320 с.

11. Влияние микроструктуры на локальные значения напряжений и деформаций в волокнистом композите / В.И. Колесников [и др.] // Вестник машиностроения. 2005. С. 35 - 38

12. Гафнер С.Л. Исследование долговечности тяжелонагруженных подшипников скольжения сухого трения // Машиноведение. 1973. №2. С. 69 - 73.

13. Гафнер С.Л., Добычин М.Н. К расчету угла контакта при внутреннем соприкосновении цилиндрических тел, радиусы которых почти равны // Машиноведение. 1973. №2. С. 69 - 73.

14. Гафнер С.Л. Исследование долговечности тяжелонагруженных подшипников скольжения сухого трения: дис. на соискание ученой степени канд. техн. наук. Москва. 1977. 192 с.

15. Герман А.Н. Разработка и исследование покрытий, обеспечивающих работоспособность высокотемпературных тяжелонагруженных узлов трения изделий авиационной техники: дис. на соискание ученой степени канд. техн. наук. Москва. 1977. 181 с.

16. Гончаренко В.Г. Антоненко В.А. Расчет работоспособности шарнирных подшипников // Вестник машиностроения. 1975. №1. С. 7,8.

17. Демкин М.Б. Трение износ и смазка. М.: Машиностроение. 2003.

575 с.

18. Дроздов Ю.Н. К оценке долговечности металлических радиальных сферических подшипников с пластичным смазочным материалом // Вестник машиностроения. 1983. №12. С. 13 - 17.

19. Дроздов Ю.Н., Павлов В.Г., Пучков В.Н. Трение и износ в экстремальных условиях. М.: Машиностроение, 1996. 224 с.

20. Дроздов Ю.Н. К расчету на износ (долговечность) самосмазывающихся радиальных сферических подшипников // Вестник машиностроения. 1983. №8. С. 5 - 9.

21. Дроздов Ю.Н. Обобщенные характеристики в анализе трения и смазки тяжелонагруженных тел // Машиноведение. 1974. № 6. С. 70 - 74.

22. Дроздов Ю.Н. Определение интенсивности изнашивания деталей машин // Вестник машиностроения. 1980. №6. С. 12 - 15.

23. Дроздов Ю.Н. Тепловой аспект проблемы заедания катящихся со скольжением тел // Машиноведение. 1972. №2. С. 71 - 79.

24. Евдокимов А.Е. и др. Анализ экспериментов при решении задач трения и износа. М.: Наука, 1980. - 228 с.

25. Зайцев А.М., Коросташевский Р.В. Авиационные подшипники качения. М.: Оборонгиз, 1963. 340 с.

26. Зверев А.И. Детонационное напыление покрытий. М.: Судостроение, 1979. 232 с.

27. Износостойкость образцов из стали и чугуна, упрочненных лазерным лучом и обычными методами / П.П. Голубев и др. - // Автомобильная промышленность. 1982. №11. С. 27 - 29.

28. Исследование и разработка шарнирных подшипников для конструкций ЛА / А.В. Шишурин [и др.] // Рецензируемый сборник научных статей ОАО ВПК НПО машиностроения. 2012. № 2-6. С. 25-33.

29. Исследование работоспособности шарнирных подшипников в экстремальных условиях / А.В. Шишурин [и др.] // Труды Всероссийской научно-технической конференции 10-12 октября 2008 г. М.: МГТУ им. Н.Э. Баумана. 2008. С. 46-51.

30. Кагарлицкий В.Г., Гуревич О.С. Установка для изучения работы подшипников скольжения в вакууме при температурах до 500°С / Трение и изнашивание при высоких температурах: Сб. М.: Наука, 1973. С. 9 - 11.

31. Клочихин В.И. Повышение износостойкости шарниров с покрытиями: дис. на соискание ученой степени канд. техн. наук. Москва. 1991. 168 с.

32. Комбалов В.С. Основы оптимизации поверхностей на базе теории трения и изнашивания твердых тел // Комбалов В.С. Трение и смазка в машинах и механизмах. М. Машиностроение, 2006. №2. С. 3 - 4.

33. Коровчинский М.В. О некоторых вопросах эластореологии, имеющих приложение в теории трения // Трения и износ. 1980. Т.1. №1. С. 30 - 44.

34. Крагельский И.В. Трение и износ в машинах. М.: Машиностроение, 1968. 480 с.

35. Курапов П.А. Усталостное разрушение поверхности деталей пар качения в условиях воздействия активной смазочной среды // Курапов П.А. Трение и износ. 2008. Т.29. №4. С. 387 - 390.

36. Кутьков А.А. Износостойкие антифрикционные покрытия. М.: Машиностроение, 1976. 151 с.

37. Леликов О.П. Основы расчета и проектирования деталей и узлов машин. М: Машиностроение, 2002. 412 с.

38. Лякишев М.П. Нанокристаллическая структура и новое направление развития конструкционных материалов // Вестник Российской Академии наук. 2003. Том 73. №5. С. 422 - 425.

39. Матвеевский Р.Н. Температурная стойкость граничных смазочных слоев и твердых смазочных покрытий при трении металлов и сплавов. М.: Наука, 1971. 227 с.

40. Машиностроение. Энциклопедия Т 114. Под общ. Ред. Д.Н. Решетова. М. Машиностроение. Детали машин. 2002. 995 с.

41. Машиностроение. Энциклопедия Т 114 / Неметаллические конструкционные материалы. Раздел 3 // Конструкционные углеродные материалы и композиты. М.: Машиностроение, 2005. С. 218 - 243.

42. Мигранов М.Ш., Шустер Л.Ш. Интенсификация процесса металлообработки на основе самоорганизации при трении. М.: Машиностроение, 2005. 202 с.

43. Морозов Б.А. Моделирование и прочность металлургических машин. М.: Машгиз, 1963. 287 с.

44. Мышкин Н.К., Петроковец М.И. Трение, смазка, износ. М.: Физматлит, 2007. 311 с.

45. Нажиткин Б.П., Ковалев Е.П. Механизм изнашивания твердосмазочных покрытий в зубчатых передачах // Трение и износ. 1983. Т.4. №5. С. 898 - 907.

46. Нажиткин Б.П., Ковалев Е.П. Сравнительные испытания зубчатых передач на изнашивание // Трение и износ. 1982. Т.3. №4. С. 707 - 713.

47. Определение напряжений и деформаций при сложном напряженном состоянии шарнирного узла привода элевона ЛА / А.В. Шишурин [и др.] // Ракетные комплексы и ракетно-космические системы - проектирование, экспериментальная отработка, летные испытания, эксплуатация: Труды секции 22 имени академика В.Н. Челомея XL Академических чтений по космонавтике. Реутов, 2016. С.161 - 170.

48. Оптимизация сферических шарнирных подшипников для конструкции ЛА. / А.В. Шишурин [и др.] Рецензируемый сборник научных статей ОАО ВПК НПО машиностроения. 2013. №1. С. 30 - 46.

49. Основы трибологии (трение, износ, смазка) / А.В. Чичинадзе [и др.]. М.: Машиностроение, 2001. 664 с.

50. Пармузин Д.Б. Прогнозирование и обеспечение ресурса сферических шарнирных подшипников: дис. на соискание ученой степени канд. техн. наук. Москва. 1986. 214 с.

51. Плескунин В.И. Воронин Е.Д. Теоретические основы организации и анализа выборочных данных в эксперименте. Л.: Ленинградский эксперимент, 1979. 232 с.

52. Повышение качества поверхности и планирование металлов. М.: Металлургия, 1984. 368 с.

53. Подшипники качения. М.: Издательство стандартов, 1981. 447 с.

54. Поляков Б.М. Напряженно-деформированное состояние универсальных шарниров с вкладышами скольжения, их оптимизация и параметрический ряд несущей способности. М. Машиностроитель, 2006. № 3. С. 22-29.

55. Решетов Д.Н. Детали машин. М.: Машиностроение, 1977. 655 с.

56. Рыкалин Н.Н., Углов А.А. Состояние и перспективы лазерной технологии в металлургии. // Поверхность. 1983. №6. С. 5 - 15.

57. Семенов А.И., Савинский Ю.Э. Металлофторопластовые подшипники. М.: Машиностроение, 1976. 152 с.

58. Современная трибология: Итоги и перспективы / Э.Д. Браун [и др.]. М.: ЛТИ, 2008. 480 с.

59. Трение и износ фрикционных материалов / Под ред. А.В. Чичинадзе. М.: Наука, 1977. 136 с.

60. Трение, изнашивание и смазка. Справочник: в 2-х томах. Под ред. И.В. Крагельского. М.: Машиностроение, 1979. Т.2. 358 с.

61. Трение, износ, смазка // Э.Д. Браун [и др.]. М.: Машиностроение, 2003. 576 с.

62. Тяжело нагруженная опора скольжения: а.с. СССР 1339324 МПК F16C11/06 [Р.М. Чатынян, Д.Б. Пармузин]; заявитель и патентообладатель МВТУ им. Н.Э. Баумана; опубл. 10.05.1987, Бюл. № 37, - 5 с: ил.

63. Федорченко И.М., Пугина Л.И. Композиционные спеченные антифрикционные материалы Киев.: Наукова думка, 1980. 430 с.

64. Чатынян Л.А. Выбор материалов для деталей трения, работающих при высоких температурах. М.: Авиационная промышленность, 1964. №5. С. 53-72.

65. Чатынян Л.А. Новые материалы и покрытия для работы с трением в вакууме при высоких температурах // Трение и изнашивание при высоких температурах. М.: Наука, 1973. С. 44-48.

66. Шаровая опора: пат. 2574300 Рос. Федерация: МПК F16С11/06 / А.В. Шишурин [и др.], заявитель и патентообладатель Реутов, АО ВПК НПО машиностроения. - №2014140681; заявл. 09.10.2014; опубл. 10.02.2016, Бюл. №24,

- 3 с: ил.

67. Шаровая опора: пат. 2579418 Рос. Федерация: МПК F16С11/06 / А.В. Шишурин [и др.], заявитель и патентообладатель Реутов, АО ВПК НПО машиностроения. - №2015121528; заявл. 29.10.2015; опубл. 19.02.2016, Бюл. №24,

- 3 с: ил.

68. Шереметьев М.П. Упругое равновесие пластины с вложенной абсолютно жесткой или упругой шайбой // Прикладная математика и механика. 1952. Т.16. №4. С. 437 - 448.

69. Широкобоков В.В. Толщина смазочной пленки и трение в контакте качения со скольжением при неизотропном режиме смазки: дис. на соискание ученой степени канд. техн. наук. Москва. 1981. 175 с.

70. Энциклопедия неорганических материалов. Киев. // Наукова думка, 1977. Т.1. - 840 с. Т. 2. 830 с.

71. FAG Kugelfischer Georg Schafer Co. Catalog 41500/2 EA. 696 p.

72. Greewood Y.A., Wiliamson Y.B. The contact of nominally that surface // Proc. Roy. Soc. 1966. rev. A. 259 - 300 p.

73. Helmut Elges KG: Katalog. West Germany, 1983. 109 p.

74. Hertz H. Ueber die Beruhrunh fester elastichen Korper. - Gesamelte Wenke. Bd. Y. Leipzig, 1985.

75. Mises R., Mechanik der plastischen Formanderung von Kristallen, 7. Angew. Math. Mech. pp. 8, 161-185. 1998.

76. Prager W., The theory of plasticity: A survey of recent achievments, Poc. Ynst. Mech. Engrs. M.: UL, pp. 169, 41-57. 1956.

77. Prager W. General theory of limit design, Sektiosvontrag, 8. Internat. Kongr. Theor. Angew. Mech. Instambul, 1952.

78. Sliney H.E., Solid lubnant materials far high temperatures a review -Tribal.Ynt Vol.15. №5. P. 303 - 315. 1982.

79. Spitzig Werner M. Spherical plain bearings. Friction, Wean and service life // SAE Prepr. 1976. № 760707 - 13 p.

80. Thiele H. Gelenk lagertecknik - angewandte Feststoff - Schiering // Schmiertechnik Tribologie. Vol.26. №2. P. 40 - 43. 1979.

81. Thoma M. «Obenflachenthechnick Von Titan.3. Tribologishes Venhal ten von Titanwerkstaffen in Kombination mit galvanischen Schichtem» - Metallobenflache, 8.36/15, P. 613 - 620. 1982.

82. Tribological behavior of a thin Fe-Mo-S film / Mantes H., O. Kerbage, Y.P. Terred and oth. - Wean, Vol.92. №2. P. 163-170. 1983.

Корпорация «Тактическое ракетное вооружение»

##

акционерное общество «ВОЕННО-ПРОМЫШЛЕННАЯ КОРПОРАЦИЯ «НАУЧНО-ПРОИЗВОДСТВЕННОЕ

ОБЪЕДИНЕНИЕ МАШИНОСТРОЕНИЯ»

(АО «ВПК «НПО машиностроения»)

ул. Гагарина, д. 33, г. Реутов, Московская область, 143966

телеграфный: Реутов Московской ВЕСНА (АТ346416) Тел.: [phone] (канцелярия) Факс: [phone] E-mail: [e-mail] http://www.npomash.ru ОКПО 07501739, ОГРН 1075012001492 ИНН/КПП 5012039795/509950001

0_Ш Ш » ш/ж

на №__от_

ОТЗЫВ

научного руководителя на соискателя ученой степени кандидата технических наук Шишурина Александра Владимировича

Шишурин Александр Владимирович окончил Московское Высшее Техническое Училище имени Н.Э. Баумана по специальности «инженер-механик по вакуумной технике электрофизических установок».

В период подготовки диссертации соискатель Шишурин Александр Владимирович работал в АО «ВПК «НПО машиностроения» в отделе 08-01 отделения энергосиловых установок АО «ВПК «НПО машиностроения» в должности заместителя начальника отдела.

В ходе работы над диссертацией Шишурин A.B. зарекомендовал себя грамотным, высокоэрудированным специалистом в области конструирования и испытаний отдельных узлов и элементов летательных аппаратов.

В своей научной работе Шишурин A.B. исследовал вопросы, связанные с разработкой и изготовлением сферических шарнирных подшипников для опорных узлов трения летательных аппаратов.

основу выполненной им диссертационной работы. Основным достижением Шишурина A.B. является разработка методики испытаний сферических шарнирных подшипников механизма привода элевона летательных аппаратов и создании стендового оборудования, имитирующего реальные условия эксплуатации и позволяющего проводить широкие исследования и испытания сферических шарнирных подшипников.

Шишурин A.B. успешно справился со всеми задачами, поставленными в работе над диссертацией. Работа выполнена профессионально, грамотно и включает в себя все элементы научного исследования.

Считаю, что Шишурин A.B. является сформировавшимся и зрелым исследователем и заслуживает присуждения ему ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.02.02 - Машиноведение, системы приводов и детали машин.

Заместитель руководителя службы качества по НИОКР, д.т.н., профессор,

Лауреат Государственной премии РФ в области науки и техники, Заслуженный испытатель космической техники РФ

Ученый секретарь НТС, К.ф.-м.н.

Подпись Маслова А.И. «

2018 г.

«

»