Ученые разработали технологию снижения трения и износа в подшипниках скольжения. Такие подшипники работают со стальными валами и используются в машинах для уменьшения трения и износа движущихся деталей. Они применяются, к примеру, в автомобильной промышленности (шатунах, двигателях), в авиации (системах управления шасси, в топливных насосах и авиадвигателях), а также в электродвигателях и генераторах. Использование подшипников скольжения распространено в таких сферах, как гидроэнергетика, судостроение, электронная промышленность, бытовая техника. Статья с описанием разработки опубликована в журнале Scientific Reports. Исследование выполнено при финансовой поддержке Российского научного фонда (проект № 19-79-20012).
Ученые определили влияние пяти различных составов покрытий с оксидом висмута на коэффициент трения и износ стального диска в условиях трения скольжения без смазки по бронзе при высоких нагрузках и скоростях. Модифицированная висмутом сталь продемонстрировала превосходную устойчивость к трению и износу, сохраняя работоспособность после 200 км линейного скольжения при удельной нагрузке 12,5 мегапаскаль (порядка 127,5 кг на см2) и скорости скольжения 9 м/с. При этом коэффициент сухого трения скольжения снижался вплоть до 0,03. Отсутствие смазки имитировало суровые условия значительной нехватки масла, что часто встречается в работе оборудования во время аварийных ситуаций.
«Эффективность нашего метода мы проверили в ходе испытаний на модифицированных (легированных висмутом) стальных валах, которыми был оснащен турбокомпрессор двигателя внутреннего сгорания. Для проведения испытаний мы разработали лабораторный стенд, на котором можно полностью смоделировать условия работы подшипникового узла турбокомпрессора. После испытаний турбокомпрессор, который вращался со скоростью 75 тыс. оборотов в минуту, был разобран для осмотра», — рассказывает Алексей Ипатов, доцент кафедры эксплуатации и ремонта машин УдГАУ, соавтор статьи.
Эффективность новой технологии — легирование висмутом деталей — подтвердили испытания без смазки. После 500 циклов коэффициент трения был сверхнизкий, вал без каких-либо повреждений, турбокомпрессор остался в работоспособном состоянии.
«В то же время немодифицированный турбокомпрессор японского производства выдерживает всего пять циклов испытаний, даже с применением граничной смазки. Таким образом, можно сделать вывод, что легирование висмутом обеспечивает выдающиеся антифрикционные свойства и долговременную надежность при скольжении на высоких скоростях без смазок любых видов (жидких, твердых) за счет уменьшения адгезии при взаимодействии, в данном случае, с медью. Причем в разнообразных ситуациях — например, при высоких скоростях вращения и больших нагрузках, при экстремально низких или высоких температурах, при невозможности сохранить необходимую толщину смазочного слоя. Преимущества технологии ВЛС позволяют повторять бесконечное количество циклов вращений вала под нагрузкой, не вызывая усталостного разрушения материала или его значительных потерь из-за износа», — подчеркивает Алексей Макаров, завотделом материаловедения ИФМ УрО РАН, главный научный сотрудник ИМ УрО РАН, профессор кафедры литейного производства и упрочняющих технологий УрФУ, руководитель научной группы.
Предложенная технология нанесения сверхтвердых керамических покрытий обеспечивает прорывной результат в виде многоразового улучшения свойств материалов, добавляют ученые. По мнению авторов, такие свойства, а также простота, экономичность и надежность метода могут обеспечить значительное продление сроков службы оборудования в различных областях массового машиностроительного производства, включая аэрокосмическую, автомобильную и энергетическую отрасли.
Испытания на реальном оборудовании показали, что при нанесении сверхтвердого керамического покрытия термостойкость детали клапана двигателя внутреннего сгорания сохраняется до температуры 1000 градусов Цельсия, сопротивление окислительному и абразивному изнашиванию увеличивается на 480%, а срок службы деталей — в 10 раз. Ресурс вала гидромотора при применении новой технологии вырос на 30 %, стойкость пуансонов для изготовления полимерных трубопроводов — в 100 раз, а производительность процесса — почти наполовину.
Над созданием технологии работали ученые Удмуртского госуниверситета, институтов Уральского отделения РАН, Удмуртского государственного аграрного и Уральского федерального университетов.
Изображение: Scientific Reports
Нет комментариев