ПОВЫШЕНИЕ  ЭКСПЛУАТАЦИОННОЙ  НАДЁЖНОСТИ  ПОДШИПНИКОВ  СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННОЙ  ТЕХНИКИ  ПРИМЕНЕНИЕМ  НАНОМАТЕРИАЛОВ

Козырева  Лариса  Викторовна

д-р  техн.  наук,  профессор  Тверского  государственного  технического  университета,  РФ,  г.  Тверь

E-mail: 

INCREASE  OF  THE  OPERATIONAL  RELIABILITY  OF  BEARINGS  OF  AGRICULTURAL  MACHINERY  WITH  THE  USE  OF  NANOMATERIALS

Larisa  Kozyreva

doctor  of  technical  sciences,  professor  of  Tver  State  Technical  University,  Russia  Tver

В  статье  излагаются  теоретические  и  прикладные  аспекты  применения  наноматериалов  в  технологических  процессах  восстановления  и  изготовления  деталей  сельскохозяйственной  техники.  Обоснована  целесообразность  реализации  данных  процессов  в  условиях  предприятий  технического  сервиса  для  повышения  ресурса  трибосопряжений.

ABSTRACT

The  article  presents  theoretical  and  applied  aspects  of  the  use  nanomaterials  in  processes  of  repair  and  making  of  parts  of  agricultural  machinery.  The  expediency  of  the  implementation  of  these  processes  in  conditions  of  technical  service  companies  is  substantiated  for  the  increase  of  the  resource  of  tribounits.

Ключевые  слова:  полимерные  нанокомпозиты;  углеродная  нанотрубка;  металлические  нанопленки;  подшипники.

Keywords:  polymer  nanocomposites;  carbon  nanotube;  metal  nanofilms;  bearings.

Несмотря  на  наметившиеся  положительные  тенденции,  связанные  с  принятием  Федерального  закона  «О  развитии  сельского  хозяйства»  от  29.12.2006  г.  №  264-ФЗ  и  Государственной  программы  развития  сельского  хозяйства  и  регулирования  рынков  сельскохозяйственной  продукции,  сырья  и  продовольствия  на  2013—2020  годы,  положение  дел  с  технической  оснащенностью  предприятий  АПК  остается  сложным.  Эксплуатируемый  машинно-тракторный  парк  более  чем  на  75  %  выработал  свой  ресурс.  Происходит  увеличение  нагрузки  на  работающие  машины  и  механизмы,  эксплуатация  происходит  с  нарушением  технических  нормативов,  сроки  проведения  технического  обслуживания  и  плановых  ремонтов  не  соблюдаются.  Это  приводит  к  повышению  трудоемкости  и  затрат  на  ремонт,  увеличивает  расход  запасных  частей,  горюче-смазочных  и  других  материалов,  снижает  работоспособность  деталей,  сборочных  единиц  и  оборудования  в  целом. 

При  дефиците  машин  и  оборудования  в  условиях  экономического  и  технологического  кризисов,  характеризующих  современное  состояние  отечественных  сельскохозяйственных  предприятий,  большое  значение  приобретают  меры,  направленные  на  прекращение  спада  инженерно-технического  сферы  производств,  повышения  надежности  сельскохозяйственной  техники.  Это  обуславливает  необходимость  исследования  проблем  внедрения  в  отрасли  инновационных  материалов,  к  числу  которых  принадлежат  наноматериалы.

В  настоящее  время  большой  интерес  исследователей  вызывает  разработка  износостойких  самосмазывающихся  материалов,  в  роли  которых  могут  выступать  полимерные  нанокомпозиты  (ПНК),  армированные  углеродными  наноматериалами  и  металлическими  нанопленками,  нанесенными  на  порошковые  носители.  Уменьшение  элементов  наполнителя  до  наноразмера  способствует  увеличению  их  удельной  поверхности  и  созданию  прочной  связи  в  зоне  межфазного  взаимодействия  компонентов  материала  за  счет  возрастания  способности  к  адсорбции,  ионному  и  атомному  обмену,  контактным  взаимосвязям.

Благодаря  разнообразию  возможных  вариантов  сочетания  компонентов  ПНК  можно  добиться  целого  ряда  преимуществ  по  сравнению  с  традиционными  композитами,  в  том  числе,  повышения  механической  прочности,  улучшения  электрических  свойств,  теплостойкости  и  химостойкости  материала,  снижения  металлоемкости  за  счет  применения  полимерных,  керамических  и  углеродных  наноструктур,  с  одновременным  ресурсосбережением  (достижение  необходимых  физико-механических  характеристик  материала  при  минимальных  затратах  энергии  и  реагентов).

Углеродные  и  металлические  наноматериалы  (углеродные  нанотрубки,  металлические  нанопленки)  получены  методом  химического  газофазного  осаждения  металлоорганических  соединений  и  углеводородов  в  рамках  научно-исследовательских  работ,  проводимых  в  ФГБОУ  ВПО  «Тверской  государственный  технический  университет»,  ФГБОУ  ВПО  «Московский  государственный  агроинженерный  университет  имени  В.П.  Горячкина,  ФГБОУ  ВПО  «Тверская  государственная  сельскохозяйственная  академия»  на  основе  детального  исследования  термодинамических  и  кинетических  механизмов  их  формирования.  Данные  материалы  используются  в  качестве  наполнителей  и  модифицирующих  добавок  при  создании  полимерных  нанокомпозитов,  а  также  как  сухой  смазочный  материал.

На  рисунке  1  представлена  поверхность  порошковой  частицы  ПГ-УС25  после  металлизации  и  сульфидирования  посредством  химического  газофазного  осаждения  гексакарбонила  молибдена  —  Мо(СО)₆  в  токе  сероводорода  —  H₂S.  Толщина  нанопленки  металла  на  порошковой  частице  не  превышает  80  –  100  нм.  Данный  размер  является  оптимальным  с  точки  зрения  стабилизации  системы  в  зоне  межфазных  границ  подложка  —  металлическая  пленка,  изначально  характеризующейся  ростом  напряжений.

Нанесение  сульфидированных  нанопленок  молибдена  на  порошки  ПГ-УС25  осуществлялось  в  два  этапа:  на  первом  получали  молибденовое  покрытие  на  исходном  порошке,  на  втором  —  насыщение  поверхностного  слоя  металлизированного  порошка  дисульфидом  молибдена,  образовавшимся  в  процессе  разложения  сероводорода,  и  взаимодействия  серы  с  продуктами  термической  диссоциации  гексакарбонила  молибдена  на  поверхности  металлизируемой  частицы.

Рисунок  1.  Внешний  вид  объектов:  а)  поверхность  порошковой  частицы  ПГ-УС25  после  металлизации  и  сульфидирования  (площадь  сканирования  25×20  мкм);  б)  восстановленный  подшипник  сошника  сеялки  зернотуковой  универсальной  СЗ-3,6  —  материал  вкладыша  —  полимерный  нанокомпозит  на  основе  полиамида-66,  наполненный  40  %(масс.)  порошками  ПГ-УС25  в  сульфидированной  нанопленке  молибдена

Несмотря  на  определенную  сложность  процесса  создания  наноматериала  2D-размерности,  его  реализация  дает  ряд  неоспоримых  преимуществ  при  разработке  ПНК,  т.  к.  вводом  в  полимер  металлизированных  порошков  оптимизируются  не  только  теплофизические  (теплостойкость  413..503  К,  коэффициент  теплопроводности  0,24…0,75  Вт/м∙К),  но  и  трибологические  свойства  композиционного  материала  Износостойкость  ПНК  увеличивается  пропорционально  количеству  наполнителя  покрытого  сульфидированной  нанопленкой  молибдена  и  для  высоконаполненных  композитов  —  содержание  наполнителя  свыше  40  %  (масс.)  —  достигает  4,2.  Это  объясняется  тем,  что  дисульфид  молибдена,  находясь  в  поверхностном  слое  наполнителя,  способен  играть  роль  твердого  смазочного  материала  и  обеспечивать  эффективное  предотвращение  износа  сопрягающихся  деталей.  Уникальные  свойства  дисульфида  молибдена  объясняются  структурой  его  кристаллической  решетки.  Связи  между  ее  слоями  относительно  слабы,  что  допускает  возможность  сдвига  при  малых  напряжениях  [1,  с.  19]. 

Данные  полимерные  нанокомпозиты  целесообразно  применять  в  процессах  восстановления  и  изготовления  деталей  трибосопряжений  сельскохозяйственной  техники,  работающих  при  контакте  с  абразивными  средами  в  условиях  несовершенной  смазки.

В  частности,  заменой  подшипников  180503  в  сошниках  сеялки  зернотуковой  СЗ-3,6  на  подшипники  скольжения  с  вкладышами  из  полимерного  нанокомпозита  достигается  увеличение  ресурса  в  2,2…3,6  раза  (рисунок  1  а)  [2,  c.  8].

Технологические  процессы  получения  нанопленок  металла  на  подложках  различной  химической  природы  осуществляются  с  целью  получения  модифицированных  элементов  армирующей  фазы,  обладающих  оптимальной  степенью  смачиваемости  в  полимерной  матрице  и  сниженной  реакционной  способности  поверхностных  образований,  что  способствует  улучшению  важнейших  эксплуатационных  характеристик  композиции,  таких  как  износостойкость,  коэффициент  трения,  теплопроводность,  устойчивость  к  действию  агрессивных  сред  по  сравнению  с  традиционными  материалами.

Однако  уменьшение  структурообразующих  частиц  пленки  до  нанометрового  размера  изменяет  исходные  свойства  вещества  не  более  чем  на  20…30  %.  Кроме  того,  при  получении  изделий  из  наноматериала  трудно  сохранить  малый  размер  наноструктур  и,  соответственно,  достигнутый  положительный  эффект. 

Это  предопределяет  необходимость  поиска  комплексного  подхода  к  решению  поставленных  задач,  который  можно  реализовать  разработкой  нанокомпозитов,  где  наряду  с  нанопленками,  локализованными  на  традиционных  наполнителях,  дополнительно  либо  самостоятельно  вводятся  отдельные  наноструктуры,  выполняющие  роль  модифицирующих  добавок.

К  наиболее  универсальным  наноматериалам  с  точки  зрения  разнообразия  возможных  областей  применения  принадлежат  углеродные  нанотрубки  (УНТ).  Высокие  механические  свойства  УНТ  представляют  еще  большую  ценность,  когда  последние  внедряются  в  матрицу,  т.  к.  они  не  только  усиливают  жесткость  и  упругость  материала,  но  также  повышают  прочность,  то  есть  способность  к  сопротивлению  образования  трещин.

На  рисунке  2  представлен  внешний  вид  углеродного  композита,  полученного  каталитическим  пиролизом  этанола  на  установке  роста  углеродных  нанотрубок  CVDomna.  Каркасная  структура  данного  наноматериала  составлена  многослойными  углеродными  нанотрубками.

Рисунок  2.  Внешний  вид  объектов:  а  —  углеродный  композит,  полученный  каталитическим  пиролизом  этанола  при  температуре  700  ˚С,  давлении  20  кПа;  б  —  детали  подшипника  скольжения  поворотной  опоры  транспортера  ТСН-160А  (вкладыш  изготовлен  из  ПНК,  наполненного  углеродными  нанотрубками)

При  введении  1  %  (масс.)  УНТ  износостойкость  полимерного  нанокомпозита  на  основе  полиамида-66  достигает  4,8,  теплостойкость  388  К,  коэффициент  теплопроводности  1,85  Вт/(м∙К),  коэффициент  трения  при  работе  без  смазочного  материала  0,11  [1,  c.  19].

Наноматериалы  могут  быть  введены  непосредственно  в  зону  трения,  что  сокращает  их  общий  расход  по  сравнению  с  производством  с  их  применением  полимерных  нанокомпозитов,  устраняет  необходимость  в  проведении  сравнительно  трудоемких  работ,  направленных  на  равномерное  распределение  наполнителя  в  объеме  матрицы,  при  этом  углеродные  наноматериалы  и  порошки  в  сульфидированной  нанопленке  молибдена  выполняют  роль  сухого  смазочного  материала,  обеспечивая  необходимую  износостойкость  деталям,  повышают  надежность  системы  в  целом.

Преимущества  использования  наноматериалов  в  технологических  процессах  восстановления  и  изготовления  подтверждаются  результатами  эксплуатационных  испытаний  подшипников  сельскохозяйственных  машин.  Во  всех  случаях  зафиксировано  увеличение  ресурса  подшипников,  восстановленных  и  изготовленных  с  применением  наноматериалов,  относительно  серийных  сборочных  единиц  в  2,2...4,6  раза  [2,  с.  9]. 

Вывод.  Наноматериалы,  в  том  числе  в  составе  полимерных  нанокомпозитов,  по  сравнению  с  традиционными  аналогами  обладают  улучшенными  физико-механическими  и  эксплуатационными  свойствами,  такими  как  износостойкость,  теплостойкость,  устойчивость  к  действию  агрессивных  сред,  что  предопределяет  эффективность  их  применения  при  изготовлении  и  восстановлении  деталей  сельскохозяйственных  машин  в  условиях  ремонтных  предприятий  АПК.

Список  литература:

1.Ерохин  М.Н.,  Козырева  Л.В.  Восстановление  и  изготовление  подшипников  сельскохозяйственных  машин  с  использованием  нанокомпозитов:  методические  рекомендации.  М.:  Издат.  центр  ФГОУ  ВПО  МГАУ,  2011.  —  68  с. 

2.Ерохин  М.Н.,  Козырева  Л.В.  Полимерные  нанокомпозиты  для  восстановления  и  изготовления  узлов  трения  сельскохозяйственных  машин  //  Ремонт,  восстановление,  модернизация.  —  2012.  —  №  8.  —  С.  6—9.