Обоснование методов повышения эксплуатационных характеристик трансмиссионных шлицевых соединений и разработка лабораторных образцов

Объект прикладных исследований настоящего проекта – шлицевое трибосопряжение трансмиссии вертолета, которое работает в чрезвычайно жестких условиях (высокое контактное давление, циклически меняющиеся во времени нагрузки, изгибающие моменты, фреттинг-коррозия и, возможно, окислительный износ, а также апериодические ударно-механические воздействия (при переключении скоростей и реверсе трансмиссии)). В этих условиях (с большим набором сложных повреждающих воздействий) нет возможности универсализации материалов, в то же время вполне реальна идея многоцелевых покрытий. Эта идея может быть реализована путем создания научно-методических и технологических принципов по подбору и варьированию различных параметров покрытий, исходя из условий эксплуатации конкретного узла трения. На основании анализа, патентного поиска и сравнительной оценки, используемых в настоящее время в России и за рубежом основных направлений повышения износостойкости и долговечности тяжелонагруженных узлов трения транспортных средств (в том числе повышения эксплуатационных характеристик трансмиссионных шлицевых соединений), сделан вывод о целесообразности применения гетерогенных функциональных покрытий, в том числе композиционных, которые благодаря особенностям наноструктуры способны обеспечивать структурную и химическую адаптацию поверхности к изменяющимся условиям эксплуатации. Эти покрытия обладают многообразием составов, а успехи современных технологий модификации поверхности, в том числе ионно-плазменного напыления покрытий с использованием систем магнетронного испарения, позволяют в широком диапазоне варьировать их структуру и свойства. При нанесении покрытий на поверхность твердого тела необходимо учитывать возможность дальнейшей диффузии и сегрегации химических элементов. Для расчетов физических и химических процессов на поверхности представляется наиболее перспективным использование методов молекулярной динамики, квантовой физики, а также инструментальных методов анализа поверхности, что будет реализовано в рамках проекта. Впервые с использованием технологий PVD и CVD созданы лабораторные образцы: на подложки из 12Х2Н4А и 38Х2МЮЛ с использованием адгезионного подслоя из хрома осаждены нанокристаллические алмазные пленки. Выращивание нанокристаллических алмазных пленок происходило в установках химического осаждения пара при активации СВЧ-плазмы в аргоновой атмосфере с добавками СН₄ и СО₂ в Н₂. Еще одним направлением работы стало исследование материалов и способов модифицирования трансмиссионных масел. Модифицирование трансмиссионного масла для шлицевых соединений трансмиссий вертолета может быть реализовано двумя способами - улучшением эксплуатационных свойств штатного масла или разработкой нового смазочного материала на основе масел с низкой температурой застывания. К недостаткам масла ТСгип, ограничивающим его применение, относятся высокая температура замерзания и плохая стабильность к окислению. Основным способом улучшения эксплуатационных свойств масел является модифицирование их при помощи функциональных присадок. Использование присадок, предложенных в работе, позволяет значительно изменять свойства исходного масла и придавать ему необходимые для конкретных условий эксплуатации свойства. В качестве перспективного базового масла, возможного для использования в трансмиссии, могут быть отнесены синтетические масла - сложные эфиры карбоновых кислот, полиальфаолефины и полиалкилсилоксановые жидкости. Эти вещества хорошо смазывают металлические поверхности, за счет полярности молекул хорошо адсорбируются на телах трения, что способствует низкому коэффициенту трения. Важным свойством таких масел является их способность образовывать на трущихся поверхностях антифрикционные поверхностные пленки. Разработаны программы и методики исследований свойств модифицированного покрытия и свойств модифицированных трансмиссионных масел, включающие физико-механические и трибологические исследования, исследования методом РФЭС и ИК Фурье спектроскопии, а также растровой электронной микроскопии. С целью разработки предложений по оптимизации напряженно-деформированного состояния трансмиссионного шлицевого соединения после нанесения покрытий проведено моделирование напряженно-деформированного состояния этого узла заданной конструкции численно-аналитическими методами, выполнена оценка влияния геометрических параметров соединения на его прочностные характеристики. Разработаны технические требования на шлицевые соединения с модифицированной поверхностью трибоконтакта и трансмиссионные масла для этих узлов. Проведены лабораторные физико-химические исследования трансмиссионного масла в исходном состоянии и после отработки срока службы. Осуществлена разработка эскизной конструкторской документации испытательного стенда. Разработана физико-математическая модель шлицевого соединения трансмиссии, позволяющая оценить характер упруго-диссипативных связей при заданных нагрузочно-скоростных условиях его эксплуатации.