Возможен ли ремонт без разборки?
В настоящее время трение представляется уже не только разрушительным явлением природы — в определенных условиях оно может стать самоорганизующимся созидательным процессом, что позволило разработать новые методы и средства восстановления изношенных трущихся соединений машин и оборудования, в том числе без их разборки. Это явилось результатом научных исследований ученых всего мира, и прежде всего русских, в области трибологии (науке о контактном взаимодействии твердых тел при их относительном движении, рассматривающей весь комплекс вопросов трения, изнашивания и смазки механизмов).
У научных истоков данного направления стоит наш соотечественник И.Р. Пригожин (лауреат Нобелевской премии 1977 г. в области химии), одним из первых установивший, что некоторые системы при определенных условиях могут обладать свойствами самоорганизации, при этом их характеристики радикально меняются (например, образование снежинок из водяного пара).
В середине пятидесятых нашими учеными Д.Н. Гаркуновым и И.В. Крагельским при исследовании деталей авиационной техники обнаружено явление самопроизвольного образования в зоне трения некоторых медьсодержащих соединений тонкой металлической не окисляющейся пленки с низким сопротивлением сдвигу, приводящей к существенному снижению коэффициента трения и интенсивности изнашивания контактирующих деталей. Особенностью эффекта было то, что пленка покрывала не только бронзовую деталь, но и сопряженную с ней стальную поверхность. Слой толщиной всего 1 – 2 мкм снижал износ и уменьшал силу трения в соединении в десять и более раз.
Обращаясь за примерами к живой природе, ученые обнаружили, что подобные соединения, обладающие практически полной «безызносностью», существуют давным-давно. Суставы живых организмов десятки лет работают на принципах, к которым современная наука только приближается, создавая так называемые «интеллектуальные» самонастраивающиеся подвижные соединения. Ученым стало понятно, почему компрессоры холодильных установок десятилетиями работают в тяжелейших условиях пуска-останова без выхода из строя и, следовательно, без ремонта, да и практически без какого-либо технического обслуживания. В них образуется определенная самоорганизующаяся система, регулирующая процессы износа и регенерации трущихся поверхностей.
Исследования избирательного переноса при трении (эффекта безызносности, за рубежом его часто называют эффектом Гаркунова) дали новый импульс развитию практических методов повышения износостойкости машин и во многом изменили взгляды на механизм трения и изнашивания деталей. Сервовитные пленки могут образовываться и в соединениях, не содержащих медных и прочих пластичных сплавов (например, цинка, олова, серебра). Для этого необходимые компоненты должны быть введены в смазочный материал или другие технологические среды — топливо, промывочные и охлаждающие жидкости. Такой принцип и лег в основу разработки и применения металлоплакирующих присадок.
В 1979 году швейцарская компания Actex S.A. впервые начала серийное производство металлоплакирующих порошковых препаратов марки Lubrifilm, основанных на практической реализации эффекта безызносности и предназначенных для безразборного восстановления трущихся соединений автомобильной техники.
Из всего изложенного ясно проступают черты новой концепции трения и изнашивания, основанной на глубокой теоретической проработке раздела физики — термодинамики образования самоорганизующихся структур при необратимых процессах. Возникло новое понятие — синергетика (от греч. synergetikos — совместимый), научное направление об общих закономерностях, управляющих процессами самоорганизации в системах различного рода: биологических, технических, химических и т.д. Как подтвердила практика, термодинамические процессы диссипации энергии (от англ. disappearance — рассеивание; процесс необратимого рассеивания или возврата энергии, полученной системой ранее) и синергизма при трении более фундаментальны, чем теория простого разрушения контактирующих поверхностей.
Был сделан вывод о перспективности исследований, разработки и применения методов и средств, позволяющих в процессе непрекращающейся эксплуатации, без разборки узлов и агрегатов, осуществлять восстановление и эффективно повышатьизносостойкость деталей автомобиля, а также снижать вредные выбросы в окружающую среду и эффективно влиять на экономические характеристики работы машины. Появились методы и средства для безразборного восстановления — smart-self technologies (интеллектуальные технологии самовосстановления).
В классическом понимании процесс восстановления детали (соединения) подразумевает проведение технологических мероприятий, направленных на изменение ее геометрических размеров до номинальных или ремонтных. Однако в некоторых случаях работоспособность узла может быть восстановлена посредством повышения его износостойкости, снижения в нем сил трения, различных регулировочных работ и т.д.
По нашему мнению, все известные в настоящее время методы и средства для безразборного восстановления трущихся соединений по компонентному составу, физико-химическому процессу их взаимодействия с трущимися поверхностями, свойствам получаемых покрытий (защитных пленок), а также механизму функционирования следует делить на три основных группы: металлоплакирующие композиции (направленные на реализацию эффекта Гаркунова), полимеризующиеся вещества и металлокерамические материалы. Условно к восстановителям — в основном, по критерию повышения технико-экономических показателей — следует отнести кондиционеры металла и другие поверхностно-активные вещества (ПАВ), а также слоистые добавки-модификаторы.
Все эти продукты различаются по условиям и способам применения. Одни составы добавляют к маслам, топливу или пластичным смазкам. Другие вводят через карбюраторы и впускные коллекторы в виде аэрозолей и присадок к топливно-воздушным смесям. Третьи вводятся непосредственно в зону трения, например, в цилиндропоршневую группу. Созданы препараты, добавляемые в трансмиссионное масло для восстановления работоспособности ручных коробок передач, дифференциалов, а также снижения шума и предотвращения их дальнейшего износа. Некоторые специальные препараты предназначены для восстановления и продления срока службы высоконагруженных узлов — подшипников ступиц, ШРУСов, крестовин, шаровых опор, наконечников рулевых тяг и т.д.
Наряду с механизмом действия металлоплакирующих композиций, рассмотренным выше, другим методом восстановления изношенных поверхностей трения и повышения их триботехнических характеристик является применение полимерсодержащих материалов.
Данное направление зародилось в конце 50-х, когда английские ученые Х. Германс и Т. Иган обнаружили образование органических отложений (загрязнений) на релейных контактах телефонной и телеграфной связи. На основании специальных высокоточных экспериментов было установлено, что отложения в зоне контакта образуются вследствие химических превращений паров органических веществ, выделяемых некоторыми изоляционными материалами. Во всех случаях отложения снижали коэффициент трения в контактной паре и ухудшали токопроводность.
В дальнейшем на этом принципе были разработаны специальные присадки в смазочные материалы, названные полимеробразующими. Из этой группы наиболее распространены препараты на основе политетрафторэтилена (ПТФЭ, или PTFE). ПТФЭ, он же тефлон, занесен в «Книгу рекордов Гиннесса» как самый скользкий материал в мире. Разработчиком, обладателем торговой марки Teflon и одним из первых производителей тефлоновых препаратов для автохимии (DLX-600 и др.) является американская фирма DuPont de Neumours & Company (Дюпон), которая, однако, по имеющимся сведениям, в настоящее время прекратила выпуск препаратов этого класса. В качестве полимерных составляющих могут также выступать перфторпропиленоксид, поверхностно активированный фторопласт-4, перфторполиэфир карбоновой кислоты («эпилам») и некоторые другие.
По данным производителей, при обработке эти препараты покрывают трущиеся поверхности деталей, что переводит непосредственный контакт металла о металл в режим трения полимера по полимеру со значительным снижением коэффициента трения и интенсивности изнашивания в соединении.
Геомодификаторы (ремонтно-восстановительные составы — РВС) показывают наилучшие результаты в элементах трансмиссии. Обладая высокими смазочными, водо- и грязеотталкивающими свойствами, РВС существенно снижают износ и температуру в зоне трения, в том числе в открытых узлах, таких, как цепная передача мотоциклов, шарниры карданных валов и т.д. По химическому и фазовому составу они чаще всего представляют собой смесь классического магнезиально-железистого силиката (серпентин Mg6{Si4O10}(OH)8), являющегося формой целого ряда минеральных руд класса оливинов), конечными фазами которого являются форстерит (Mg2SiO4) и фаялит (Fe2SiO4), а также в незначительных количествах кремнезема (SiO2) и доломита CaMg(CO3)2.
При работе обработанного узла активные компоненты металлокерамики вступают во взаимодействие с контактируемыми (трущимися) участками деталей и формируют на этих участках металлокерамический слой, который частично восстанавливает дефекты поверхностей трения и обладает высокими антифрикционными и противоизносными свойствами.
Смысл словосочетания «кондиционер металла» применительно к автохимии можно интерпретировать как вещество и механизм воздействия на металл, позволяющие восстановить структуру (состав) металла, на который препарат воздействует, посредством доставки необходимых компонентов (среды или энергии) от внешних источников.
Действие препаратов данной группы основано на взаимодействии (адсорбции) их поверхностно-активных компонентов, например, соединений на основе фторокарбоната (смолы) кварца, эстеров (продукта специальной переработки копры кокосового ореха, а также смол ряда хвойных деревьев)* или других ПАВ с поверхностями трения.
При использовании кондиционера металла наблюдается пластифицирование поверхностей трения и формирование на них тончайшего слоя, по свойствам близкого к сервовитной пленке, характерной для эффекта безызносности. Это обусловлено избирательным растворением ПАВ кондиционера легирующих элементов конструкционного материала детали и образованием структуры, состоящей из чистого железа с включенными в него остаточными фазами углерода в алмазоподобном виде. Растворенные легирующие элементы и железоорганические соединения кондиционера металла осуществляют определенную подпитку разрушаемых при трении контактирующих поверхностей, создавая замкнутый трибологический цикл «пассивация (стабилизация) поверхности — износ пленки — растворение (вынос) легирующих элементов — восстановление пленки (осаждение активных элементов кондиционера) — пассивация».
Ионизированные молекулы кондиционера (рекондиционера) металла, проникая внутрь металлической поверхности, изменяют ее структурный состав и, следовательно, прочностные и антифрикционные свойства. При этом контактируемые участки покрываются достаточно устойчивыми полимерными и полиэфирными структурами. Создается эффект прочной «масляной шубы», способной исключить непосредственный контакт трущихся соединений. Это позволяет существенно снизить в подвижных соединениях потери на трение и интенсивность изнашивания, в том числе при пуске, разгоне, в режимах перегрузок и т.д.
Препараты еще одной группы иногда называют слоистыми модификаторами трения. Эти присадки состоят из элементов с низким усилием сдвига между слоями, например, дисульфид молибдена (Мо2S), трисульфид молибдена (Мо3S), диселенит молибдена (Мо2Sе), дисульфиды вольфрама (W2S) и тантала (Ta2S), графит и некоторые другие.
При работе дисульфид молибдена, графит или другой слоистый модификатор заполняют («сглаживают») микронеровности поверхностей трения, вследствие чего снижение коэффициента трения и износа обработанных поверхностей достигает 50%. Данные присадки (модификаторы) необходимо вводить при каждой замене масла, т.к. при работе двигателя на чистом масле происходит интенсивное вымывание из микронеровностей частиц дисульфида молибдена и их вынос из зоны трения.
Диаметр частиц модификатора должен быть больше максимальной высоты микронеровностей, т.е. параметра шероховатости, чтобы разделять трущиеся поверхности. Для этого дисульфид молибдена или графит несколько суток перемалываются в шаровых мельницах, а затем тщательно калибруются (просеиваются). В трансмиссионных маслах и консистентных смазках, где опасность деструкции (разложения), выпадения в осадок и засорения фильтров не столь актуальна, применение смазочных материалов на основе дисульфида молибдена, графита и др. слоистых модификаторов достаточно эффективно.
В экономическом отношении применение smart-self technologies на автомобильной технике позволяет снизить расходы на топливно-смазочные материалы и запасные части, сократить трудозатраты на устранение отказа, уменьшить потери вследствие простоя техники в период ремонта и т.д.
В настоящее время на автомобильном рынке известно уже более 200 фирм – производителей препаратов класса smart-self technologies; все фирмы в той или иной степени базируются на определенных научно-практических школах, имеют свои достоинства и недостатки, своих почитателей. Эти препараты, методы и средства завоевывают все более широкое признание во всем мире.
Хотите выяснить, миф или реальность безразборное восстановление? Попробуйте сами. Тогда уже никто не сможет изменить ваше мнение по данному вопросу, потому что, как говорят трибологи, результаты испытаний — упрямая вещь.
В.И. Балабанов,
доктор технических наук,
вице-президент отделения «Проблем безызносности машин и механизмов» Академии проблем качества
В.И. Беклемышев,
И.И. Махонин,
кандидаты технических наук,
НПФ «Лаборатория триботехнологий»
От редакции
Информация московских ученых, безусловно, заслуживает внимания. Признавая ее практическую ценность, вынуждены внести несколько уточнений.
Прежде всего, лексических. Если верить словарям, термин «диссипация» происходит от латинского dissipatio — рассеивание. «Синергетика» — от греческого synergia — содружество. «Эстеры» суть не что иное, как эфиры, в частности, сложные.
Понятно, что DuPont не производит сейчас препаратов на основе тефлона: фторсодержащие углеводороды при сильном нагреве выделяют (хоть и в мизерном количестве) летучие вещества, относящиеся к боевым отравляющим. Кстати, по отечественным источникам, американский тефлон, он же политетрафторэтилен (ПТФЭ-PTFE) и наш фторопласт-4 — одно и то же вещество.
К эпиламам относится целый ряд продуктов; за применение фторуглеродов в металлообработке (процесс эпиламирования) в свое время даже присуждалась Государственная премия СССР.