CC BY
84
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
УДК: 665.7.038
Исследования влияния смазочной композиции на качество приработки деталей двигателя
Капитанов Ю. Н., Артемов В. В.1
Постоянно возрастающие требования к автомобильным двигателям вызывают необходимость применения более совершенных моторных масел. Перед разработчиками смазочных композиций стоят серьёзные задачи по оптимизации составов и повышению эксплуатационных свойств моторных масел.
Современные моторные масла содержат в своем составе частицы, формирующие на поверхности трения защитные граничные нанострук-турированные пленки и твердые наносмазки, улучшающие износостойкость на поверхностях трения.
Группой авторов разработана смазочная композиция, содержащая минеральное масло, 3,5-динитробензоат пиперидиния, тетраборат эти-лендиаммония, октадецилсульфонат натрия и олеиновую кислоту [1].
Уникальность смазочной композиции — в беспрерывно усиливающемся комплексном действие, поверхностно-активных (ПАВ) и хи-мически-активных (ХАВ) веществ. Особое влияние оказывает тетраборат этилендиаммония в виде дисперсного нанопорошка, равномерно распределенного в масле [2].
В период холодной обкатки эффект достигается за счет полярноактивных молекул олеиновой кислоты и воды, растворенных в масле. Они, реализуя эффект П.А. Ребиндера, адсорбируются на поверхности металла с образованием «металлических мыл» и создают граничные пленки на поверхности металла.
Поверхность деталей представляет собой огромное количество мельчайших кристалликов, имеющих разнообразные дефекты. Это облегчает проникновение вглубь металлов активных ингредиентов окта-децилсулфоната натрия и тетрабората этилендиаммония уже при температуре 293...323 К.
1 Вольский Военный институт материального обеспечения, г. Вольск Саратовской обл. Россия.
Быстро и на большой глубине протекают существенные химические превращения. При взаимодействии октадецилсульфоната натрия с металлом образуются кристаллические пленки с толстым промежуточным слоем, имеющим большое количество слоев молекул сульфидов металла, в которых содержание серы снижается по мере удаления от поверхности в глубь пленки. При этом часть кристаллической решетки металла постепенно переходит в кристаллическую структуру сульфидной части пленки.
В промежуточном слое пленки, особенно в той части, которая ближе к наружной поверхности, находятся продукты термоокислительного распада октадецилсульфоната натрия, имеющие атомы серы.
В граничном слое кристаллической решетки атомы серы могут быть общими для молекул при садок и сульфидов металлов, благодаря чему увеличивается прочность связи присадки с сульфидами металлов, а следовательно, и с металлом.
В дальнейшем, при проведении горячей обкатки со значительным повышением температуры в зоне трения происходит дезориентация адсорбированных молекул. Поэтому на данном этапе повышается роль терабората этилендиаммония, обладающего моюще-диспергирующими свойствами, который уже при температуре 513...523 К разлагается на оксид бора, этилендиамин и воду:
[СЩКВДНВД ^ В2О3 +С2Щ№)2 + ЗН2О. (1)
Тетраборат этилендиаммония насыщает приповерхностный слой металла продуктами своего термического распада, что оказывает общее стабилизирующие воздействие на масляную пленку. Оксид бора хе-мосорбируется за счет свободной атомной орбитали бора и валентных электронов металла на поверхности металла в виде нановкраплений. При этом происходит заполнение оксидом бора микротрещин.
3,5-динитробензоат пиперидиния и тетраборат этилендиаммония проявляют антиокислительные свойства. Они затормаживают процессы окисления углеводородов в его начальной стадии за счет дезактивации образующихся радикалов и вместе с тем задерживают процесс окисления на глубоких стадиях развития, понижая концентрацию гидропероксидов в окисляемых продуктах. В масляной среде при этом практически не образуются коррозионно активные вещества (карбоновые кислоты, спирты, фенолы и др.).
В защите от коррозии деталей ДВС в период его консервации 3,5 -динитробензоат пиперидиния и тетраборат этилендиаммония проявляют синергетический эффект.
Концентрация компонентов в масле обоснована экспериментально-теоретическими исследованиями [1].
Комплексные исследования смазочной композиции и влияние ее на качество приработки деталей двигателя включали лабораторные, стендовые и эксплуатационные испытания химмотологического и трибологического направлений.
Основные характеристики трения: изменение момента механических потерь на трение и температуры поверхности трения, изменение самого смазочного материала в период приработки деталей, износ и шероховатость рабочих поверхностей деталей, время приработки -оценивали на машине трения СМТ-1 (модель 2070), работающей по схеме «колодка - ролик» по стандартной методике [3].
Рисунок 1. - Общий вид роликов и колодок.
В качестве образцов использовали колодки и ролики (рисунок 1), изготовленные из материалов пар трения цилиндропоршневой группы двигателя УМЗ-417.
Для воспроизводства работы пары трения «гильза - поршневое кольцо» колодки и ролики изготавливали из легированного чугуна одной плавки, произведенной в АО «Ульяновский автозавод». Чугунные образцы имели твердость по Бринеллю 240 НВ, что соответствует твердости зеркала гильз цилиндров. Шероховатость рабочей поверхности (Яа) ролика составляла 0,63 мкм, колодки - 0,32 мкм.
Каждую пару образцов испытывали один раз, повторность опытов
- трехкратная.
При испытаниях время приработки определяли по времени стабилизации момента силы трения и температуры колодки. Момент силы трения и температуру масла регистрировали и записывали предварительно тарированным потенциометром КСП-4 с точностью измерения
0,1 мВ. Износ колодок и роликов определяли по потере их массы за время испытаний на аналитических весах.
Температуру колодки контролировали с помощью встроенной термопары и цифрового мультиметра М890С с погрешностью 0,75 %.
Оценку шероховатости выполняли стандартным методом профи-лографирования по ГОСТ 2789-73 при помощи профилографа-профилометра завода «Калибр» (модель ВИ-201). Запись профилограмм проводили с увеличением по вертикали в 4000 раз, по горизонтали в 20 раз.
Микротвердость (Иц), характеризующую степень наклепа поверхностных слоев при трении, оценивали стандартным методом Виккерса на приборе ПМТ-3. Исследование изменения твердости по глубине (И) приработанного слоя проводили на косом шлифе.
Испытания проводили при нагрузке на индентор 100 г, с шагом 10 мкм, глубина изучаемого слоя составляла 160...200 мкм.
Один из немаловажных критериев оценки надежности работы двигателя - время сопротивления схватывания трущихся поверхностей. Данный показатель оценивали на машине трения СМТ-1, контролируя изменение момента силы трения и температуры образцов при частоте вращения ролика п = 500 мин-1 и нагрузке на образцы Р = 1274 Н. За время сопротивления схватыванию принимали резкое увеличение снимаемых характеристик.
Стендовые испытания десяти капитально отремонтированных двигателей УМЗ-417 с одинаковыми ремонтными размерами проводились в ФГУП «16 ВАРЗ» (г. Самара) на обкаточно-тормозном стенде КИ-5543 с электрической балансировочной машиной АКБ-82 мощностью 55 кВт и синхронной частотой вращения 1400 мин-1.
В процессе испытаний контролировали износ деталей цилиндропоршневой группы, шероховатость приработочных поверхностей, а также время, за которое происходит оптимальная приработка.
Для сравнения снимаемых характеристик проведен аналогичный комплекс испытаний моторного масла М-8В без присадки и масла М-8В с добавлением 2 % (мае.) присадки ОГМ-3.
Результаты исследований на машине трения СМТ-1 приведены в таблице 1.
Стабилизация момента силы трения происходит по мере формирования оптимальной шероховатости пар трения при данном режиме испытания и увеличения площади контакта трущихся поверхностей за счет механического срезания микронеровностей.
При испытании масла М-8В момент силы трения в трибосоедине-нии в первые минуты оставался высоким, и после 2... 3 мин наблюдалось его незначительное снижение.
Максимальные скорость и изменение силы трения зафиксированы при испытании предлагаемой композиции.
Таблица 1.
Основные трибологические характеристики, полученные по схеме «ролик-колодка»
Используемый состав Начальный момент силы трения, Н- м Конечный момент силы трения, Н- м Изменение момент силы трения, Н- м Скорость изменения момент силы трения, Н- м/ч Время стабили- зации, мин Температу- раколодкиК
Предлагаемая композиция Масло М-8В 1,35 0,35 1,00 6,00 7 301
Масло М-8В 1,21 0,80 0,41 3,48 10 321
с доб 2%(мас.) 1,25 0,67 0,58 2,46 9 305
ОМГ-3
В процессе приработки температура поверхностей трущихся деталей повышается. По окончании приработки температура стабилизируется и остается постоянной при неизменных режимах испытаний. Стабилизация температуры показывает, что в поверхностных слоях трущихся деталей завершены физико-химические изменения. Чем меньше температура поверхности, тем качественнее осуществляется приработка. Вследствие пластифицирования сопряженных поверхностей твердых тел ПАВ и ХАВ и малой твердости образующихся защитных покрытий фактическая площадь контакта увеличивается, что приводит к уменьшению удельной нагрузки и температуры в зоне контакта.
В период приработки происходят относительно быстрая потеря массы и изменение размеров детали. Приработочные составы должны ускорять приработку деталей, а не приводить к повышенному износу деталей, иначе ресурс трущихся соединений двигателя будет уменьшен.
Таким образом, образцы, приработанные на предлагаемой смазочной композиции, имеют износостойкость поверхностных слоев в 5,9 раза выше, чем на чистом масле М-8В.
В результате обработки профилограмм получены характеристики шероховатости образцов (таблица 2).
Таблица 2.
Результаты оценки шероховатости, мкм, приработочных поверхностей.
Испытуемый состав Яшах Я Яа
Предлагаемая композиция 2,75 0,95 0,63
Масло М-8В 5,25 2,2 1,8
Масло М-8В с добавлением 2%(мас.) присадки ОМГ-3 3,75 1,5 1,3
Увеличение микротвердости поверхности трения свидетельствует об эффективности присадки (рисунок 2).
900 800
CN
J700
"о
*600 л
|00 а
[5400 о а
^300
^ 1 10 30 50 80 120 160 200
Глубина от поверхности, мкм
Рисунок 2. Зависимость микротвердости (Иц) по глубине (Ъ)от поверхности
образцов:
где 1-масло М-8В;
2-масло М-8В с добавлением 2%(мас.) присадки ОМГ-3;
3-предлагаемая смазочная композиция.
Проведенные комплексные трибологические и химмотологические исследования предлагаемой композиции подтвердили положительный эффект при внедрении ее в технологический процесс обкатки двигателей внутреннего сгорания. Использование смазочной композиции с тетраборатом этилендиаммония в виде нанопорощка, позволяет сократить время обкатки в 3,8 раза, а также уменьшить расход топлива в 1,5 раза.
Библиографический указатель:
1. Артемов В. В. Метод оперативной оценки смазывающих свойств моторных масел при обкатке двигателей военной техники: Дис. ... канд. техн. наук. Ульяновск, 2003. 128 с.
2. Родионов Н. С. Строение тетрагидротетрабората этилендиаммония // Журнал неорганической химии. 1983. № 7.
3. Варнаков В. В., Артемов В. В., Карпенко,М. А. Исследование влияния различных присадок в масло при обкатке двигателей внутреннего сгорания. Самара: СГСХА, 2002. С. 40-41.
Об авторах:
- Капитанов Юрий Николаевич, адъюнкт, Вольский Военный институт материального обеспечения, г. Вольск Саратовской обл. E-mail: kapitan-off@mail.ru
- Артемов Вячеслав Вячеславович, доцент, кандидат технических наук, Вольский Военный институт материального обеспечения, г. Вольск Саратовской обл.
3
1
2
