CC BY
36
УДК 621.2.082.18
О ЗАВИСИМОСТИ ВЯЗКОСТИ МАСЕЛ ОТ НАЛИЧИЯ В НИХ НАНОЧАСТИЦ ТВЕРДЫХ СМАЗОЧНЫХ МАТЕРИАЛОВ И ВЗВЕШЕННЫХ ЧАСТИЦ ИЗНОСА ПРИ ИСПОЛЬЗОВАНИИ ЭМПИРИЧЕСКОГО УРАВНЕНИЯ ВАЛЬТЕРА
Представлен вывод соотношения, описывающего изменение вязкости смазочного композиционного материала в зависимости от объёма дисперсного наполнителя из наночастиц твёрдого смазочного материала и частиц износа, образующихся в процессе фрикционного взаимодействия пар трения, с использованием эмпирически проверенных уравнений Эйнштейна и Вальтера.
Ключевые слова: вязкость, нефтяное смазочное масло, трение, износ, смазка, твёрдые смазочные материалы, наночастицы, частицы износа.
Известно [1], что с повышением температуры вязкость масла уменьшается. Очевидно, что выгоднее всего применять масла, у которых кривая зависимости вязкости от температуры наиболее пологая. Это важно, с одной стороны, для обеспечения максимальной несущей способности масляного слоя между трущимися деталями, с другой стороны, для нормальной эксплуатации машин, работающих на открытом воздухе при больших перепадах температур. Большие перепады температур имеют место в авиации, на автомобильном транспорте, в тракторах, дорожно-строительных машинах, где температура масла в объёме может колебаться от отрицательной до значений, превышающих 100 оС.
Вязкость масла при колебании температуры в широких пределах в неблагоприятных случаях может настолько изменяться, что условия его работы будут различаться коренным образом, при этом в масле, как в дисперсионной среде образуются полидисперсные частицы износа, часть которых осуществляет седиментацию, а часть пребывает во взвешенном состоянии. Для улучшения состояния масел в них добавляют наночастицы различных твердых смазочных материалов (ТСМ) [2 - 7].
Для области температур, где масла подчиняются закону Ньютона
где ^ - сила внутреннего трения, проявляющаяся при перемещении одного слоя масла относительно другого; /- динамическая вязкость; я - площадь слоя; йу / йу = у - градиент скорости сдвига; зависимость кинематической вязкости от температуры определяется уравнением Вальтера [1, 22]:
А.Д. Бреки, А.Е. Гвоздев
[8],
(1)
^(Удс + 0,8) = А - В • Т, 90
где пдс (сСт) - кинематическая вязкость масла, рассматриваемого в качестве дисперсионной среды; А, в - константы, зависящие от углеводородного состава масла; т (к) - абсолютная температура.
Дважды потенцируя уравнение (2) и разрешая его относительно пдс (используя тождество / (х)я (х) = в1 (х) ' 1п / (х)), имеем
Vдс = ехр(10 А-в■18т 1п10) - 0,8, (3)
но кинематическая вязкость жидкости представляет собой отношение динамической вязкости данной жидкости к её плотности при той же температуре и атмосферном давлении:
Пдс =— ^—дс =Пдс • Рдс. (4)
Рдс
Подставляя (3) в уравнение (4), получаем зависимость динамической вязкости масла (дисперсионной среды) от температуры:
—с = (ехр(10 А-в18 т ■ 1п 10) - 0,8) Рс. (5)
В случае целенаправленной добавки наночастиц твёрдых смазочных материалов в смазочное масло получаем жидкий смазочный композиционный материал с особыми свойствами. Вязкость такого материала может быть определена в соответствии с обобщенным уравнением Альберта Эйнштейна [9]:
И = Мдс ■(1 + а/ -ф)> (6)
где и - вязкость жидкого смазочного композиционного материала; Идс - вязкость дисперсионной среды (смазочного масла); а/ - коэффициент формы и взаимодействия частиц; ) = удф /V- объёмная доля дисперсного наполнителя (где V = Vдф + Vдс, Vдф удс - объёмы дисперсной фазы (наполнителя)
и дисперсионной среды (масла) соответственно).
Физический смысл уравнения (6), известного также как уравнение Симха-Эйнштейна [9], заключается в том [10], что относительное приращение вязкости прямо пропорционально относительному содержанию дисперсной фазы. Чем больше ), тем сильнее выражено тормозящее влияние частиц (не обладающих внутренней текучестью) на поток. Из теории Эйнштейна следует [11], что разбавленные и устойчивые дисперсные системы являются Ньютоновскими жидкостями, их вязкость линейно связана с объёмной долей дисперсной фазы и не зависит от дисперсности.
Коэффициент а1 для частиц, форма которых отличается от сферической формы, как правило, больше 2,5. Это объясняется тем, что объём вращения частицы несферической формы превышает объём самой частицы. Кроме того, для такой частицы больше сопротивление её движению, что должно увеличивать вязкость системы в большей степени. При значительных отклонениях формы частиц от сферической система может превратиться в неньютоновскую жидкость, вязкость которой зависит от на-
пряжения сдвига (или от скорости течения). Например, частицы в виде вытянутых палочек ориентируются в потоке, поэтому вязкость системы уменьшается с увеличением скорости течения.
Подставляя соотношение (5) в уравнение А. Эйнштейна (6), получаем зависимость вязкости нефтяных смазочных масел от наличия в них взвешенных высокодисперсных частиц:
т = (1 + а/ ■ Ф) • ^(10А-В-^ Т • 1п10) - 0,8)- рдс. (7)
Выше отмечено, что в нефтяных маслах в процессе изнашивания узлов трения появляются частицы износа, кроме того, сказано, что для улучшения свойств масел в них добавляют наночастицы твердых смазочных материалов, с учётом этого уравнение Эйнштейна можно переписать в следующем виде:
т=тдс •
1 + а - Уизн + Унч
аI •V Уизн + Унч + Удс )
(8)
где Уизн - суммарный объём частиц износа; Унч - суммарный объём добавленных наночастиц твердого смазочного материала.
Вместе с тем, как для добавляемого порошка наночастиц ТСМ, так и при наличии и образовании частиц износа всегда присутствует явление полидисперсности при котором крупные частицы износа и крупные агрегаты наночастиц подвергаются седиментации (осаждению) по закону Сто-кса. Таким образом, во взвешенном состоянии остаются и определяют вязкость только доли от указанных выше объёмов. С учётом сказанного уравнение (8) можно переписать в следующем виде:
т=тдс
1 + а ^и «Уизн + $ нч «Унч
1+а I
V ^ «Уизн + &нч «Унч + Кдс
(9)
где 8и« - доля суммарного объёма частиц износа во взвешенном состоянии (броуновское движение); 8НЧ«- доля суммарного объёма наночастиц ТСМ во взвешенном состоянии (в объёме масла).
Таким образом, уравнение (7) можно переписать следующим образом:
т =
1 + а ^и «Уизн + $ нч «Унч
1+а I ••
V
5и «^изн + $ нч «Унч + Удс
• (exp(10а-в1ёт • 1п10) - 0,8)- рдс .(10)
Вообще говоря, как для суммарного объёма частиц износа, так и для добавленных частиц ТСМ можно выделить три доли, суммы которых естественно равны единице:
5и« + 5и1 + 5и ^ = 1
и
5нч« + 5нч1 + 5нч ^ = 1
где 5и^ - доля суммарного объёма частиц износа, которые подверглись седиментации; 5и ^ — доля суммарного объёма частиц износа, оставшихся на фрикционном контакте; 5нч^ — доля суммарного объёма частиц ТСМ (как правило агрегатов наночастиц), которые подверглись седиментации; 5нч ^ — доля суммарного объёма частиц ТСМ, попавших в зону фрикционного взаимодействия.
В целом известно [12 - 21], что в маслах, помимо указанных видов частиц, по мере старения и взаимодействия с внешней средой появляются такие коллоидные частицы как смолы, асфальтены, карбены, карбоиды, частицы пыли различной природы, а также различные микроорганизмы. В связи с этим формулу (10) можно записать в более общем виде:
т =
1 +
а /
I5*« V
г =1_
п
Удс +1«V
г =1
• (ехр(10А—В •1§ Т 1п10) — 0,8) • рдс, (11)
где 5*« — доля суммарного объёма частиц г-го вида, которые находятся в масле во взвешенном состоянии (совершают броуновское движение); V* — суммарный объём частиц г-го вида.
При этом следует отметить, что 5*«, V*, а также п являются функциями времени и зависят от большого набора факторов, поэтому если в случае накопления и взаимодействия частиц дисперсных фаз смазочный материал перестанет подчиняться закону Ньютона, то соотношение (11) будет не применимо.
На основании изложенного можно сделать следующие выводы:
- с использованием эмпирически проверенных уравнений Эйнштейна и Вальтера выведено соотношение описывающее изменение вязкости смазочного композиционного материала в зависимости от объёма дисперсного наполнителя и частиц износа, образующихся в процессе фрикционного взаимодействия пар трения;
- показано, что на вязкость смазочного материала влияют не суммарные объёмы наночастиц ТСМ и износа, а их доли, в которые входят только частицы, пребывающие во взвешенном состоянии (совершающие броуновское движение);
п
- в результате обзора дисперсных фаз, которые потенциально могут содержаться, добавляться, образовываться или попадать в масла из внешней среды, записано уравнение для вязкости с произвольным количеством дисперсных фаз в смазочном материале.
Результаты исследований могут быть использованы при разработке ресурсосберегающих технологий обработки материалов [23 - 45].
Работа выполнена при поддержке гранта Российского научного фонда «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований по приоритетным тематическим направлениям исследований» по научному проекту "Формирование беспористых покрытий из нанокомпозиционных материалов типа «износостойкая матрица - нано-частицы дисульфида молибдена (вольфрама)», обладающих низким коэффициентом трения, методом химического осаждения из газовой фазы", № 15-13-00045.
Список литературы
1. Розенберг Ю.А. Влияние смазочных масел на долговечность и надёжность деталей машин. М.: Машиностроение, 1970. 304 с.
2. Определение основных трибологических характеристик жидких смазочных композиций, содержащих мелкодисперсные частицы дихалько-генидов вольфрама / О.В.Толочко, А.Д.Бреки, Е.С.Васильева, М.Ю.Максимов // Вопросы материаловедения. 2011. №1 (65). С. 143 - 149.
3. Исследование нагрузочной способности смазочных композиций с наночастицами и Ш8е2 для железнодорожных втулок / А.Д.Бреки, Е.С.Васильева, М.Ю.Максимов, С.Г.Чулкин // Вопросы материаловедения. 2012. №2 (70). С. 109 - 149.
4. Влияние смазочного композиционного материала с наночастица-ми диселенида вольфрама на трение в подшипниках качения/ А.Д.Бреки, В.В.Медведева, Ю.А.Фадин, О.В.Толочко, Е.С.Васильева, Н.Н.Сергеев, Д.А.Провоторов, А.Е.Гвоздев, Н.Е.Стариков, Ю.Е. Титова // Известия Тульского государственного университета. Технические науки, 2015. Вып. 11. Ч. 1. С. 171 - 180.
5. Взаимодействие дисперсных компонентов смазочного композиционного материала, содержащего наночастицы дихалькогенидов вольфрама/ А.Д.Бреки, О.В.Толочко, Е.С.Васильева, А.Е.Гвоздев, Н.Е.Стариков // Известия Тульского государственного университета. Технические науки, 2015. Вып. 5. Ч. 2. С. 136 - 144.
6. Общие свойства и особенности взаимодействия дисперсных компонентов смазочного материала/ А.Д.Бреки, О.В.Толочко, А.Е.Гвоздев, Н.Е. Стариков // Материалы 4-й Международной научно-практической конференции «Современное машиностроение. Наука и образование». СПб.: Изд-во политехн. ун-та, 2014. С. 319 - 326.
7. Жидкие и консистентные смазочные композиционные материалы, содержащие дисперсные частицы гидросиликатов магния, для узлов трения управляемых систем: монография / А.Д.Бреки, В.В.Медведева, Н.А.Крылов, С.Е.Александров, А.Е.Гвоздев, А.Н.Сергеев, Н.Е.Стариков, Д.А.Провоторов, Н.Н.Сергеев, Д.В. Малий; под ред. А. Д. Бреки. Тула: Изд-во ТулГУ, 2016. 166 с.
8. Захарченко В.Н. Коллоидная химия: 2-е изд., перераб. и доп. М.: Высшая школа, 1989. 238 с.
9. Волков В.А. Коллоидная химия. М.: МГТУ им. А.Н. Косыгина, 2001. 640 с.
10. Фридрихсберг Д. А. Курс коллоидной химии: учебник для вузов. 2-е изд., перераб. и доп. Л.: Химия, 1984. 368 с.
11. Фролов Ю.Г. Курс коллоидной химии. Поверхностные явления и дисперсные системы: учебник для вузов. 2-е изд., перераб. и доп. М.: Химия, 1988. 464 с.
12. Баландин П.А., Кармазин Э.И., Левитанус А.Д. Испытание трансмиссии тракторов в пылевой камере // Тракторы и сельхозмашины, 1965. № 11. С. 15 - 17.
13. Гольдберг Д.О., Крейн С.Э. Смазочные масла из нефтей восточных месторождений. М.: Химия, 1972. 232 с.
14. Иванов К.И. Промежуточные продукты и промежуточные реакции автоокисления углеводородов. М.: Гостоптехиздат, 1949. 192 с.
15. Икрамов У. А. Расчётные методы оценки абразивного износа. М.: Машиностроение, 1987. 288 с.
16. Кламанн Д. Смазки и родственные продукты. Синтез. Свойства. Применение. Международные стандарты / пер. с англ.; под ред. Ю.С. Заславского. М.: Химия, 1988. 488 с.
17. Моторные и реактивные масла и жидкости / под ред. К.К.Папок, Е.Г. Семенидо. М.: Химия, 1964. 699 с.
18. Тененбаум М.М. Сопротивление абразивному изнашиванию. М.: Машиностроение, 1976. 271 с.
19. Теоретические основы химмотологии / под ред. А.А.Браткова. М.: Химия, 1985. 320 с.
20. Черножуков Н.И., Крейн С.Э. Окисляемость минеральных масел. М.: Гостоптехиздат, 1955. 372 с.
21. Черножуков Н.И., Крейн С.Э., Лосиков Б.В. Химия минеральных масел. М.: Гостоптехиздат, 1959. 415 с.
22. Трение, изнашивание и смазка: справочник. Кн. 1. / под ред. И.В.Крагельского, В.В.Алисина. М.: Машиностроение, 1978. 400 с.
23. Features of softening processes of aluminum, copper, and their alloys under hot deformation / A.E.Gvozdev, D.N.Bogolyubova, N.N.Sergeev, A.G.Kolmakov, D.A.Provotorov, I.V. Tikhonova // Inorganic Materials: Applied Research. 2015. Vol. 6. № 1. P. 32-40.
95
24. Role of nucleation in the development of first-order phase transformations / A.E.Gvozdev, N.N.Sergeyev, I.V.Minayev, A.G.Kolmakov, I.V.Tikhonova // Inorganic Materials: Applied Research, 2015. Vol. 6. № 4. P. 283-288.
25. Grain size effect of austenite on the kinetics of pearlite transformation in low- and medium-carbon low-alloy steels / A.E. Gvozdev, I.V.Minaev, N.N.Sergeev, A.G.Kolmakov, Provotorov D.A., Tikhonova I.V. // Inorganic Materials: Applied Research, 2015. Vol. 6. № 1. P. 41-44.
26. Multiparametric optimization of laser cutting of steel sheets / A.E.Gvozdev, I.V.Golyshev, I.V.Minayev, A.N.Sergeyev, N.N.Sergeyev, I.V.Tikhonova, D.M.Khonelidze, A.G.Kolmakov // Inorganic Materials: Applied Research, 2015. Vol. 6. № 4. P. 305-310.
27. Synthesis and tribotechnical properties of composite coatings with PM-DADPE polyimide matrix and fillers of tungsten dichalcogenide nanopar-ticles upon dry sliding friction / A.D.Breki, E.S.Vasilyeva, O.V.Tolochko, A.L.Didenko, V.V.Kudryavtsev, A.G.Kolmakov, N.N.Sergeyev, A.E.Gvozdev, N.E.Starikov, D.A.Provotorov, Y.A.Fadin // Inorganic Materials: Applied Research, 2016. Vol. 7. № 4. P. 542-546.
28. Механические свойства конструкционных и инструментальных сталей в состоянии предпревращения при термомеханическом воздействии / А.Е.Гвоздев, А.Г.Колмаков, О.В.Кузовлева, Н.Н.Сергеев, И.В. Тихонова // Деформация и разрушение материалов, 2013. № 11. С. 39 - 42.
29. Влияние разнозернистости аустенита на кинетику перлитного превращения в мало- и среднеуглеродистых низколегированных сталях / А.Е.Гвоздев, А.Г.Колмаков, Д.А.Провоторов, И.В.Минаев, Н.Н.Сергеев, И.В.Тихонова // Материаловедение, 2014. № 7. С. 23-26.
30. Условия проявления нестабильности цементита при термоцикли-ровании углеродистых сталей / А.Е.Гвоздев, А.Г.Колмаков, А.В.Маляров, Н.Н.Сергеев, И.В.Тихонова, М.Е.Пруцков // Материаловедение. 2014. № 10. С. 48-55.
31. Многопараметрическая оптимизация параметров лазерной резки стальных листов / А.Е.Гвоздев, И.В.Голышев, И.В.Минаев, А.Н.Сергеев, Н.Н.Сергеев, И.В.Тихонова, Д.М.Хонелидзе, А.Г.Колмаков // Материаловедение, 2015. № 2. С. 31-36.
32. Зависимость показателей сверхпластичности труднодеформи-руемых сталей р6м5 и 10р6м5-мп от схемы напряженного состояния / А.Е.Гвоздев, А.Г.Колмаков, Д.А.Провоторов, Н.Н.Сергеев, Д.Н.Боголюбова // Деформация и разрушение материалов, 2015. № 11. С. 42-46.
33. Гвоздев А.Е., Журавлев Г.М., Колмаков А.Г. Формирование механических свойств углеродистых сталей в процессах вытяжки с утонением // Технология металлов. 2015. № 11. С. 17-31.
34. О фрикционном взаимодействии металлических материалов с учетом явления сверхпластичности / А.Д.Бреки, А.Е.Гвоздев, А.Г.Колмаков, Н.Е.Стариков, Д.А.Провоторов, Н.Н.Сергеев, Д.М.Хонелидзе // Материаловедение, 2016. № 8. С. 21-25.
35. Композиционные покрытия на основе полиимида А-ООО и на-ночастиц Ш82 с повышенными триботехническими характеристиками в условиях сухого трения скольжения / А.Д.Бреки, А.Л.Диденко, В.В.Кудрявцев, Е.С.Васильева, О.В.Толочко, А.Е.Гвоздев, Н.Н.Сергеев, Д.А.Провоторов, Н.Е.Стариков, Ю.А.Фадин, А.Г.Колмаков // Материаловедение, 2016. № 5. С. 41-44.
36. Макаров Э.С., Гвоздев А.Е., Журавлев Г.М. Теория пластичности дилатирующих сред: монография // под ред. А.Е. Гвоздева. 2-е изд., перераб. и доп. Тула: Изд-во ТулГУ, 2015. 337 с.
37. Влияние элементов-графитизаторов на распад цементита при термоциклической обработке вблизи А0 углеродистых сталей / А.Е.Гвоздев, А.Г.Колмаков, А.В.Маляров, Н.Н.Сергеев, И.В.Тихонова // Материаловедение. 2013. № 11. С. 43-45.
38. Гетерогенное зарождение графита в углеродистых сталях при распаде цементита в процессе ТЦО вблизи точки А0 / А.Е.Гвоздев, А.Г.Колмаков, А.В.Маляров, Н.Н.Сергеев, И.В.Тихонова // Материаловедение. 2013. № 10. С. 48-52.
39. Особенности протекания процессов разупрочнения при горячей деформации алюминия, меди и их сплавов / А.Е.Гвоздев, А.Г.Колмаков, Д.Н.Боголюбова, Н.Н.Сергеев, И.В.Тихонова, Д.А.Провоторов // Материаловедение. 2014. № 6. С. 48-55.
40. Роль процесса зародышеобразования в развитии некоторых фазовых переходов первого рода / А.Е.Гвоздев, Н.Н.Сергеев, И.В.Минаев, И.В.Тихонова, А.Г.Колмаков // Материаловедение. 2015. № 1. С. 15-21.
41. Расчет деформационной повреждаемости в процессах обратного выдавливания металлических изделий / А.Е.Гвоздев, Г.М.Журавлёв, А.Г.Колмаков, Д.А.Провоторов, Н.Н.Сергеев // Технология металлов. 2016. № 1. С. 23-32.
42. Распределение температур и структура в зоне термического влияния для стальных листов после лазерной резки / А.Е.Гвоздев, Н.Н.Сергеев, И.В.Минаев, А.Г.Колмаков, И.В.Тихонова, А.Н.Сергеев, Д.А.Провоторов, Д.М.Хонелидзе, Д.В.Малий, И.В.Голышев // Материаловедение. 2016. № 9. С. 3-7.
43. Синтез и триботехнические свойства композиционного покрытия с матрицей из полиимида (Р-ООО) ФТ и наполнителем из наночастиц дисульфида вольфрама при сухом трении скольжения / А.Д.Бреки, А.Л.Диденко, В.В.Кудрявцев, Е.С.Васильева, О.В.Толочко, А.Г.Колмаков, А.Е.Гвоздев, Д.А.Провоторов, Н.Е.Стариков, Ю.А.Фадин // Материаловедение. 2016. № 4. С. 44-48.
44. Сопряженные поля в упругих, пластических, сыпучих средах и металлических труднодеформируемых системах: монография / Э.С.Макаров, В.Э.Ульченкова, А.Е.Гвоздев, Н.Н.Сергеев, А.Н.Сергеев; под ред. А.Е. Гвоздева. Тула: Изд-во ТулГУ, 2016. 526 с.
45. Технология конструкционных и эксплуатационных материалов: учебник / А.Е.Гвоздев, Н.Е.Стариков, В.И.Золотухин, Н.Н.Сергеев, А.Н.Сергеев, А.Д.Бреки; под ред. А.Е. Гвоздева. Тула: Изд-во ТулГУ, 2016. 351 с.
Бреки Александр Джалюльевич, канд. техн. наук, доц., зам. зав., кафедрой, al-brekiayandex. ru, Россия, Санкт-Петербург, Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого,
Гвоздев Александр Евгеньевич, д-р техн. наук, проф., technology'a,tspu.tula.ru, Россия, Тула, Тульский государственный педагогический университет им. Л.Н. Толстого
ABOUT DEPENDENCE OF VISCOSITY OF OILS ON EXISTENCE OF NANOPARTICLES OF SOLID GREASES IN THEM AND THE WEIGHED WEAR PARTICLES WHEN USING
THE EMPIRICAL EQUA TION OF WALTER
A.D. Breki, A.E. Gvozdev
In work a conclusion of the ratio describing change of viscosity of lubricant composite material depending on the volume of a disperse filling agent from the nanoparticles of a solid grease and particles of wear which are formed in the course offrictional interaction of friction pairs with use of empirically checked Einstein and Walter's equations is presented.
Key words: viscosity, petroleum grease oil, friction, wear, lubricant, solid greases, nanoparticles, wear particles.
Breki Alexander Dzhalyulyevich, candidate of technical sciences, docent, assistant manager department, head of the laboratory, alhrekiayandex. ru, Russia, St. Petersburg, St. Petersburg Polytechnical University of Peter the Great,
Gvozdev Alexander Evgenyevich, doctor of technical sciences, professor, technolo-gy@tspu. tula. ru, Russia, Tula, Tula State Pedagogical University of L.N. Tolstoy
