CC BY
105
УДК 621.2.082.18
ОЦЕНКА ВЛИЯНИЯ РАЗМЕРА ЧАСТИЦ И КОНЦЕНТРАЦИИ ПОРОШКОВ ГОРНЫХ ПОРОД НА ПРОТИВОИЗНОСНЫЕ
СВОЙСТВА ЖИДКИХ СМАЗОЧНЫХ КОМПОЗИЦИЙ
В.В. Медведева, М.А. Скотникова, А. Д. Бреки, Н.А. Крылов, Ю.А. Фадин, А.Н. Сергеев, Д.А. Провоторов, А.Е. Гвоздев, Н.Е. Стариков
Представлены результаты исследования влияния размера и концентрации частиц мягких горных пород группы серпентина: антигориты, лизардиты, хризотилы, полученные помолом на шаровой мельнице, на противоизносные свойства жидких смазочных композиционных материалов. В качестве базовых смазочных масел были использованы как минеральные, так и синтетические масла.
Ключевые слова: жидкие смазочные композиции, серпентинит, мягкие горные породы, антифрикционные добавки, трение, износ, смазка.
Актуальность проблемы повышения надёжности различных машин и механизмов с течением времени не только не снижается, а, наоборот, неуклонно возрастает. Изменение характеристик смазочной среды посредством введения дополнительных добавок даёт возможность увеличить межремонтный период и повысить надёжность трибосопряжений, в некоторых случаях даже восстановить изношенные детали. Поэтому проблема разработки новых смазочным композиций (СК) путём введения дополнительных функциональных добавок, способствующих снижению трения и повышению износостойкости ведущих деталей машин, становится особенно актуальной. Исследованию влияния функциональных добавок на улучшение функционирования узлов трения посвящён ряд исследований, давших положительные результаты [1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9]. Многие вопросы, связанные с использованием дисперсных добавок, остались ещё недостаточно освещены. Возникает необходимость оценки влияния размера и концентрации частиц мягких горных пород на противоизносные свойства жидких смазочных композиций.
В качестве объектов исследования были выбраны два представителя моторных масел марок Castrol SLX Professional Long life III 5W-30 и Лукойл Стандарт 10W40, модифицированные геоматериалами.
Лукойл Стандарт 10W40 относится к классу всесезонных универсальных минеральных моторных масел для карбюраторных и дизельных двигателей без наддува легковых автомобилей API SF/CC MINIRAL.
Castrol SLX Professional Long life III 5W-30 - синтетическое моторное масло для бензиновых и дизельных двигателей с увеличенным сроком его замены.
В качестве геомодификаторов смазочных материалов использовались мелкодисперсные порошки мягких горных пород группы серпентина: антигориты, лизардиты, хризотилы, полученные помолом на шаровой мельнице (таблица).
Размер частиц горных пород разного помола
Группа Мелкий помол, мкм Средний помол, мкм Крупный помол, мкм
Антигориты 1.4 2.6 8.10
Лизардиты 1.2 3.5 9.12
Хризотилы 2.3 4.5 8.18
Целью испытаний явилась оценка влияния размера частиц и концентрации порошков горных пород на противоизносные свойства моторных масел.
Испытания смазочных материалов проводились на машине трения СМЦ-2, предназначенной для изучения процессов трения и износа, антифрикционных свойств материалов при трении скольжения и трения качения.
Сравнительные испытания противоизносных свойств смазочных материалов проводились по методике, описанной в ГОСТ 51860-2002 «Оценка противоизносных свойств смазочных материалов методом «шар -цилиндр».
На первом этапе эксперимента проводились испытания на противо-износные свойства выбранных масел в исходном состоянии.
Последующим шагом стало определение наиболее оптимальных порошков горных пород группы серпентинитов (антигориты, хризотилы, лизардиты) в качестве модификаторов смазочных материалов из числа среднеразмерных порошков (2...6 мкм). Выбор среднеразмерной группы порошков горных пород в качестве отборочной обусловлен измерением размеров частиц в этой группе. Размеры частиц для всех трех горных пород в среднеразмерной группе наиболее близки друг к другу.
После определения наиболее предпочтительной горной породы из группы серпентинитов проводились испытания смазочных материалов, модифицированных порошками этой породы мелкого, среднего и крупного размеров, и выявлялся таким образом, наиболее оптимальный по размеру и составу геомодификатор смазочных материалов.
В ходе испытаний исходных смазочных материалов установлено, что Сав1то1 8ЬХ 5Ш30 превосходит по своим противоизносным характеристикам Лукойл Стандарт 10Ш40. У смазочного материала Сав1го1 8ЬХ 5Ш30 интенсивность изнашивания от изменения контактного давления более пологая и начальное контактное давление
(Р0=169.355 Н/мм2), при
котором начинается износ, больше, чем у Лукойл Стандарт 10Ш40 (Р0=102,408 Н/мм2).
Исследования по выявлению наиболее предпочтительной группы серпентинитов и размера помола нагляднее проводить на моторном масле с более низкими противоизносными свойствами. Таким образом, для последующих испытаний в качестве базового масла выбран Лукойл Стандарт 10Ш40.
Результаты испытаний противоизносных свойств смазочного материала Лукойл Стандарт 10Ш40, модифицированного порошками геоматериалов среднего размера, показаны на рис. 1.
8x10
2
7.1х10~8
з б.2х10~8
к
г
X 5.3x10
<и
ш
г 4.4x10 8
Э
«3
X 3.5х10"8
г
л I- 2.бх10~8
и
о Й
X 1.7x10
ш
г
и 8x10 9
X
ф
н
X - 1x10
5
- 1х10"8
/
Луко + ан 11Л Ст ИГОр| т ЮШ >рош< 40 к / Луко + Л1 ЙЛ С1 1зард анда[ 1ТЫ п т 10\Л >рош< 40 ж
ср ;днег > раз- лера ср еднег о разг лера
Лук зил С ганда рт 101 МО
/ + X \ Ч РИ301 >едне илы г о раз орош мера ок
/
/
200 227.5 255 282.5 310 337.5 365
Контактное давление Н/мм2
Рис. 1. График зависимости интенсивности изнашивания от давления для смазочного материала Лукойл Стандарт 10Ж40, модифицированного порошками трёх горных пород группы серпентинитов среднего размера
Из построенного графика (см. рис. 1) видно, что смазочный материал Лукойл Стандарт 10Ш40, модифицированный порошком среднего размера горной породы лизардит, превосходит по своим противоизносным свойствам порошки среднего размера - антигориты и хризотилы. Интенсивность изнашивания от изменения контактного давления смазочного материала Лукойл Стандарт 10Ш40, модифицированного порошками среднего размера лизардита, более низкая, а начальное контактное давление, при котором начинается износ (Р0=148,285 Н/мм ), более высокое, что больше, чем у смазочного материала Лукойл Стандарт 10Ш40, модифицированного порошками среднего размера антигорита (Р0=130,259 Н/мм ) и хризотилы (Р0=135,413 Н/мм2).
На основании полученных результатов дальнейшее изучение влияния размера частиц порошков горных пород на противоизносные свойства смазочных материалов будет проводиться на лизардитах.
59
Результаты испытаний противоизносных свойств смазочного материала Лукойл Стандарт 10Ш40 модифицированного порошками лизардита мелкого, среднего и крупного размера, показаны на рис. 2.
Порошок горной породы лизардиты в предыдущих испытаниях показал себя как наиболее эффективный противоизносный модификатор.
После обработки результатов испытаний смазочных материалов, модифицированных порошками горной породы группы серпентинитов -лизардиты трёх размеров (мелкого, среднего и крупного), по методике, рекомендованной ГОСТ 51860-2002, строим график зависимости интенсивности изнашивания от давления (рис. 2).
Лу + ко ил пизар Стащ циты арт 1 поро1 )Ш40 иок
фупн ого р< □мер ) Луко + Л1 йл Ст [зард! андар 1ТЫ ш т 101Л1 ►рошс 40 к
ср гднег > разг* юра
л н У КО И! ■ лиза гСтаи эдить дарт I пор< Г01ЛГЧЛ шок
мелк ого р; )з-мег а
90 117.5 145 172.5 200 227.5 255 282.5 310 337.5 365
Контактное давление (Р). Н/мм2
392.5
420
447.5
475
Рис. 2. График зависимости интенсивности изнашивания от давления для смазочного материала Лукойл Стандарт 10Ж40, модифицированного порошками горной породы лизардит мелкого, среднего и крупного размера
Из построенного графика (см. рис. 2) видно, что смазочный материал Лукойл Стандарт 10Ш40, модифицированный порошком среднего размера горной породы лизардит, превосходит по своим противоизносным свойствам порошки мелкого и крупного размера. Интенсивность изнашивания от изменения контактного давления смазочного материала Лукойл Стандарт 10Ш40, модифицированного порошками среднего размера лизардит, более низкая, а начальное контактное давление, при котором начи-
2
нается износ (Р0=148,285 Н/мм2), более высокое, что больше, чем у смазочного материала Лукойл Стандарт 10Ш40, модифицированного порошками мелкого размера (Р0=85,986 Н/мм ) и крупного размера лизардита (Р0=111,965 Н/мм2).
На основании полученных результатов принимаем решение, что изучение влияния порошков-модификаторов горных пород на противоиз-носные свойства полностью синтетических смазочных материалов (Сав1то1 8ЬХ 5Ш30) будем проводить с порошком горной породы среднего размера лизардитом.
Результаты испытаний противоизносных свойств смазочного материала Сав1го1 8ЬХ 5Ш30, модифицированного порошком лизардита среднего размера, показаны на рис. 3.
% 117.5 145 172.5 200 227.5 255 232.5 310 337.5 365 352.5 420 447.5 475
Контактное давление (Р). Н/мм2
Рис. 3. График зависимости интенсивности изнашивания от давления для смазочного материала Сй81гв18ЬХ 5Ж30 в исходном состоянии и Сй81гв18ЬХ 5Ж30, модифицированного порошком горной породы
лизардитом, среднего размера
Из построенного графика (см. рис. 3) видно, что смазочный материал Сав1то1 8ЬХ 5Ш30, модифицированный порошком среднего размера горной породы лизардит, имеет большую интенсивность изнашивания от изменения контактного давления, чем исходный смазочный материал Са-в1то1 8ЬХ 5Ш30, что отрицательно характеризует модификацию, однако начальное контактное давление, при котором начинается износ (Р0=207,325 Н/мм ), более высокое, что больше, чем у базового смазочного материала Сав1то1 8ЬХ 5Ш30 (Р0=169,355 Н/мм2).
На основании полученных результатов экспериментальных исследований можно сделать следующие выводы.
1. Проведенные исследования показали высокую эффективность лизардита среднего размера в составе минерального масла Лукойл Стандарт 10Ш40. Данный силикат из класса серпентинитов может быть реко-
мендован в качестве противоизносной добавки в минеральные масла. Введение в состав масла лизардита М§6{814010}(0Н)8 обеспечивает формирование между поверхностями трения сервовидной пленки, уменьшающей износ элементов трения. Это связано с тем, что неорганические материалы на основе природных минералов Меп[8Юк](ОН)р, где Ме=Бе, М§, А1, к которым относится серпентинит, при высоких давлениях и температурах могут кристаллизоваться в виде форстерита, волостанита и ряда других модификаций со значительной микротвердостью.
2. Экспериментально показано, что добавление дополнительных присадок в синтетические масла негативно сказывается на характеристики сбалансированного масла.
3. Выявленные различия влияния частиц серпентинита на масла разной базы можно объяснить на молекулярном уровне: молекулы синтетического масла синтезируются с заданными свойствами, а молекулы минерального масла сформировались в природных условиях, что влияет на характер их взаимодействия с геомодификаторами (имеющими природное происхождение). Минеральные масла смывают отложения на деталях постепенно, а синтетические масла благодаря высокой текучести «соскабливают» отложения (в том числе образовавшийся защитный силикатный слой) с сопряженных деталей. Это может привести к повышению температуры в зоне контакта и увеличить износ пар трения, работающих в синтетических маслах с добавками серпентинита.
Работа выполнена в рамках государственного задания при финансовой поддержке Минобрнауки России (коды проектов: № 933-2014, № 19722014) при поддержке гранта РФФИ № 13-08-00553, а также при поддержке гранта Российского научного фонда по приоритетному направлению деятельности Российского научного фонда «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований по приоритетным тематическим направлениям исследований» научного проекта: "Формирование беспористых покрытий из нанокомпозиционных материалов типа «износостойкая матрица - наночастицы дисульфида молибдена (вольфрама)», обладающих низким коэффициентом трения, методом химического осаждения из газовой фазы", № 15-13-00045.
Список литературы
1. Докшанин С. Г. Увеличение ресурса работы подшипников качения применением пластичных смазочных материалов с ультрадисперсным алмазографитом: автореф. дис. ... канд. техн. наук. Красноярск, 2002. 20 с.
2. Маринушкин Д. А. Повышение долговечности гипоидных передач применением твёрдых добавок к смазочному материалу: автореф. дис. ... канд. техн. наук. Красноярск, 2008. 20 с.
62
3. Ципцин Е.А. Повышение качества приработки деталей дизелей за счёт применения масла, содержащего наночастицы серпентина: автореф. дис. ... канд. техн. наук. М., 2007. 16 с.
4. Шаронов А.А. Улучшение эксплуатационных характеристик подшипников скольжения применением модифицированных смазочных материалов: автореф. дис. канд. ... техн. наук. Красноярск, 2005. 18 с.
5. Хуссеин Х.А. Твёрдые композиционные присадки на основе металлизированного графита для пластичных смазочных материалов: автореф. дис. ... канд. техн. наук. СПб, 2009. 18 с.
6. Фомичёв Д.С. Повышение эффективности процесса сверления и нарезания внутренней резьбы метчиками путём использования пластичных СОТС с трибоактивными присадками: автореф. дис. ... канд. техн. наук. Иваново, 2006. 19 с.
7. Федосов А.В. Повышение работоспособности металлорежущего оборудования за счёт введения фуллероидных наномодификаторов в смазочные материалы: автореф. дис. канд. техн. наук. СПб, 2006. 23 с.
8. Журба И. А. Нестационарная математическая модель прогнозирования устойчивой работы подшипников скольжения с вязкоупругой смазочной композицией: автореф. дис. ... канд. техн. наук. Ростов-на-Дону, 2005. 24 с.
9. Рабецкая О.И. Улучшение рабочих характеристик радиальных подшипников скольжения: автореф. дис. ... канд. техн. наук. Красноярск, 2008. 21 с.
Медведева Виктория Валерьевна, асп., vikamv@mail.ru, Россия, Санкт-Петербург, Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого,
Скотникова Маргарита Александровна, д-р техн. наук, проф., зав. кафедрой, skotnikova@,mail.ru, Россия, Санкт-Петербург, Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого,
Бреки Александр Джалюльевич, канд. техн. наук, доц., зам. зав. кафедрой, зав. лабораторией, albreki@yandex.ru, Россия, Санкт-Петербург, Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого,
Крылов Николай Александрович, канд. техн. наук, доц., зам. зав. кафедрой, cry off@,mail.ru, Россия, Санкт-Петербург, Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого,
Фадин Юрий Александрович, д-р техн. наук, проф., зав. лабораторией, fadinspb@yandex.ru, Россия, Санкт-Петербург, Институт проблем машиноведения РАН,
Сергеев Александр Николаевич, д-р техн. наук, проф., ansergueev@gmail.com, Россия, Тула, Тульский государственный педагогический университет им. Л.Н. Толстого,
Провоторов Дмитрий Алексеевич, канд. техн. наук, ведущий инженер-конструктор, prodmyt@rambler.rä, Россия, Тула, ООО НПП «Вулкан-ТМ»,
Гвоздев Александр Евгеньевич, д-р техн. наук, проф., technology@tspu.tula.ru, Россия, Тула, Тульский государственный педагогический университет им. Л.Н. Толстого,
Стариков Николай Евгеньевич, д-р техн. наук, проф., зам. зав. кафедрой, stari-kovjaii@mail.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет
EVAL UA TION OF THE INFL UENCE OF PARTICLE SIZE AND CONCENTRA TION OF POWDERS OF ROCKS ON THE ANTIWEAR PROPERTIES OF LIQUID LUBRICANT
COMPOSITIONS
V.V. Medvedeva, M.A. Skotnikova, A.D. Breki, N.A. Krylov, Y.A. Fadin, A.N. Sergeev, D.A. Provotorov, A.E. Gvozdyev, N.E. Starikov
The results of research of influence of particle size and concentration of soft rock serpentine: antigorite, lizardite, chrysotile, obtained by milling in a ball mill, in the anti-wear properties of liquid lubricating composite materials are given. As base lubricating oils have been used as mineral and synthetic oils.
Key words: liquid lubricant compositions serpentinite, soft rocks, antifriction additives, friction, wear and lubrication.
Medvedeva Victoria Valerevna, postgraduate, vikamv@mail.ru, Russia, St. Petersburg, St. Petersburg Peter the Great Polytechnic University,
Skotnikova Margarita Alexandrovna, doctor of tehnical sciences, professor, head of chair, skotnikova@mail.ru, Russia, St. Petersburg, St. Petersburg Peter the Great Polytechnic University,
Breki Alexander Dzhalyulevich, candidate of technical sciences, docent, deputy, head, of chair albreki@yandex.ru, Russia, Saint-Petersburg, St. Petersburg Peter the Great Polytechnic University,
Krylov Nikolai Aleksandrovich, candidate of technical sciences, docent, deputy head of chair department, cry o ff@,mail.ru, Russia, St. Petersburg, St. Petersburg Peter the Great Polytechnic University,
Fadin Yuri Alexandrovich, doctor of technical sciences, professor, head of the laboratory, fadinsph a yandex. ru, Russia, St. Petersburg, Russia, Institute of problems of mechanical engineering RAS,
Sergeev Aleksandr Nikolaevich, doctor of pedagogical scienses, professor, ansergueev@gmail.com, Russia, Tula, Tula State Lev Tolstoy Pedagogical University,
Provotorov Dmitriy Alekseevich, candidate of technical sciences, leading design engineer, prodmyt@rambler.ru, Russia, Tula, SME «Vulkan-TM»,
64
Gvozdyev Alexander Evgenevich, doctor of technical sciences, professor, technolo-gy@tspu. tula. ru, Russia, Tula, Tula State Lev Tolstoy Pedagogical University,
Starikov Nikolay Evgenevich, doctor of technical sciences, professor, deputy head of chair, the Department, starikov_taii@,mail. ru, Russia, Tula, Tula State University
УДК 621.833.1
ВЫБОР ЗАКОНА ИЗМЕНЕНИЯ ЖЕСТКОСТИ ЗАЦЕПЛЕНИЯ ПРИ МОДЕЛИРОВАНИИ ДИНАМИКИ ЗУБЧАТЫХ ПЕРЕДАЧ
В. А. Крюков, Л.В. Савельева
Рассмотрено влияние закона изменение жесткости зацепления на динамические процессы в прямозубой цилиндрической зубчатой передаче.
Ключевые слова: зубчатые передачи, жесткость зацепления, динамика, моделирование.
Одним из ключевых моментов динамического исследования любой механической системы является составление расчетной схемы, которая должна обеспечивать правильное качественное описание исследуемых динамических процессов и позволять получать их количественные характеристики с необходимой степенью точности [1]. При системном подходе математическая модель машинного агрегата, составляемая на основе выбранной расчетной схемы, представляет собой взаимосвязанную систему математических моделей источника энергии - двигателя, потребителя энергии - рабочей машины и связывающей их механической передачи [2]. При решении большинства практически важных задач динамики машин расчетная схема механической передачи в составе машинного агрегата, представляется в виде дискретной модели, состоящей из ряда сосредоточенных масс, обладающих моментами инерции, соединенных безынерционными упругими связями. Упругие связи, как правило, принимаются линейными, а первые передаточные функции механизмов - постоянными [3].
Из этого общего правила имеются два важных исключения. Червячные передачи, являющиеся основой многих редукторов, обладают существенно нелинейной функцией положения, что может привести к возникновению ряда специфических явлений [4]. Упругие силы, возникающие в зубчатых зацеплениях, также описываются существенно нелинейными уравнениями, что объясняется особенностями деформирования зубьев под нагрузкой, а также переменным числом зубьев, находящихся в зацеплении.
65
