CC BY
67
Известия Самарского научного центра Российской академии наук, т. 13, №4(3), 2011
УДК 621.7(045)
ЭФФЕКТИВНОСТЬ ПРИМЕНЕНИЯ ПРИСАДОК НА ОСНОВЕ ЧАСТИЦ ТВЕРДЫХ МАТЕРИАЛОВ ПРИ ПРИРАБОТКЕ ДЕТАЛЕЙ ДВИГАТЕЛЕЙ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ
© 2011 А.Ф. Мельников
Бийский технологический институт (филиал) АлтГТУ Поступила в редакцию 10.11.2011
В сельскохозяйственном производстве Российской Федерации используется более 5,5 млн. двигателей внутреннего сгорания (ДВС). Показатели надежности техники в условиях эксплуатации показывают, что от 30 до 50 % отказов приходятся на ДВС. Долговечность двигателей в основном определяется износом поршневых колец и гильз цилиндров, шатунных и коренных шеек коленчатых валов, вкладышей, кулачков распределительных валов, толкателей и других деталей.
Эффективным мероприятием, позволяющим повысить ресурс ДВС после проведения ремонта, является модифицирование базовой смазочной среды различными присадками. Ввод присадок позволяет улучшить степень приработки трущихся деталей и в дальнейшем увеличить срок службы деталей двигателей.
В последние годы значительное внимание уделяется созданию и использо-ванию различных антифрикционных присадок, содержащих наночастицы. Практический интерес представляют присадки на основе наночастиц сверхтвердых материалов (наноалмазов) и различных металлов (Fe, Ni, Cu, Ag, Zn, Cd, Sn, Pb и др.), которые обеспечивают антифрикционные, противоизносные и противозадирные свойства в парах трения [1,2].
Сегодня на рынке известны различные прирабо-точные препараты на основе наноалмазов. Входящие в состав присадок наноалмазы (диаметром 4—6 нм) и кластерный углерод, структурируют масляную пленку, увеличивают ее динамическую прочность, действуют на кристаллическую решетку поверхности металла, упрочняя ее, формируют новые поверхности трения, уменьшая граничное трение и износ (особенно при больших нагрузках и дефиците смазочного материала). Наиболее известной и отработанной на практике является алмазосодержащая присадка "Деста" (ТУ 07508902-188-2003), выпускаемая ОАО «Федеральный научнопроизводственный центр «Алтай». Считается, что наличие большого количества сверхмалых частиц графита и алмаза изменяет свойства смазочной пленки и характер взаимодействия поверхностей трения, способствует ускоренной приработке трущихся поверхностей. При этом увеличивается вязкость жидкости, прочность смазочной пленки и, как следствие, несущая способность трибосопряжения.
Из известных присадок на основе металлических наночастиц в последние годы применяются так на-
зываемые «магнитные жидкости», которые используются в качестве смазочного материала в узлах трения.
На практике используются различные магнитные жидкости, в которых ферромагнитные частицы имеют малый размер (порядка 5—100 нм) и при наложении неоднородного магнитного поля образуют пространственную структуру. Наиболее известная для смазочных масел присадка, содержащая частицы магнетита (Fe3O4) с окружающими их молекулами олеиновой кислоты (С18Н34О2). Молекулы олеиновой кислоты адсорбируются на поверхности магнетита в результате процесса хемосорбции. Магнетит, входящий в мицеллу, характеризуется низким сопротивлением сдвигу и является пластической смазкой, уменьшающей коэффициент трения и интенсивность изнашивания поверхностей в местах их соприкосновения. Молекулы олеиновой кислоты, входящие в состав мицелл, предотвращают их слипание и обеспечивают возможность их нахождения во взвешенном состоянии в жидкости.
Магнитные жидкости на основе углеводородов нашли применение в качестве герметизаторов для вращающихся валов, как демпфирующее устройство, как хорошие антифрикционные присадки и т.п. Определенный интерес представляет применение таких жидкостей в качестве приработочных.
Автором разработан метод получения антифрикционной присадки на основе нанокобальта, получаемого химическим способом из солей кобальта путем восстановления в водных растворах и последующего перевода золей металла в органические среды с применением поверхностно-активных веществ (ПАВ) на основе нечетвертичных азотистых оснований. При этом получаются устойчивые коллоидные системы. Частицы кобальта покрыты слоем ПАВ, представляют собой мицеллы и обладают значительной агрегативной устойчивостью в течение длительного времени при различных механических и температурных воздействиях. При этом кобальт обладает магнитными свойствами, поэтому полученную антифрикционную присадку можно отнести к магнитным жидкостям. Первые упоминания о возможности применения кобальта для легирования товарных масел при упрочнении плунжерных пар топливного насоса высокого давления после восста-давления описаны в литературе [3].
Целью рассматриваемой работы являлось проведение сравнительного анализа трибологических
1116
Механика и машиностроение
свойств антифрикционной присадки с наиболее известными присадкам в условиях граничного трения.
Испытания присадок проводили на стандартной машине трения МИ-1М по схеме трения вал - колодка (рис.1). При этом во всех экспериментах давление задавалось равным p = 9 МПа, что соответствовало нормальной силе N =900 Н, а линейная окружная скорость вала (скорость скольжения) задавалась v = 1,5 м/с. Материалы пары трения: вал -чугун СЧ-24, колодка - чугун СЧ-24. Исходная шероховатость образцов Ra=1,0—0,7 мкм.
Рис. 1. Схема испытаний на машине трения МИ-1М 1 - оправка колодки; 2 - колодка; 3 - вал;
4 -испытываемое масло.
Для сравнительной оценки трибологических свойств разработанной присадки были приготовлены модельные композиции на основе масла М-8В (ГОСТ 10541-78) при различном содержании нанокобальта. В качестве базового масла М-8В было выбрано из соображения наименьшего содержания различных присадок, способных влиять на условия трения, а также масло М-8В — является основой для получения обкаточных масел. При испытаниях на машине трения МИ-1М в непрерывном режиме снимались показания момента трения и температуры в зоне контакта.
Связь между моментом трения Мтр и коэффициентом трения можно выразить следующей зависимостью:
Мтр = 0,5 ■ f ■ N- d,
где f — коэффициент трения;
N — нормальная сила в паре трения, Н;
d — диаметр вала, м.
Из представленной зависимости видно, что изменение момента трения однозначно определяет изменение коэффициента трения между исследуемыми поверхностями.
Проведены экспериментальные исследования с целью определения оптимального содержания нанокобальта в масле М-8В. Наилучшие результаты получены на масле М-8В, содержащем 1 %
нанокобальта, что соответствовало уменьшению
коэффициента трения в конце испытаний на 38 % по сравнению с маслом без присадки (рис.2).
Рис. 2. Изменение момента трения (Мтр) в зоне контакта от времени испытаний (т) при различном содержании нанокобальта в масле М8В: нагрузка N = 900 H, скорость скольжения v = 1,5 м/с.
Температура поверхностей трения является одним из важных факторов, влияющих на условия трения. Проведены экспериментальные
исследования изменения температуры в паре трения от времени испытаний для композиций, содержащих различное количество нанокобальта (рис.3).
Рис. 3. Изменение температуры (T) в зоне контакта от времени испытаний (т) при различном содержании нанокобальта в масле М8В: нагрузка N = 900 H, скорость скольжения v = 1,5 м/с.
При этом необходимо отметить, что в конце экспериментов наибольшее снижение температуры в паре трения получено для композиции, содержащей 1 % нанокобальта, температура снизилось до 80 0С, что на 250С ниже, чем на чистом масле М-8В.
Таким образом, наилучшие значения по снижению коэффициента трения и температуры были получены для композиции с концентрацией кобальта равной 1%, которая сравнивалась с известными присадками на основе магнетита и «Деста» (рис.4,5).
1117
Известия Самарского научного центра Российской академии наук, т. 13, №4(3), 2011
Рис. 4. Изменение момента трения (М^) в зоне контакта от времени испытаний (т) для различных присадок в масле М8В: нагрузка N = 900 H, скорость скольжения v = 1,5 м/с.
Рис. 5. Изменение температуры (T) в зоне контакта от времени испытаний (т) для различных присадок в масле М8В: нагрузка N = 900 H, скорость скольжения v = 1,5 м/с.
Проведенные исследования показали значительно лучшие трибологические показатели разработанной присадки на основе нанокобальта по сравнению с наномагнетитом и «Дестой». Конечная шероховатость образцов после испытания на базовом масле, на композициях содержащих нанокобальт, наномагнетит и «Десту» уменьшилась и составила Ra = 0,4—0,2 мкм.
Для объяснения эффекта снижения коэффициента трения предполагалось, что ультрадисперсный кобальт внедряется в поверхность трения, упрочняет ее, т.е. происходит процесс металлоплакирования в зоне контакта. Однако анализы состава поверхности трения-колодки после испытания с применением присадки нанокобальта на рентгеновском дифрактометре ARLX’TRA в научно-исследовательской
лаборатории колле-ктивного пользования Новосибирского государственного технического университета не показали наличия кобальта в исследуемой поверхности.
Поэтому возможным объяснением полученного положительного эффекта снижения трения и температуры в процессе испытаний можно предположить механизм, подобный при использовании антифрикционных присадок на основе наноалмазов, описанный выше. Кроме этого каждая мицелла кобальта обладает более сильными магнитными свойствами в очень широком диапазоне температур (температура Кюри равна 1121 0С) в отличие от магнетита (температура Кюри равна 580 0С). Что позволяет предположить постоянное нахождение мицелл кобальта на наиболее выступающих участках трущихся поверхностей, чему способствую электромагнитные явления, возникающие в процессе трения. Все это в целом приводит к значительному уменьшению граничного трения и характеризуется уменьшение коэффициента трения.
Для получения более полной информации о возможностях антифрикционной присадки на основе нанокобальта для использования при приработке деталей ДВС, необходимо провести натурные испытания.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Сакович Г.В., Комаров В.Ф., Петров Е.А. Синтез, свойства,
применение и производство наноразмерных синтетических алмазов. Часть 2. Применение и производство /Сверхтвердые материалы. - 2002. - № 4. - С.8-23.
2. Мышкин Н.К., Петроковец М.И. Трение, смазка, износ.
Физические основы и технические приложения трибологии. - М.: ФИЗМАТЛИТ, 2007. - 368 с.
3. Приходько Е.Е. Повышение удельных показателей дизельных двигателей модифицированием рабочих поверхностей элементов топливной аппаратуры триботехническими методами: дис. на соискание степени кандидата технических наук.- Барнаул, 1997. — 107 с.
4. Болотов А.Н., Новиков В.В., Новикова О.О. Магнитные
масла технического назначения: Физико-химические аспекты изучения кластеров, наноструктур и нано- материалов: межвуз. сб. науч. тр. / под общей редакцией В.М. Самсонова, Н.Ю. Сдобнякова. - Тверь: Твер. гос. ун-т, 2009. - Вып. 1. - С.5-9.
5. Подгорков В. В. Разработка способов и техники примене-
ния технологических сред и магнитных жидкостей при трении и резании металлов: дис. на соискание степени доктора технических наук. - Иваново, 2002. - 432 с.
EFFICIENCY THE USE OF ADDITIVES ON THE BASIS OF PARTICLES SOLID MATERIALS DURING AGING PARTS OF INTERNAL-COMBUSTION ENGINES
© 2011 A.F. Melnikov
Biysk Technological Institute (branch) Altai State Technical University
1118
