CC BY
43TECHNICAL SCIENCES
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ШУНГИТА В ПАРАХ ТРЕНИЯ МАШИН ДЛЯ
ПОВЫШЕНИЯ ИХ РЕСУРСА
БисекенА.
канд.техн.наук., доцент Алматинского университета энергетики и связи
Мухамбетов Д.
доктор физ.мат.наук., профессор, проректор Алматинской академии экономики и статистики
Бисекенов А. Индивидуальный предприниматель
USING SCHUNGITE IN PAIRS OF FRICTION MACHINES TO INCREASETHEIRRESOURSE OF
Bisseken A.
Kandidattekhnicheskikhnaukdotsent, Almaty University of Energy and Communications
Mukhambetov D. Dr., prof.
Vice-Rector for Science and Innovation. Almaty Academy of Economics and Statistics
Bisekenov A.
Individual entrepreneur
АННОТАЦИЯ
В статье приводится обоснование возможности повышения ресурса работы сопряжения в парах трения машин путем введения в смазку шунгита или нанесением покрытия с шунгитом на поверхность одной из деталей
ABSTRACT
The article substantiates the possibility of increasing the service life of coupling in machine friction pairs by introducing shungite into the lubricant or by coating the shungite on the surface of one of the parts Ключевые слова: паратрения, шунгит, фуллерен, присадки, сопряжение. Keywords: friction pair, shungite, fullerene, additives, coupling.
Постановка проблемы. Развитие современной техники характеризуется повышением требований к качеству машин, неразрывно связанному с долговечностью их трущихся сопряжений.Техника, в особенности сельскохозяйственная, находящаяся в эксплуатации, обладает низкой надежностью. Исследование надежности агрегатов современных сельскохозяйственных машин показывает, что 3545 % отказов приходится на двигатель. После капитального ремонта этот показатель возрастает на 1520 % [1].Согласно многочисленным исследованиям, долговечность как нового, так и капитально отремонтированного двигателя зависит в основном от технического состояния двух сопряжений -"поршневое кольцо - гильза цилиндра" и "шейка коленчатого вала - вкладыш". Отказы, связанные с износом данных сопряжений, являются наиболее частой причиной попадания автотракторных двигателей в капитальный ремонт. Наряду с совершенствованием конструкции и разработкой новых материалов деталей, работающих в конкретных условиях трения, большое значение имеет создание оптимальных смазочных сред, которые позволяют улучшить технические характеристики узлов трения.
Смазочные композиции (среды) являются конструкционными материалами, обеспечивающими нагрузочную способность, износостойкость, долговечность механизмов и машин в целом.
.Один из путей обеспечения высокой долговечности сельскохозяйственной техники - введение в смазочные среды специальных добавок, которые позволяют формировать на трущихся деталях поверхностный слой с высокими трибологиче-скими характеристиками.
Существует ряд направлений решения данного вопроса, что свидетельствует об актуальности темы.
Анализ последних исследований и публикаций. Важным направлением в создании на поверхностях трения деталей машин необходимой структуры граничного слоя является использование металлсодержащих смазочных композиций.[2] Опыт разработки и применения таких композиций для смазывания пар трения из черных металлов свидетельствует о значительном снижении трения и износа деталей машин[7]. Данные композиции позволяют улучшить качество рабочих поверхностей и как следствие - повысить долговечность агрегатов
машин. В процессе трения на участках фактического контакта тел происходят комплексные физико-химические процессы, в том числе трибохи-мические реакции, приводящие к образованию различных металлорганических соединений[8,9]. Тип и структура этих соединений определяют триботех-нические свойства металлсодержащих смазочных композиций.
Выделение нерешенных ранее проблем. Сравнительно новое направление в создании смазочных композиций - использование в качестве присадок к маслу твердофазных металлических добавок, обеспечивающих Сформирование структуры граничного слоя, необходимой для конкретных условий трения. Основные компоненты данного типа присадок - наноразмерные порошки следующих металлов: меди, олова, свинца, цинка, алюминия, никеля, кобальта, кадмия, серебра, их сплавов и легированных соединений. [1,2]
В целом присадки к маслам по составу подразделяются на металлсодержащие, полимерсодержа-щие[4] и керамикосодержащие.
Все эти направления служат для устранения износа поверхностей трения или же плакирования на поверхности износостойких металлических, полимерных или керамических покрытий. Каждое из них имеет свои достоинства и недостатки, но главным недостатком является создание не всегда качественного плакирующего слоя и чаще всего много-компонентность состава присадки.
Производители масел работают над уменьшением содержания присадок , повышением их про-тивоизносных свойств, увеличением сроков бессменной работы.
Цель статьи. Разработать однокомпонентную присадку в смазку и покрытие одной из деталей сопряжения, слоем антифрикционного материала, обеспечивающих высокий ресурс сопряжению.
Основной материал. Мы предлагаем ввести в состав масла природный фуллерен С 60 извлекаемый из шунгита. Как известно износ трущихся поверхностей происходит в момент трогания, в начале движения. В последующем поверхности разделяются слоем смазки и износа поверхностей не происходит.Фуллерен С 60 намазываясь на поверхности трения всегда присутствует на поверхностях трения и в момент трогания поверхности сопряжения разделены тончайщим слоем фуллерена С 60. Фуллерен, как разновидность графита, обладает смазывающими свойствами. Графит же используют в прокатке металлов, при штамповке деталей в качестве смазки штампов т.е. и при высоких температурах.
В этом главное отличие нашего предложения -однокомпонентная присадка, обладающая смазочными свойствами, способная работать и в условиях высоких температур. Шунгит разрабатывается у нас в Казахстане, в Талды-курганском регионе, что должно повлиять на снижение себестоимости разрабатываемой присадки.
Для оценки эффективности противоизносного антифрикционного состава проведены сравнитель-
ные триботехнические испытания состава содержащего базовое масло и компонент шунгита. В него, в качестве компонента шунгита введен С60 - природный фуллерен.
Для изготовления смазочного состава в качестве мелкодисперсного порошка вводят природный фуллерен С50., предварительно природный шунгит дробят в шаровой мельнице до мелкодисперсного состояния 1-5 мкм и вносят в подогретое до ^-80°С базовое масло. При этом природный фуллерен С60 , имея полуорганическое происхождение растворяется в базовом масле, а минеральные составляющие SiO2 и другие уходят в осадок.
Известно, что износ трущейся пары, например в сопряжении вкладыш - шейка коленчатого вала происходит в основном во время пуска двигателя, а в последующем поверхности трения разделяются масляной пленкой, т.е. если обеспечить наличие смазки в сопряжении в момент запуска двигателя мы сможем устранить износ в паре трения. Эту функцию выполняет в нашем случае природный фуллерен С60 намазывающийся на поверхности сопрягаемых деталей в процессе эксплуатации и тем самым уменьшает коэффициент трения, без образования сервовитной пленки.
Введение в смазочный материал фуллерена реализует эффект безызносности, который проявляется в том, что на трущихся поверхностях деталей в процессе работы узлов трения намазывается пленка фуллерена, обеспечивающая снижение коф-фициента трения в момент пуска двигателя. Толщина пленки достигает 1-3 мкм, что соответствует размерам неровностей (или перекрывает их) большинства деталей общего машиностроения.
Снижение количества частиц с высокой твердостью (оксид кремния SiO2=36,46%) получается за счет того, что после механоактивации (дробление и измельчение) минерала (размер частиц до 10 мкм) частицы кремния удаляются из смеси электромагнитной и термоакустической селекцией в результате чего остается чистый природный фуллерен С60 . Природный фуллерен добавляется в штатное смазочное масло двигателей внутреннего сгорания, механизмов и устройств в количестве 0,15 - 5,0 мас.%.
Триботехнические испытания различных составов проводились на машине трения ИИ 5018 методом сравнения в режиме диск (Ст30, d=50 мм, В=12 мм), по пластине (Ст30, В=10 мм, Н=8 мм, L=20 мм). Режим работы:
- п=1600 об/мин ^=4,19 м/с), нагрузка Р=200 Н;
- п=700 об/мин ^=1,83 м/с), нагрузка Р=400 Н.
Коэффициент трения определялся по моменту сопротивления трению. Износ образца (подвижного диска) определялся по потере веса, определенной взвешиванием до и после испытания на аналитических весах с точностью до 0,1 мг. Продолжительность испытаний одного состава 30 тыс. циклов. Результаты испытаний представлены в таблице 1.
Антифрикционные и противоизносные характеристики состава.
Таблица 1
_Условия и результаты проведения испытания_
Режим (м/с/Н) 4/19/200 1,83/400
Смазка Износ образца, мг Коэффициент трения
МС-20+3% фуллерена 1,60 0,032
МС-20+4% ГМТ 1,90 0,040
Таким образом, сравнительные испытания показывают снижение коэффициента трения на 80 % по сравнению с известными добавками в смазочное масло (0,032*/0,040 = 0,8)
Другой путь увеличения ресурса сопряжения нанесение на поверхности деталей покрытия содержащего антифрикционные материалы.
В подавляющем большинстве машин и механизмов деталям не всегда необходима высокая объемная прочность, т. к. разрушение происходит чаще всего не с объема, а с поверхности из-за износа и коррозии.
Поэтому нет необходимости в этих случаях изготавливать деталь целиком из дорогостоящей, высоколегированной стали. Достаточно деталь изготовить из подходящей по прочности недорогой стали, а рабочие поверхности упрочнить нанесением КЭП или НАНО-КЭП на основе железа. Это даст значительный экономический эффект. По этой причине нанесение на рабочие поверхности стали высококачественных покрытий с большим ресурсом работы, является одной из актуальнейших задач машиностроения.
Изношенные детали теряют в весе до 1...2% ,нанесение НАНО-КЭП обеспечит полное их восстановление с ресурсом на 30-40% выше ресурса новой детали.
Наиболее эффективный путь увеличения ресурса работы конструкционных материалов - это нанесение НАНО-композиционных покрытий. Однако, на этом пути имеется целый ряд препятствий, главным среди которых является высокая цена композитов из-за большой трудоемкости и энергоемкости их производства.
В последние годы разработаны общие принципы новой ультразвуковой технологии (УЗТ) получения КЭП и НАНО-КЭП, которые в десятки раз дешевле традиционных методов получения компо-зитов[5].
При этом формирование количественного состава и распределение дисперсной фазы в нано-КЭП производят в ультразвуковом поле Рис 1.,
Рисунок 1 - Схема установки для нанесения композиционных электролитических покрытий (КЭП), с
использованием ультразвуковых колебаний (УЗК). 1 - источник питания ванны; 2 - электролитическая ванна; 3 - катод; 4 - анод; 5,6 - излучатели УЗК; 7 - УЗГ-ЗОК (ультразвуковой генератор).
которая защищена рядом авторских свидетельств, патентов и предпатентов Республики Казахстан и Российской Федерации[6-9]. При этом воз-
можно получение покрытий с заданной концентрацией наполнителя как по поверхности Рис 2а, так и по глубине Рис2б, т.е. программировать физико-механические свойства покрытия.
Рисунок 2 - Оптическая микрофотография волокнистого распределения дисперсных частиц в
многослойном покрытии: а - по поверхности; б - по глубине.
Это открывает широкие перспективы использования композитов в военной, космической и атомной технике,а также и в общем машиностроении.
Поэтому разработка и внедрение в практику новых физико-технологических процессов получения композитов с малыми энергетическими, материальными и трудовыми затратами имеет большое научное и практическое значение.
Выводы и предложения
Применение шунгита в парах трения в виде присадки к маслам,а также нанесение покрытия на одну из деталей сопряжения обеспечивает снижение коэффициента трения до 80%.
Литература
1. Бисекен А.Б.,Абсетова Б.Б., Самсаев М.Б. «К применению шунгита в качестве присадки к трансмиссионным маслам», Алматы, Ж. Поиск. №2, 2012г.
2. Бисекен А.Б.,Даулетбаева А. «Шунгит. Свойства шунгита.» Сб. статей 15-ой научной студенческой конференции КазНАУ» г. Алматы 2012г. с.124-127.
3. Бисекен А.Б., Илямов Х.М. Абсетова Б.Б.,Бисекенов А.А. «К вопросу определения
дисперсности природного фуллерена С60», Труды КазНАУ «Исследования,Результаты.»
№1,2014г.,с,222-225.
4. Бисекен А.Б., Илямов Х.М. Абсетова Б.Б.,Бисекенов А.А.Патент РК №29618 «Состав для повышения износостойкости узлов трения».,бюл.№3, 16.03.2015г.
5. Бисекен А.Б. «Создание новых материалов», ж. Промышленность Казахстана. №2,2014г.с.86-88.
6. Яр-Мухамедова Г.Ш. «Физико -технологические основы формирования структуры в металлических композиционных тонкопленочных системах». Алматы-2001г. 180стр.
7. Сафонов В.В.,Добринский Э.К. и др. «Применение наноразмерных материалов при эксплуатации двигателей внутреннего сгорания».,ФГОУ ВПО «Саратовский ГАУ им П.И. Вавилова».-Саратов, 2006.-100 стр.
8. Ананян М.А. Возможности использования нанотехнологий в агропромышленном комплексе. Применение нанотехнологий и наноматериалов в АПК: Сб.докладов.-М.: ФГНУ «Росинформагро-тех», 2008, с.6-11.
9. Альтман Ю. Военные нанотехнологии М.:Техносфера, 2006.-416с.
