CC BY
3
УДК 62-97/98
DOI: 10.24412/2071-6168-2023-9-574-575
МОДИФИЦИРОВАНИЕ ПЛАСТИЧНЫХ СМАЗОК НАНОПЛАСТИНАМИ ГРАФИТА
С.С. Альдавуд, В.Ф. Першин, С.А. Васин, А.В. Евсеев, И.А. Юраскова
Использование ротора в виде усеченного конуса позволило осуществлять регулировку зазора по всей зоне эксфолиации между вращающимся ротором и корпусом. За счет увеличения площади регулируемого зазора числа циклов обработки смеси пластичной смазки и нанопластин графита производительность роторного гомогениза-тора-диспергатора повышена в 1,5 раза. Кроме этого, предельные отклонения значений коэффициента трения от средних значений сокращены с 15% до 8%., что подтверждает повышение равномерности распределения нанопластин графита по всему объему пластичной смазки.
Ключевые слова: пластичная смазка, нанопластины графита, смешивание, коэффициент трения.
Трение вызывает износ контактирующих и движущихся относительно друг друга деталей, что в конечном итоге приводит к поломке механизма или машины в целом. Кроме этого, на преодоление трения расходуется энергия [1, 2]. Около трети мирового потребления первичной энергии и 60% отказов машинного оборудования происходят из-за трения и износа и более 50% разрушения машины происходит в случае чрезмерного износа и неподходящей смазки. Для уменьшения трения и износа в механизмах и машинах широко используются пластичные смазки. Пластичные смазки — это трехкомпонентная среда, состоящая из базового масла, пакета присадок и загустителя. Одним из основных назначений присадок является повышение трибологических характеристик смазок. Традиционно в качестве присадок используются слоистые кристаллы, такие как дисульфид молибдена [3, 4] и графит]. Это объясняется тем, что связь между слоями, из которых состоят данные кристаллы очень слабая, что значительно уменьшает трение скольжения, которое возникает в парах трения. В последние годы в качестве присадок все чаще используют наноразмерные частицы, что позволяет значительно снизить массовую концентрацию добавок в смазке [5]. Увеличение срока службы машин, уменьшение потерь энергии и экологичность достигается добавлением наночастиц в смазки, что уменьшает трение и износ [6].
Наночастицы, которые используют в качестве добавок к смазкам, подразделяют на несколько групп: металлы; оксиды металлов; сульфиды металлов; карбонаты; бораты; углеродные материалы; редкоземельные соединения [7]. С учетом стоимости, экологичности и эффективности повышения трибологических характеристик смазок, наиболее перспективными являются углеродные наноматериалы [8, 9].
Добавление графена, а точнее нанопластин графита, содержащих до 25 графеновых слоев, показало наилучшие результаты [10]. Экспериментально доказано, что нанопластины графита, не только снижают трение, но и повышают такие трибологические характеристики, как индекс задира, критическую нагрузку и нагрузку сваривания [11]. Нанопластины графита широко используются при производстве новых конструкционных и функциональных материалов с повышенными эксплуатационными характеристиками.
Разработана технологическая схема и оборудование для промышленного производства нанопластин графита и модифицирования ими пластичных смазок [12]. В процессе проведения экспериментальных исследований было выявлено ряд недостатков и предложена схема непрерывного производства нанопластин графита и модифицирования смазки [13]. Данная технологическая схема включает четыре основных машины: барабанную стержневую мельницу, для механоактивации и предварительной эксфолиации графита; роторный аппарат с подвижными лопастями, для окончательной эксфолиации графита; каскад ленточных фильтров, для классификации нанопластин графита по размерам нанопластин; роторный гомогенизатор-диспергатор, для смешивания нанопластин с пластичной смазкой. В настоящей статье рассмотрим более подробно предлагаемую конструкцию гомогенизатор-диспергатора.
В работе [12] использовался гомогенизатор-диспергатора с цилиндрическим ротором (диском), схема которого показана на рис.1 [14].
Гомогенизатор состоит из цилиндрического ротора 1, корпуса 2, отверстия 3, для подачи исходной смеси. На нижней поверхности ротора и дне корпуса выполнены концентрические канавки с прямоугольным поперечным сечением. Между ротором 1 и дном корпуса 2 образуется зазор 4, а между вертикальными поверхностями ротора и корпуса зазор 5. Устройство работает следующим образом. В отверстие 3 насосами-дозаторами непрерывно подают пластичную смазку и маслянный концентрат нанопластин графита с определенным диапазоном размеров. В зазорах 4 и 5 между вращающимся ротором и корпусом образуется В предположении, что поток в зазоре представляет течение Куэтта, получено аналитическое решение для расчета радиальной и угловой скоростей потока [15, 16]. Результаты экспериментальных исследований показали, что для получения равномерного распределения нанопластин по всему объему смазки необходимо несколько раз пропускать смесь через устройство последовательно уменьшая зазор между ротором и корпусом от 0,2 до 0,08 мм. Основной недостаток рассмотренной конструкции заключается в том, что при перемещении ротора вниз уменьшается зазор только между горизонтальными поверхностями выступов и впадин, а зазор между вертикальными поверхностями ротора и корпуса не изменяется. Для устранения данного недостатка предлагается конструкции с ротором в виде усеченного конуса, схема которой показана на рис. 2.
6 - приводной вал; 7 - насос; 8 - отверстие для подачи смеси; 9 - отверстие для отвода смазки; 10 - винты;
11 - шпильки
Диспергатор работает следующим образом. Прежде всего, устанавливается зазор между корпусом 1 и ротором 2. Как показали результаты экспериментов, первоначальный зазор должен быть порядка 0,2 мм. При повторных обработках зазор последовательно уменьшается до 0,08 мм. После включения привода вращения 5, который через приводной вал 6, установленный в подшипниковом узле 4, передает вращение ротору 2. Через загрузочное отвестие 8, насосом дозатором 7 смесь подают в зазор между ротором 2 и корпусом 1. При вращении ротора 2 смесь в зазоре подвергается диспергированию за счет интенсивных сдвиговых деформаций, величина которых зависит от вязкости смеси, величины зазора и от давления, создаваемого насосом 7. Обработанный материал через кольцевой зазор между корпусом и ротором поступает в разгрузочное отверстие 9, расположенное в корпусе 1. После реализации первого цикла обработки, уменьшают величину зазора и повторяют обработку. На нижней поверхности ротора имеются кольцевые выступы с треугольным поперечным сечением, а на дне корпуса впадины, причем выступы входят во впадины, как показано на рис. 3.
■7
Равенство угла наклона образующей усеченного конуса ротора половине угла при вершине треугольника выступов (впадин) позволяет регулировать величину зазора по всей области, в которой осуществляется эксфолиация.
Экспериментальное сравнение эффективности работы предлагаемого устройства с прототипом осуществляли на лабораторной установке, показанной на рис.4.
Рис. 4. Лабораторный диспергатор
С использованием прототипа и предлагаемого диспергатора проводили модифицирование смазки Литол 24 0,2 мас.% нанопластин графита. Зазор между вращающемся ротором и корпусом постепенно уменьшали от 0,8 до 0,08 мм. При использовании образцов готовых модифицированных смазок определяли коэффициенты трения в контакте шарик-цилиндрическая поверхность из стали ШХ15. Результаты экспериментов показали, что число циклов обработки смазки с нанопластинами графита, необходимых для получения одинаковых значений коэффициентов трения составили: для прототипа - 5; для предлагаемого устройства - 3. Это объясняется тем, что в предлагаемом устройстве более чем в 2 раза увеличена площадь зоны эксфолиации, в которой регулируется зазор. Кроме этого, максимальные отклонения значений коэффициентов трения от средних значений уменьшены с 15% до 8%.
Таким образом, использование ротора в виде усеченного конуса позволило организовать регулирование зазора по всей зоне смешивания пластичной смазки с нанопластинами графита. В результате совершенствования конструкции гомогенизатора-диспергатора его производительность увеличена в 1,5 раза.
Список литературы
1. Holmberg K, Andersson P, Erdemir A. Global energy consumption due to friction in passenger cars. Tribol Int 2012;47(0) pp.221-234
2. Holmberg K, Andersson P, Nylund NO, Erdemir A. Global energy consumption due to friction in trucks and buses. Tribol Int 2014;78(0) pp.94-114
3. In situ tribochemical sulfurization of polyisobutylene-based molybdenum species for enhanced tribo-performance Tao Cai, Dan Liu, Lina Zhao, Mengting Ye, Shenggao Liu/ Tribology International 136 (2019) 556-569 https://doi.org/10.1016/). triboint.2019.04.021
4. Pristine and Alkylated MoS2 Nanosheets for Enhancement of Tribological Performance of Paraffin Grease Under Boundary Lubrication Regime Sooraj S. Rawat , A. P. Harsha , Deepak P. Agarwal , Sangita Kumari , Om P. Khatri/J. Tribol. Jul 2019, 141(7): 072102 https://doi.org/10.1115/1.4043606
5. A. Ahmadpour, A. Bozorgian, A., Eslamimanesh, A.H. Mohammadi, Photocatalytic treatment of spontaneous petrochemical effluents by TiO2 CTAB synthetic nanoparticles. Desalination and Water Treatment, 249 (2022) 297308.
6. A. Singh, P. Chauhan, T.G. Mamatha, A review on tribological performance of lubricants with nanoparticles additives. Materials Today: Proceedings, 25 (2019) 586-591.
7. S. Shahnazar, S. Bagheri, S.B. Abd Hamid, Enhancing lubricant properties by nanoparticle additives, International Journal of Hydrogen Energy, 41 (2016) 3153-3170.
8. A. Bozorgian, B. Raei, Thermodynamic modeling and phase prediction for binary system dinitrogen monoxide and propane, Journal of Chemistry Letters, 1 (2020) 143-148.
9. H. Yang, J. Li, X. Zeng, Tribological behavior of nanocarbon materials with different dimensions in aqueous systems, Friction, 8 (2020) 29-46.
10. D. Berman, A. Erdemir, A.V. Sumant, Few layer graphene to reduce wear and friction on sliding steel surfaces, Carbon, 54 (2013) 454-459.
11. Першин В.Ф., Овчинников К.А., Алхило З. А.А., Столяров Р.А., Меметов H.P.V.F. Создание экологичных смазок, модифицированных графеном/ Российские нанотехнологии, 2018, Т.13, № 5-6, С. 131-135.
12. Alhilo Z., Mansour W., Pershin V., Pasko A. Continuous and semi-continuous industrial production of lubricants modified with graphene nanostructures / 2021 IOP Conf. Ser.: Mater. Sci. Eng. 1100 012027.
13. Першин В.Ф., Альдавуд С.С.Ю., Альгураби А., Баити А., Салхи Х. Модифицирование пластичных смазок нанопластинами графита // Сборник научных статей по материалам XII Международной научно-практической конференции. Часть 1. Уфа. 2023. С. 158-165
14. Пат. 2743523 Российская Федерация С 01 B 32/19. Способ получения графеносодержащих суспензий и устройство для его осуществления / Першин В. Ф., Алхило З. А. А. А. А., Баранов А. А., Воробьев А. М., Осипов А. А., Ткачев А. Г.; заявл. 12.12.2019 ; опубл. 19.02.2021, Бюл. № 5.
15. Моделирование процесса смешивания графеновых наноструктур с вязкой жидкостью / З. А. А. Алхи-ло, А. А. Баранов, Е. Н. Туголуков, А. А. Пасько, В. Ф. Першин // Вестник ТГТУ. - 2021. - № 1. - С. 105 - 117.
16. Алхило З.А.А.А. Разработка и расчет дисковых диспергаторов для производства графеновых концентратов и модифицирования пластичных смазок, автореф. дис. ...канд. техн. наук. Тамбов, 2021. 16 с.
2021 16 с.
Альдавуд Саиф Сухаил Юсуф, аспирант, епе.за1/'.зика11@>1етаИсот,Россия, Тамбов, Тамбовский государственный технический университет,
Першин Владимир Федорович, д-р техн. наук, профессор, [email protected]. Россия, Тамбов, Тамбовский государственный технический университет,
Васин Сергей Александрович, д-р техн. наук, профессор, заслуженный деятель науки РФ, Россия, Тула, Тульский государственный университет,
Евсеев Алексей Владимирович, д-р. техн. наук, доцент, [email protected], Россия, Тула, Тульский государственный университет,
Юраскова Ирина Андреевна, аспирант, ассистент, [email protected]. Россия, Тула, Тульский государственный университет
MODIFICATION OF GREASES WITH GRAPHITE NANOPLATELES S.S. Aldawood, W.F. Pershin, S.A. Vasin, A.V. Evseev, I.A. Yuraskova
The use of a rotor in the form of a truncated cone made it possible to adjust the gap throughout the entire exfoliation zone between the rotating rotor and the housing. By increasing the area of the adjustable gap in the number of processing cycles of the mixture of grease and graphite nanoplates, the productivity of the rotary homogenizer-dispersant is increased by 1.5 times. In addition, the maximum deviations of the friction coefficient values from the average values were reduced from 15% to 8%., which confirms the increased uniformity of the distribution of graphite nanoplates throughout the entire volume of the grease.
Key words: grease; graphite nanoplates; mixing; friction coefficient.
Aldawood Saif Suhail Yusuf postgraduate, [email protected], Russia, Tambov, Tambov State Technical
University,
Pershin Vladimir Fedorovich, doctor of technical sciences, professor, [email protected], Russia, Tambov, Tambov State Technical University,
Vasin Sergey Alexandrovich, doctor of technical sciences, professor, Honored Worker of Science of the Russian Federation, Russia, Tula, Tula State University,
Evseev Alexey Vladimirovich, doctor of technical sciences, docent, [email protected], Russia, Tula, Tula State
University,
Yuraskova Irina Andreevna, postgraduate, assistant, [email protected]. Russia, Tula, Tula State University
УДК. 621.8.036
DOI: 10.24412/2071-6168-2023-9-577-578
ТЕМПЕРАТУРНЫЕ ПОЛЯ И ФАКТОРЫ, ВЛИЯЮЩИЕ НА НИХ ПРИ УПРУГОЙ И ПЛАСТИЧЕСКОЙ ДЕФОРМАЦИИ МАТЕРИАЛА
Г.В. Селиверстов, А.А. Кардаманова, А.А. Лебедева
Рассмотрена взаимосвязь изменения напряжено-деформированного состояния образцов с фиксированным концентратором напряжений при статическом деформировании и температурных полей вызванных диссипацией. Проанализирована возможность применения данного подхода для практического определения напряжений в элементах металлоконструкций.
Ключевые слова: напряжение, деформация, металлоконструкция, нагрузка, температура, диссипация.
Прикладные задачи, связанные с оценкой параметров напряженно-деформированного состояния являются основой многих инженерных вопросов. Существующие конструкции различных машин, а также разрабатываемые вновь в ряде случаев требуют точного знания действующих напряжений и возникающих деформаций [1]. Особо ответственные конструкции (например: авиа, космические, крановые) должны выдерживать эксплуатационные нагрузки во всем диапазоне температур на протяжении всего жизненного цикла [2].
С учетом того, что большая часть процессов нагружения конструкций является стохастическими, то есть случайными, и возможны флуктуации амплитуд, значительно отличающиеся от расчетных, в них обязательно закладывается коэффициент запаса. Но при этом, с другой стороны, могут быть наложены жесткие ограничения по материалоёмкости и весу конструкции. Следовательно, возникает вопрос о необходимости точного знания действующих нагрузок, что позволяло бы применять расчетные методы определения остаточного или выработанного ресурса.
Обеспечение статической и циклической прочности, а также обеспечение устойчивости невозможно без знания характеристик материала, условий нагружения и видов приложенной нагрузки. В настоящее время наибольшее распространение получил метод конечных элементов, который позволяет при должном навыке специалиста путем разбития твердотельной модели исследуемой конструкции на элементы определить напряжения, деформации и перемещение в исследуемых областях [3].
