CC BY
40
Kovalsky Boleslav Ivanovich, doctor of technical sciences, professor, Labsmamail. ru, Russia, Krasnoyarsk, Siberian federal university, Institute of oil and gas,
Yermilov Evgeny Aleksandrovich, applicant, evermilovamail.ru, Russia, Krasnoyarsk, Siberian Federal University, Institute of Oil and Gas,
Batov Nikolay Sergeyevich, applicant, ns. hatov@gmail. com, Russia, Krasnoyarsk, Siberian Federal University, Institute of Oil and Gas,
Afanasov Vladimir Ilyich, applicant, skg63@mail. ru, Russia, Krasnoyarsk, Siberian Federal University, Institute of Oil and Gas
УДК 621.2.082.18
О ВЛИЯНИИ МАСЕЛ С НАНОЧАСТИЦАМИ ТВЁРДЫХ СМАЗОЧНЫХ МАТЕРИАЛОВ НА ПОТЕРИ МОЩНОСТИ В ЗУБЧАТЫХ ПЕРЕДАЧАХ
А.Д. Бреки, А.Е. Гвоздев
Получены выражения для определения коэффициента полезного действия, учитывающего потери мощности на трение между зубьями, коэффициента полезного действия, учитывающего потери мощности на взбалтывание смазочного масла и выдавливание его из зазоров между зубьями, коэффициента полезного действия, учитывающего потери мощности в подшипниках с учётом наличия наночастиц твёрдых смазочных материалов в смазочном масле.
Ключевые слова: зубчатые передачи, потери мощности, наночастицы, твёрдый смазочный материал, смазочный слой, смазочное масло, трение, смазка.
Известно [1], что потери мощности в зубчатых передачах представляют собою сумму потерь:
- на трение между зацепляющимися зубьями;
- на взбалтывание смазочного масла;
- на выдавливание смазочного масла из зазоров между зацепляющимися зубьями;
- на трение в подшипниках.
Суммарно данные потери оцениваются коэффициентом полезного действия зубчатой пары
Л = Лз Лв Лп, С1)
где Лз - коэффициент полезного действия, учитывающий потери мощности на трение между зубьями; лв - коэффициент полезного действия, учитывающий потери мощности на взбалтывание смазочного масла и выдавливание его из зазоров между зубьями; лп - коэффициент полезного действия, которым учитываются потери в подшипниках.
171
Для цилиндрических зубчатых передач некорригированных и с высотной коррекцией ^з определяется следующим образом [2]:
Лэ = 1 - 2,3/
1 ± Р
•K, (2)
V 21 22 у
где / - коэффициент трения между смазываемыми зубьями; 2\, 22 - числа зубьев ведущей и ведомой шестерён (знак «+» действителен для наружного, а знак «-» для внутреннего зацепления); К - коэффициент, учитывающий высотную коррекцию (при коэффициенте сдвига исходного контура Х = 0, К = 1; Х = 1, К = 1,7; £ = 1,3, К = 2,5).
Трение между зубьями - это сложный комплексный процесс, обусловленный рядом факторов. Для его уменьшения могут быть использованы наночастицы твердых смазочных материалов, положительно влияющих на условия фрикционного взаимодействия [3 - 8] (рис.1).
Рис. 1. Схема смазанного фрикционного контакта [12]: а - схема фрикционного контакта тел I и IIмежду собою и частицей III; б - схема участка фактического пятна контакта тел при смазывании адсорбционным слоем; в - схема участка фактического пятна контакта тел I и II при смазывании модифицированным слоем; г - схема фактического пятна контакта тела I и частицы III при смазывании адсорбционным или модифицированным слоем; 1 - поверхностный слой металла;
2 К/ ЧУ /у %/ %/ л
- смазочный слой; 3 - граничный слой; 4 - контакт частицы
с поверхностями через граничные слои; 5 - смешанный контакт
частицы III с поверхностями; 6 - частица, взаимодействующая
•У ЩШ к/
с поверхностями через смазочный слой; 7 - металлический контакт;
8 - адсорбционный слой; 9 - модифицированный слой; 10 - контакт «металл - материал частицы»; 11 - адсорбционный или модифицированный слой
Вместе с тем, в маслах присутствуют полярно-активные компоненты. Данные компоненты смазочных масел (в том числе присадки), определяющие генезис граничных слоёв могут быть [12]: поверхностно-активными веществами, их смазочное действие основано на образовании прочных адсорбционных слоёв (рис.1, а, б), препятствующих металлическому контакту трущихся тел; химически активными веществами, выделяющими при разложении активные элементы: серу, фосфор, хлор (а также азот, кислород и т.д.), которые образуют в процессе химической реакции с металлом поверхностных слоёв этих тел модифицированные слои (рис.1, а, в), препятствующие металлическому контакту при тяжёлых режимах граничной смазки.
В случае отсутствия наночастиц в смазочном слое при ужесточении условий трения граничный слой разрушается по вершинам отдельных микронеровностей, где развиваются максимальные контактные давления и наряду с контактом граничных слоёв реализуется металлический контакт, в этом случае коэффициент трения [12]
/ = ам ■ /м + (1 -ам)• /ас, (3)
где / - коэффициент трения при граничной смазке; /м, /ас - коэффициент
трения при чисто металлическом контакте и контакте через неповреждённый адсорбционный слой соответственно; ам - доля металлического контакта, увеличивающаяся с ростом температуры в контакте трущихся тел.
Непосредственное взаимодействие антифрикционных частиц, закреплённых на одной поверхности, с другой поверхностью трения приводит к образованию связей с нею, в результате которых они закрепляются на обеих поверхностях. При этом частицы дисперсной фазы (твёрдых смазочных материалов со слоистой структурой) ориентированы базовыми плоскостями кристаллитов почти параллельно направлению скольжения, что обеспечивает срез частиц вдоль плоскостей спайности под воздействием тангенциальных сил (в данном направлении сопротивление срезу незначительно). Дробление данных частиц по описанному принципу может происходить и при их заклинивании без разрушения граничных слоёв и контакта с металлом. При этом дело имеют с фрикционным контактом «материал антифрикционной частицы - материал антифрикционной частицы», находящемся в объёме частиц дисперсной фазы. Для данного случая можно записать
/ = ам • /м + аан • /ан + (1 - ам - аан ) • /ас, (4)
где /ан - коэффициент трения при контакте «материал антифрикционной
частицы - материал антифрикционной частицы»; аан - доля фактической
площади контакта, определяемая взаимодействием антифрикционных частиц с поверхностями трения.
С учётом (4) выражение (2) можно записать следующим образом:
■ К. (5)
( 1 1 Л
Лз = 1 - 2,3(а ж • /м + аан ■ /ан + (1 -ам-аан ) ■ /ас )■ — ± —
V 21 2 2 у
Величина Лв определяется по весьма ориентировочной формуле
[1]:
_. аВуокр Лв _1
Уокр ■ Л
Р^ (21 + 22)'
(6)
N ^
где а-коэффициент, равный (при кинематической вязкости масла п > 12сСт) 0,0016 при смазке окунанием (с погружением шестерни в масло на глубину 1 - 2 зуба), 0,0011 при смазке поливанием; В - ширина зубчатого венца; УоКр - окружная скорость; N - передаваемая мощность; рабочая динамическая вязкость смазочного масла; Р -плотность смазочного масла при рабочей температуре.
В случае добавления в смазочное масло наночастиц твердого смазочного материала (при условии, что полученная смазочная композиция останется ньютоновской жидкостью) его вязкость будет определяться из обобщённого уравнения А. Эйнштейна [9, 10, 11]:
Л_Лм-(1 + а /-ф\ (7)
где л, л м - динамическая вязкость смазочной композиции и масла без на-ночастиц соответственно; а / - коэффициент формы и взаимодействия
частиц; ф_ Удф/V - объёмная доля дисперсного наполнителя (где V _ удф + удс, Удф,Удс - объёмы дисперсной фазы (наполнителя) и дисперсионной среды (масла) соответственно.
Подставляя уравнение (7) в (6), получим
_. аВуокр Лв _1
N Ц
Уокр Лм ■ (1 + а/ •Ф) /ол —----. (8)
Р^ (21 + 22)
Величина коэффициента полезного действия подшипников лп определяется по следующей формуле [2]:
к
IМ тр1 ■ Щ
Лп _ 1 - ^-' ^
Мв ■ пв
где МтрI - момент трения ¿-го подшипника; щ - частота вращения ¿-го
подшипника; Мв - момент ведущего вала редуктора; пв - частота вращения ведущего вала редуктора; к - количество подшипников.
Момент трения в подшипниках качения при нормальных условиях работы можно определять по формуле [13]
174
(10)
где /' - коэффициент трения в подшипнике; Р, кГс - эквивалентная динамическая нагрузка на подшипник; d, мм - внутренний диаметр подшипника качения.
При этом коэффициент трения в подшипнике можно представить по аналогии с (4), добавив составляющую, связанную с жидкостным трением:
где /'жт - коэффициент жидкостного трения на определённой доле площади фактического контакта элементов подшипникового узла (коэффициенты трения и доли площади в (11) поставлены со «штрихом» для отличия от формулы (4)).
При условии одинаковости подшипников и приблизительном равенстве моментов трения в них (9) с учётом (10) и (11) можно переписать следующим образом:
Как показывает эксперимент [5,14], наличие наночастиц способствует снижению момента трения в подшипниках качения, это происходит за счёт замещения одних фрикционных связей другими с меньшим сопротивлением сдвигу.
При подстановке (5), (8) и (12) в соотношение (1) получаем выражение для определения коэффициента полезного действия зубчатой пары с учётом наличия наночастиц твёрдого смазочного материала в смазочном масле.
На основании изложенного можно сделать следующие выводы:
- уравнение для % - коэффициента полезного действия, учитывающего потери мощности на трение между зубьями, записано с учётом анализа процесса трения и наличия наночастиц твёрдого смазочного материала в зоне фрикционного контакта;
- уравнение для г/е - коэффициента полезного действия, учитывающего потери мощности на взбалтывание смазочного масла и выдавливание его из зазоров между зубьями, записано с учётом наличия наночастиц в смазочном слое посредством использования обобщённого уравнения А. Эйнштейна. Вместе с тем, с учётом сложностей процессов течения дисперсной системы в зубчатой передаче можно использовать выведенные из теории Эйнштейна соотношения, выражающие изменение вязкости с использованием формулы Маклорена;
(11)
(12)
- уравнение для цп - коэффициента полезного действия, которым учитываются потери в подшипниках, записано с учётом анализа процесса трения и наличия наночастиц твёрдого смазочного материала и полимолекулярных слоёв смазочного масла (определяющих жидкостное трение) в зоне фрикционного контакта.
Работа выполнена при поддержке гранта Российского научного фонда по приоритетному направлению деятельности «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 и может быть полезна при разработке малоотходных технологий и обработке материалов [15-36].
Список литературы
1. Розенберг Ю.А. Влияние смазочных масел на долговечность и надёжность деталей машин. М.: Машиностроение, 1970. 304 с.
2. Кудрявцев В.Н. Зубчатые передачи. М.-Л.: Машгиз, 1957. 263 с.
3. 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.
4. 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.
5. 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, А.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.
6. 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.
176
7. 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.
8. 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.
9. Захарченко В.Н. Коллоидная химия. 2-е изд., перераб. и доп. М.: Высшая школа, 1989. 238 с.
10. Волков В.А. Коллоидная химия. М.: МГТУ им. А.Н. Косыгина, 2001. 640 с.
11. Фридрихсберг Д. А. Курс коллоидной химии: учебник для вузов. 2-е изд., перераб. и доп. Л.: Химия, 1984. 368 с.
12. Основы трибологии (трение, износ, смазка) / под общ. ред. А.В. Чичинадзе. 2-е изд. М.: Машиностроение, 2001. 663 с.
13. Бейзельман Р. Д. Подшипники качения: справочник / Р. Д. Бей-зельман, Б.В. Цыпкин, Л.Я. Перель. 6-е изд., перераб. и доп. М.: Машиностроение, 1975. 572 с.
14. Влияние смазочного композиционного материала с наночасти-цами дисульфида вольфрама на трение в подшипниках качения / А. Д. Бреки, В.В. Медведева, Ю.А. Фадин, О.В. Толочко, Е.С. Васильева, А.Н. Сергеев, Д.А. Провоторов, А.Е. Гвоздев, Н.Е. Стариков // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2015. Вып. 11. Ч. 1. -С. 78 - 86.
15. 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. проф. А.Е. Гвоздева. Тула: Изд-во ТулГУ, 2016. 351 с.
16. Организация и планирование деятельности предприятий сервиса: учебное пособие / Ю.С. Дорохин, А.Н. Сергеев, К.С. Дорохина, Н.Н. Сергеев, А.Е. Гвоздев, П.Н. Медведев, А.В. Сергеева, Д.В. Малий. Тула: Изд-во ТулГУ, 2016. 380 с.
17. Триботехнические свойства композиционных покрытий с полиимидными матрицами и наполнителями из наночастиц дихалькогенидов вольфрама для узлов трения машин: монография / А.Д. Бреки, В.В. Кудрявцев, А. Л. Диденко, Е.С. Васильева, О.В. Толочко, Н.Н. Сергеев, Н.Е. Стариков, А.Е. Гвоздев.; под ред. А.Д. Бреки. Тула: Изд-во ТулГУ, 2015. 128 с.
18. Эксплуатация, техническое обслуживание и ремонт автомобиля: учеб. пособие / Н.Н. Сергеев, А.Е. Гвоздев, А.Н. Сергеев, К.Г. Мирза, Ю.С. Дорохин, Д.М. Хонелидзе. Тула: Изд-во ТулГУ, 2015. 174 с.
19. Основы технологической подготовки: учеб. пособие / Н.Н. Сергеев [и др.]; под ред. проф. А.Е. Гвоздева. 2-е изд., испр. и доп. Тула: Изд-во ТулГУ, 2015. 187 с.
20. Материаловедение: учебник для вузов / Ф.К. Малыгин, Н.Е. Стариков, А.Е. Гвоздев, В.И. Золотухин, Н.Н. Сергеев, А. Д. Бреки. Тула: Изд-во ТулГУ, 2015. 268 с.
21. Триботехнические характеристики жидких смазочных и полиамидных композиционных материалов, содержащих антифрикционные наночастицы дихалькогенидов вольфрама / А.Д. Бреки, Е.С. Васильева, О.В. Толочко, Н.Е. Стариков, Н.Н. Сергеев, Д.А. Провоторов, А.Н. Сергеев, А.Е. Гвоздев; под ред. А.Д. Бреки. Тула: Изд-во ТулГУ, 2015. 276 с.
22. 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.
23. 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.
24. Постановка задачи расчета деформационной повреждаемости металлов и сплавов / Г.М. Журавлев, А.Е. Гвоздев, Н.Н. Сергеев,
B.И. Золотухин, Д. А. Провоторов // Производство проката. 2015. № 10.
C. 18 - 26.
25. Триботехнические свойства композиционных покрытий на основе полигетероарилена «Р-ОДФО» с наполнителем из наночастиц диселенида вольфрама / А.Д. Бреки, Ю.А. Фадин, А.Л. Диденко, В.В. Кудрявцев, О.В. Толочко, Е.С. Васильева, А.Е. Гвоздев, Н.Е. Стариков, Д.А. Провоторов // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2015. Вып. 11. Ч. 1. С. 133 - 139.
26. Триботехнические свойства композиционных покрытий на основе полигетероарилена «ДАИ» с наполнителем из наночастиц дихалькогенидов вольфрама / А.Д. Бреки, Ю.А. Фадин, А.Л. Диденко,
B.В. Кудрявцев, О.В. Толочко, Е.С. Васильева, А.Е. Гвоздев, Н.Е. Стариков, А.А. Калинин, Д.А. Провоторов // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2015. Вып. 8. Ч. 2.
C.148 - 155.
27. Триботехнические свойства композиционных покрытий на основе полигетероарилена «Р-ОООД» с наполнителем из наночастиц диселенида вольфрама / А.Д. Бреки, Ю.А. Фадин, А.Л. Диденко, В.В. Кудрявцев, О.В. Толочко, Е.С. Васильева, А.Е. Гвоздев, Н.Е. Стариков, Д.А. Провоторов // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2015. Вып. 8. Ч. 2. С. 181 - 188.
28. Выбор дисперсности наполнителя из частиц дихалькогенидов вольфрама для создания смазочного композиционного материала / А.Д. Бреки, О.В. Толочко, Е.С. Васильева, А.Е. Гвоздев, Н.Е. Стариков, Д.А. Провоторов, А.А. Калинин // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2015. Вып. 7. Ч. 1. С. 235 - 243.
29. 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 // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2015. Вып. 11. Ч. 1. С. 57 - 65.
30. Оценка взаимодействия между наночастицами дихалькогенидов вольфрама в среде жидкого смазочного материала / А.Д. Бреки, О.В. Толочко, Е.С. Васильева, А.Е. Гвоздев, Н.Е. Стариков, Д.А. Провоторов // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2015. Вып. 7. Ч. 2. С. 8 - 14.
31. Оценка влияния жидкого смазочного композиционного материала с наночастицами геомодификатора на трение в подшипниковом узле / А.Д. Бреки, О.В. Толочко, Н.Е. Стариков, Д.А. Провоторов, Е.В. Агеев, А.Е. Гвоздев // Известия Юго-Западного государственного университета. Сер.: Техника и технологии. 2015. № 3 (16). С. 17 - 23.
32. Комплексный подход к исследованию экстремальных эффектов в металлических, композиционных и нанокристаллических материалах: коллективная монография / А.Е. Гвоздев [и др.]; под ред. проф. А.Е. Гвоздева. Тула: Изд-во ТулГУ, 2014. 128 с.
33. Триботехнические свойства жидких смазочных композиционных материалов, содержащих полученные методом газофазного синтеза высокодисперсные дисульфид и диселенид вольфрама: монография / А.Д. Бреки, Е.С. Васильева, О.В. Толочко, Н.Н. Сергеев, А.Е. Гвоздев; под ред. А.Д. Бреки. Тула: Изд-во Тул-ГУ, 2014. 152 с.
34. Жидкие смазочные композиционные материалы, содержащие высокодисперсные наполнители, для подшипниковых узлов управляемых систем: монография / А.Д. Бреки, Е.С. Васильева, О.В. Толочко, Н.Н. Сергеев, А.Е. Гвоздев. Тула: Изд-во ТулГУ, 2014. 144 с.
35. 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.
36. Гвоздев А.Е. Производство заготовок быстрорежущего инструмента в условиях сверхпластичности. М.: Машиностроение, 1992. 176 с.
Бреки Александр Джалюльевич, канд. техн. наук, доц., зам. зав. кафедрой, albreki@yandex. 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
ON THE INFLUENCE OF OILS WITH PURPOSE OF SOLID LUBRICANTS ON POWER
LOSSES IN GEAR TRANSMISSIONS
A.D. Breki, A.E. Gvozdev
In the paper, expressions were obtained for determining the efficiency, taking into account the loss of power on the friction between the teeth, the efficiency, taking into account the power loss for shaking the lubricating oil and squeezing it out of the gaps between the teeth, the efficiency, taking into account the power losses in the bearings, taking into account the presence of nanoparticles Solid lubricants in lubricating oil.
Key words: gear drives, power losses, nanoparticles, solid lubricant, lubricating layer, lubricating oil, friction, lubrication.
Breki Alexander Dzhalyulevich, candidate of technical sciences, docent, head of the chair, albrekiai yandex. ru, Russia, Saint-Petersburg, St. Petersburg Polytechnic University of Peter the Great,
Gvozdyov Alexander Evgenevich, doctor of technical sciences, professor, technolo-gy@tspu. tula. ru, Russia, Tula, Tula State Pedagogical University named of L.N. Tolstoy.
