CC BY
99
УДК 621.89:539.21
ОБРАБОТКА ТРУЩИХСЯ СОЕДИНЕНИЙ МАШИН НАНОТРИБОПРЕПАРАТАМИ ПРИ БЕЗРАЗБОРНОМ СЕРВИСЕ
В.Е. Олишевская, доцент, К.М. Бас, доцент, П.В. Литвин, ст. преп., Национальный горный университет, г. Днепропетровск
Аннотация. Проведен анализ теоретических и практических достижений и перспектив создания нанотрибопрепаратов. Рассмотрено влияние нанотрибопрепаратов на процессы трения и износа поверхностей трибосопряжений и технико-экономические характеристики машин.
Ключевые слова: нанотрибопрепараты, антифрикционные свойства нанопрепаратов, трение, износ, износостойкость, трибосопряжения, безразборный сервис.
ОБРОБКА З'еДНАНЬ МАШИН, ЩО ТРУТЬСЯ, НАНОТРИБОПРЕПАРАТАМИ ПРИ БЕЗРОЗБ1РНОМУ СЕРВ1С1
В.С. Ол1шевська, доцент, К.М. Бас, доцент, П.В. Литвин, ст. викладач, Нащональний прничий ушверситет, м. Дншропетровськ
Анотаця. Проведено анал1з теоретичних i практичних досягнень та перспектив створення нанотрибопрепарат1в. Розглянуто вплив нанотрибопрепаратiв на процеси тертя i зносу пове-рхонь трибосполучень та технiко-економiчнi характеристики машин.
Ключов1 слова: нанотрибопрепарати, антифрикцтт властивостi нанопрепаратiв, тертя, знос, знососттюсть, трибосполучення, безрозбiрний сервiс.
TREATMENT OF MACHINES FRICTION CONNECTIONS BY NANOTRIBOSUBSTANCES АТ DISMANTLING SERVICE
V. Olishevska, Associate Professor, K. Bas, Associate Professor, P. Litvin, senior teacher,
National Mining University, Dnipropetrovsk
Abstract. The analysis of theoretical and practical achievements and prospects of creation of nanotri-bopreparations is conducted. The.influence of nanotribopreparations on the processes of friction and wear of tribointerfaces, technical and economic characteristics of machines is considered.
Key words: nanotribopreparations, antifriction properties of nanopreparations, friction, wear, wear-lessness, tribointerface, service without dismantling and assembling operations.
Введение
Одним из факторов, существенно снижающих надежность и долговечность современных машин и механизмов, является износ их узлов в процессе трения. Значение проблемы износа и ее масштабы можно охарактеризовать следующими цифрами: затраты на преодоление трения поглощают 30-40 % вырабатываемой в мире энергии; из-за износа узлов трибосопряжений происходит 80-90 %
отказов машин, а в ремонтных работах, которые плохо поддаются механизации и автоматизации, занята примерно десятая часть рабочей силы высокой квалификации.
Анализ публикаций
В Украине износ всех видов оборудования приближается к катастрофическому уровню, а потери средств в машиностроении вследствие износа деталей машин в масштабах страны достигают 5 % от национального дохода [1].
Остро стоит проблема уменьшения потерь энергии на трение и снижение износа трущихся деталей в автомобильной отрасли. Трение, возникающее в трибосопряжениях автомобилей в условиях современных скоростей и нагрузок, при отсутствии смазывания способно разрушать узлы сопряжения двигателя и трансмиссии в течение нескольких секунд, а при наличии смазочных материалов - вызывать значительные потери энергии на его преодоление. Например, в автомобильном двигателе потери энергии могут доходить до 25 % от развиваемой мощности [2]. Таким образом, исследование процессов трения и износа и разработка методов повышения износостойкости узлов и агрегатов машин являются важными и актуальными.
При решении проблемы повышения износостойкости деталей машин используют разнообразные конструкционные, технологические и эксплуатационные средства, направленные на предупреждение и снижение изнашивания поверхностей трения. Одним из перспективных направлений в решении актуальной и важной проблемы уменьшения износа деталей машин и механизмов в процессе трения является обработка поверхностей трибосопряжений нанотриботехническими порошковыми материалами.
Развитие науки и техники на основе нанома-териалов и нанотехнологий происходит настолько стремительными темпами, что с 1995 года научно-технический прогресс обладает признаками наноиндустриальной революции, а наноматериалы, изготовленные по нано-технологиям, становятся вне конкуренции по сравнению с традиционным материалами.
Нанотехнологии можно определить как научно-техническое направление по созданию материалов с заданной на атомно-молеку-лярном уровне структурой и изделий с атомной или молекулярной точностью масштаба и размерами менее 100 нм.
Первые теоретические разработки в области нанотехнологий относятся к 60-м годам 20-го столетия, а в 70-х годах уже экспериментально были получены первые нанострукту-рированные формы углерода. Первое нано-изделие - транзистор - появилось в 1998 году, а уже через 4 года появились и работающие наноустройства.
По экспертным оценкам, нанотехнологии стали важнейшим направлением технологического развития лидирующих мировых держав в 21 веке. В 50 развитых странах нанотехнологии определены в качестве приоритетных национальных программ, которые обеспечиваются постоянно растущим финансированием. В 1998 году в Японии была принята государственная программа, предусматривающая разработку наноразмерной базы электроники, способной работать при температурах до 3000 °С в условиях космоса, на поверхности планет и при ядерных взрывах. В США в 2000 году стартовала утвержденная президентом страны Национальная нанотехнологическая инициатива (NN1), в рамках которой на исследования было выделено 270 млн. долл. Китай в 2003 году израсходовал на нанотехнологии 200 млн. долл. Нанотехнологические национальные программы имеют все страны, входящие в Евросоюз. В 2006 году начался активный раздел рынка нанотехнологий и ожидается, что к 2015 году спрос на услуги рынка нанотехнологий вырастет до 1000 млрд. долл.
Сегодня на рынке наноматериаловедения выделяются около 50 компаний, которые разработали сотни наноструктурированных материалов с уникальными прочностными, пластическими, электрическими, магнитными, каталитическими свойствами.
Цель и постановка задачи
Целью статьи является анализ нанотрибома-териалов, применяемых для безразборного сервиса трибосопряжений машин, и их влияние на процессы трения и износа поверхностей деталей и технико-экономические характеристики машин.
Результаты исследования
Безразборный сервис представляет собой комплекс работ по техническому обслуживанию и текущему ремонту узлов и механизмов без проведения разборочно-сборочных работ с применением новых нанотрибопре-паратов и включает в себя ресурсосберегающие технологии обкатки (приработки), диагностики, профилактики, восстановления агрегатов и узлов техники в процессе их непрерывной эксплуатации [3]. Теоретическую основу технологий безразборного сервиса узлов и механизмов составляют научные от-
крытия И.Р. Пригожина (теория диссипатив-ных структур), Д.Н. Гаркунова и И.В. Кра-гельского (явление избирательного переноса при трении, эффект безызносности), П.А. Ребиндера (эффект пластифицирования поверхностей трения в присутствии поверхностно-активных веществ), А.А. Силина, Е.А. Духовского, В. Л. Тальрозе (эффект аномально низкого трения твердых тел) [4, 5]. В результате проведенных исследований было установлено, что фундаментальной причиной трения является адгезионный эффект, сконцентрированный в тончайшем поверхностном слое толщиной 1,0 нм.
Разработанные трибопрепараты для безразборного сервиса узлов и агрегатов машин относятся к наноразработкам по трем критериям [6]:
1 - препараты имеют в своем составе нано-размерные частицы - частицы, имеющие протяженность хотя бы в одном направлении не более 100 нм (например, сферические частицы - фуллерены, волокна политетрафторэтилена (ПТФЭ), пластинки монтмориллонита) и проявляющие новые свойства;
2 - компоненты препаратов получены с помощью нанотехнологий (например, золь-гель технологии);
3 - в результате обработки трибосопряжений препаратами на поверхностях трения формируются наноструктурированные защитные покрытия.
Принципиально важным является проявление в нанотрибоматериалах дискретной атомно-молекулярной структуры вещества, квантовых эффектов, энергетики развитой поверхности наноструктур. Уникальные свойства наноматериалов обусловлены прежде всего наличием в их структуре протяженных границ. Например, коэффициент диффузии в наноматериалах на 3 порядка больше, чем в обычных материалах, так как диффузия легче протекает по границам зерен; при пластической деформации нанома-териалов в условиях высоких температур может проявляться сверхпластичность вследствие скольжения по границам зерен; механические (прочность, модуль Юнга) и физические свойства наноматериалов на 2030 % выше, чем у аналогичных по химическому составу материалов, но находящихся в обычном кристаллическом состоянии.
В последние годы нанотрибопрепараты все активнее применяются для восстановления работоспособности агрегатов различной техники и оборудования. Примерами практического использования наноматериалов в технике являются нанотрибопрепараты Energy Release, Super Dura Lube, Fenom Nanodia-mond Green Run, Fenom Old Chap, Fenom Street Racing, Fenom Engine Nanoguard, Fenom Gear Nanoguard [6, 7]. Перечисленные препараты созданы на основе наноалмазов, наночастиц ПТФЭ, фуллеренов - молекулярных форм углерода с возможным количеством атомов от 4 до 940, расположенных в вершинах многоугольников и образующих сферу.
Одним из первых нанопрепаратов является препарат Energy Release, разработанный американской компанией Entech Corp в рамках закрытой программы по созданию самолета-невидимки Stelth, специально для турбин реактивных двигателей и узлов и механизмов, работающих в тяжелых условиях, в которых смазочные материалы не обеспечивают требуемый уровень смазочных свойств, и производимый в настоящее время фирмой Energy Release Products Corp. По данным центра лазерной технологии при институте общей физики РАН, на поверхностях трибосопря-жений, обработанных данным препаратом, образуется пленка толщиной 250 Ä, на поверхности которой устанавливается динамическое равновесие между атомами железа самой пленки и переходными комплексами продукта Energy Release в составе моторного масла. В результате обработки нанотрибо-препаратом процесс трения происходит по замкнутому циклу: износ - восстановление трибоповерхностей. Препарат, первоначально созданный для турбин реактивных двигателей, затем нашел коммерческое применение в техническом сервисе автомобилей. Обработка нанотрибопрепаратом Energy Release двигателя автомобиля привела к уменьшению шероховатости поверхностей деталей до 0,01 мкм и уменьшению износа деталей двигателя в 5 раз. Недостатком препарата Energy Release является возможность его осаждения на днище поршней и других деталях при длительном отсутствии эксплуатации. Осаждение препарата может быть вызвано концентрацией препарата в масле - около 6 % (по данным московской фирмы AGA - официального представителя корпорации Entech Corp), а также отличием состава примесей в
отечественных и европейских маслах от американских масел [7]. Большинство смазочных материалов производства Северной Америки изготавливается из нефтяного сырья, добываемого в районе Персидского залива, а европейские масла в основном производятся из российской или норвежской нефти другого качества и компонентного состава примесей [8].
Препарат Super Dura Lube разработан в США в лаборатории NASA. Обработка препаратом трущихся поверхностей узлов и механизмов приводит к образованию на них защитного слоя толщиной 20-40 нм, стойкого к высоким нагрузкам и обладающего антифрикционными свойствами. По рекомендациям производителя, одна обработка препаратом Super Dura Lube рассчитана на 1000 км пробега автомобиля.
Широкое практическое применение нашли американские нанотрибопрепараты Traitement Pour Moteurs, производства компании STP Corp, и Micro X2, выпускаемый фирмой Micro X2 Corporation. Препарат Traitement Pour Moteurs включает в свой состав химическое соединение Хег2, которое представляет собой композицию противоизносных, антиокислительных и антикоррозионных присадок [8]. Добавка препаратов в моторные масла позволяет увеличить срок эксплуатации двигателя автомобиля в 2-3 раза.
Нанопрепараты используются в смазочных материалах для трансмиссий, элементов подвесок и рулевого управления автомобилей. Широкое применение нашли высокоэффективное литиевое масло Hi-Speed Litium (G 100), предназначенное для смазывания колесных подшипников, и термостойкое синтетическое масло Hi-Temp Synthetic Complex (G 200), предназначенное для деталей трибосопряжений, работающих при высоких нагрузках и температурах.
Конкуренцию данным препаратам составляют препараты Fenom Nanodiamond Green Run (на основе наноалмазов), Fenom Old Chap (на основе наночастиц бентонита), Fenom Street Racing (нанотюнинг топлива), Fenom Engine Nanoguard (для моторных масел) и Fenom Gear Nanoguard (для трансмиссионных масел), разработанные научно-производственной российско-американской компанией «LT - Лаборатория триботехнологии».
Данные препараты в настоящее время интенсивно продвигаются на автомобильный рынок.
Препарат Fenom Nanodiamond Green Run содержит наноалмазы диаметром до 6 нм и кластерный углерод. Обработка трибопо-верхностей данным препаратом приводит к экономии топлива и масла, а также к снижению вредных выбросов в окружающую среду.
Препарат Fenom Old Chap, созданный с применением золь-гель технологии, включает в себя наноразмерные комплексы органических веществ, которые образуют на поверхностях трения защитные слои и увеличивают адгезию масла к металлу.
Препарат Fenom Engine Nanoguard содержит современные нанокомпоненты NanoJell-C -смесь наноалмазов (диаметром 4-6 нм) и на-ночастиц ПТФЭ с повышенной поверхностной энергией, находящихся в масле в виде нанокапсул. При работе двигателя наноком-поненты образуют на металлических поверхностях устойчивую к истиранию при температурах до 500 °С пленку, которая равномерно заполняет все неровности на поверхности металла, снижая потери на трение и защищая поверхности трения от износа.
Препарат Fenom Gear Nanoguard, повышающий ресурс и улучшающий эксплуатационные показатели агрегатов трансмиссии автомобиля, содержит современные нанокомпо-ненты NanoJell-Mo (дисперсия наноалмазов, наночастиц ПТФЭ в сложных полиэфирах и молибденовых соединениях), которые формируют на поверхностях трения защитную наноструктурированную пленку, снижающую потери на трение и износ деталей трансмиссии.
В г. Днепропетровске нанотрибопрепаратами МЕГАФОРС (MEGAFORCE) занимается научно-производственная фирма «Маскарт». Препараты имеют в своей основе минералы естественного происхождения (силикаты) и фуллерены. Попадая на поверхности трения, препараты формируют на трущихся поверхностях металлокерамический слой с низким коэффициентом трения и высокой износостойкостью. Препараты МЕГАФОРС производят в виде добавок в масла (автомобильные, индустриальные, компрессорные, гидравлические и др.), пластичные смазки и
технические жидкости. Примеры препаратов серии МЕГАФОРС: МЕГАФОРС ДВИГАТЕЛЬ применяют для обработки двигателей, МЕГАФОРС ТРАНСМИССИЯ - для механических коробок передач, мостов, раздаточных коробок, МЕГАФОРС ТРАНСМИССИЯ АВТОМАТ - для автоматических коробок перемен передач, МЕГАФОРС КОНСИСТЕНТНЫЙ - для шарниров равных угловых скоростей, МЕГАФОРС НАСОС ТОПЛИВНЫЙ - для топливных насосов высокого давления. Нанопрепараты МЕГАФОРС рекомендуются для всех видов автомобилей (бензиновых, дизельных, турбодизельных, газовых, инжекторных), а также любых других видов техники, в которых происходит износ деталей.
Сегодня на разработку наноматериалов направлены основные усилия таких всемирно известных компаний как Mobil, Shell, Castrol, British Petroleum, Neste, Comma, Total. Ассортимент данных товаров достаточно велик, так как практически все мировые производители масел и автохимии создают нанотрибо-препараты для своей продукции.
Применение нанотрибопрепаратов для безразборного сервиса определяется техническим состоянием автомобиля. По результатам технической диагностики оценивают необходимость применения того или иного препарата.
Анализ эффективности применения нанот-рибоматериалов показал, что данные препараты позволяют решать проблему повышения износостойкости деталей машин за счет снижения коэффициента трения в трибосоп-ряжениях машин и компенсации износа трущихся деталей узлов и агрегатов.
В результате применения нанотрибопрепара-тов изменяются технические характеристики машин: компенсация износа трущихся деталей двигателя приводит к повышению до нормального значения давления в цилиндрах (компрессии), что положительно влияет на работу двигателя; уменьшается расход топлива и масла, что очень актуально для современных автотранспортных предприятий; облегчается пуск двигателя; уменьшается вредное воздействие на окружающую среду, что имеет большое значение в сложных экологических условиях Украины.
Экономическую целесообразность применения данной продукции рассмотрим на конкретном примере: автотранспортные и строительные компании Украины эксплуатируют в своем автотранспортном предприятии такие современные автомобили как DAF, Scania, MAN, Volvo, Iveco. Среднесуточный пробег автомобилей составляет не менее 200 км, при этом автомобили находятся в работе практически непрерывно, а любые незапланированные простои подвижного состава приводят к убыткам предприятия. Данные автомобили оснащены такими силовыми агрегатами как Cummins, Deutz, MB и т. д. При достижении определенного пробега выполняется текущий или капитальный ремонт двигателя, но, учитывая специфику подвижного состава и его разномарочность, могут возникнуть проблемы с поставкой запасных частей и комплектующих для двигателей. Использование нанотрибопрепаратов позволяет на некоторое время продлить пробег до проведения ремонта, подготовить материальную и техническую базу автопредприятия к качественному и быстрому проведению ремонтных работ и сократить простои подвижного состава в ремонте.
Выводы
Нанотрибопрепараты, применяемые при безразборном сервисе трибосопряжений машин, позволяют уменьшить износ деталей узлов и агрегатов в 5 раз.
Применение нанотрибоматериалов принципиально отличается от существующих методов предотвращения износа и позволяет не только предотвратить износ, но и восстановить функциональное состояние изношенных поверхностей без прекращения эксплуатации механизмов.
Приработанные узлы трения обладают низким коэффициентом трения и повышенной износостойкостью в результате снижения шероховатости поверхностей деталей трибо-сопряжений до уровня зеркальной поверхности и образования специфических поверхностных структур.
Использование наноматериалов улучшает технические характеристики машин: повышает и выравнивает до нормального значения давление в цилиндрах (компрессию); уменьшает расход топлива до 10 %; обеспе-
чивает легкий пуск двигателя при минусовых температурах окружающей среды; существенно увеличивает срок службы двигателя и трансмиссии; повышает маслоудерживаю-щую способность трущихся поверхностей деталей машин; увеличивает срок службы смазочных материалов; уменьшает шум и вибрации в узлах трансмиссии; снижает токсичность выхлопа в 3 раза.
Экономическая эффективность от использования нанотрибопрепаратов складывается за счет следующих факторов:
- экономии запасных частей;
- сокращения затрат на устранение отказов машин;
- сокращения простоев автомобилей;
- повышения износостойкости трибосопря-жений;
- повышения ресурса узлов и агрегатов машин;
- уменьшения потребления топливно-смазоч-ных материалов;
- снижения себестоимости эксплуатации автомобилей.
Проведенный в статье анализ нанотрибома-териалов, применяемых для безразборного сервиса трибосопряжений машин, и их влияния на процессы трения и износа поверхностей деталей и технико-экономические характеристики машин, отражает основные тенденции современного рынка наномате-риалов и нанотехнологий, применяемых при безразборном восстановлении автомобильной и другой техники.
Материалы статьи могут быть использованы студентами, обучающимися по направлению подготовки «Автомобильный транспорт», при изучении дисциплин «Организация и
управление производством технического обслуживания и ремонта автомобилей», «Ресурсосберегающие технологии при проведении ремонта».
Литература
1. Волчок И.П. Системы современных тех-
нологий / И.П. Волчок, С.Б. Беликов. -Запорожье : Мотор Сич, 2004. - 352 с.
2. Колесник П.А. Материаловедение на ав-
томобильном транспорте / П.А. Колесник, В.С. Кланица. - М. : Академия, 2007. - 320 с.
3. Балабанов В.И. Безразборный сервис ав-
томобиля (обкатка, профилактика, очистка, тюнинг, восстановление) / В.И. Балабанов. - М. : Известия, 2007. - 272 с.
4. Гаркунов Д.Н. Триботехника (пособие
для инструктора) / Д.Н. Гаркунов. - М. : Машиностроение, 1999. - 336 с.
5. Гаркунов Д. Н. Износ и безызносность /
Д.Н. Гаркунов. - М. : Машиностроение, 2001. - 616 с.
6. Балабанов В.И. Все о присадках и добав-
ках для автомобилиста / В.И. Балабанов.
- М. : Эксмо, 2008. - 240 с.
7. Синельников А.Ф. Автомобильные мас-
ла, топлива и технические жидкости / А.Ф. Синельников, В.И. Балабанов. -М. : За рулем, 2007. - 160 с.
8. Балабанов В.И. Безразборное восстанов-
ление трущихся соединений автомобиля. Методы и средства / В.И. Балабанов.
- М. : Астрель, 2003. - 61 с.
Рецензент: С.С. Дьяченко, профессор, д.т.н., ХНАДУ.
Статья поступила в редакцию 2 августа 2010 г.
