CC BY
73
УДК 669.058
В.В. Киселев, А.В. Топоров, П.В. Пучков
ПЕРСПЕКТИВЫ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ МОДЕРНИЗИРОВАННЫХ СМАЗОЧНЫХ МАТЕРИАЛОВ В ПОЖАРНОЙ И АВАРИЙНО-СПАСАТЕЛЬНОЙ ТЕХНИКЕ
Узлы и механизмы пожарной техники подвержены интенсивному износу. Разработана и исследована противоизносная присадка на основе солей меди и олова к маслам и смазкам. Разработанная смазка реализует избирательный перенос при трении, что существенным образом снижает износ и способствует повышению надёжности и долговечности пожарной техники.
Ключевые слова: смазка, износ, трение.
V. Kiselyov, A. Toporov, P. Puchkov
PROSPECTS OF USING THE IMPROVED LUBRICANT MATERIALS IN THE FIRE AND RESCUE EQUIPMENT
Units and mechanisms of fire equipment have high wear. The article puts forward a design of anti-wear lubricating composition containing the copper and tin salts. The lubricating composition implements the selective transfer that permits to reduce fire equipment wear and improve its reliability.
Keywords: lubricant, wear, friction.
Повышение надёжности автотранспортных средств, используемых в системе МЧС и в любой другой сфере, является важной хозяйственной задачей. Результаты анализа эксплуатационных испытаний, например, грузовых автомобилей, используемых также в МЧС, на пробегах, близких к капитальному ремонту, в качестве основной причины отказов указывают на преждевременный износ трущихся поверхностей. При этом 45 % отказов двигателя, 83 % сцепления, 98 % карданной передачи, 73 % заднего моста, 58 % переднего моста и 79 % рулевого управления происходят вследствие износа ограниченного количества быстроизнашивающихся деталей. Поэтому общая задача повышения долговечности автомобиля в большинстве случаев сводится к увеличению износостойкости отдельных деталей, лимитирующих надёжность узлов, систем и всего агрегата в целом.
Не секрет, что интенсивно используемая автомобильная техника подвержена негативным воздействиям ряда факторов. Это и неустановившийся режим работы, и реверс, и вибрации, и возможность попадания абразивных частиц в зону контакта трущихся поверхностей, и разнообразие внешних условий эксплуатации, вызванное как переменными нагрузками, так и изменениями в окружающей среде, - всё это приводит к существенному повышению интенсивности изнашивания трущихся поверхностей деталей машин.
Применительно к пожарной технике эта проблема наиболее актуальна, поскольку в данной сфере двигатели автомобилей кроме транспортного режима эксплуатируются ещё и в стационарном режиме в качестве привода на насос, кроме того, они работают и без нагрузки в режиме прогрева и при смене караула. Изнашивание механизмов приводит к ухудшению их технических характеристик, снижению скорости движения пожарных автомобилей, подачи и напора, развиваемых пожарными насосами, и в результате - к преждевременной постановке автомобилей на техническое обслуживание.
Ситуация обостряется тем, что около 45 % находящихся пожарных автоцистерн, являющихся основным техническим средством пожарной охраны, обеспечивающим ведение боевых действий по тушению пожаров и ликвидации чрезвычайных ситуаций, выработали установленный ресурс, морально устарели и подлежат замене.
На протяжении последних лет снабжение материально-техническими ресурсами органов управления и подразделений ГПС не позволяет кардинально решить проблему качественного укомплектования подразделений современной пожарно-спасательной техникой. Обеспеченность
подразделений государственной противопожарной службы МЧС России основными видами пожарной техники и пожарно-технического вооружения, согласно имеющейся штатной положенно-сти (из них с превышением срока службы и подлежит списанию), в 2008 году составляла в ряде регионов Российской Федерации:
основные пожарные автомобили - 86,2 % (подлежит списанию 47,1 %);
специальные пожарные автомобили - 71,0 % (подлежит списанию 37,7 %);
оперативно-служебный и специализированный транспорт - 73,2 % (подлежит списанию 32,6 %);
средства индивидуальной защиты органов дыхания пожарных - 82,3 % (подлежит списанию 33,0 %) [1].
Наиболее действенным и эффективным методом борьбы с износом является использование в узлах трения качественных смазочных материалов. Часто складывается на практике такая ситуация, когда пожарный автомобиль стоимостью в сотни тысяч рублей смазывают в лучшем случае солидолом, в то время как в обычных «жигулях» используют дорогие высококачественные смазки. Стоимость смазки ничтожно мала по отношению к стоимости узлов, а вот польза, которую можно получить при использовании хорошей смазки, может быть огромна.
Для решения вопроса улучшения применяемых масел предлагается к использованию разработанная металлоплакирующая присадка. Присадка представляет собой стеарат мягких металлов насыщенных и ненасыщенных жирных кислот растительных масел. Мягкие металлы в стеарате находятся в виде комплекса, который разрушается с выделением химически чистых металлов только в зоне трения, где присутствуют нормальные и сдвигающие нагрузки и повышение температуры. Химически чистые металлы очень активны и практически мгновенно восстанавливаются на металлических поверхностях деталей узлов трения, предотвращая непосредственный контакт пары трения.
Разработанная присадка хорошо растворима в минеральных и полусинтетических маслах, не выпадает в осадок и не задерживается фильтрами. Эффект безызносности в узлах трения достигается благодаря вводу в зону трения масел с присадками, содержащими металлические компоненты.
Действие разработанной присадки основано на явлении избирательного переноса, связанного с формированием на поверхности металла тончайших плёнок меди и других мягких металлов, которое позволяет в некоторых случаях добиться минимального износа. Избирательный перенос при трении (эффект безызносности) - явление, по своему характеру противоположное изнашиванию: если при изнашивании во время трения все процессы в зоне контакта сводятся к разрушению поверхности, то процессы при избирательном переносе носят созидательный характер: они необратимы и относятся к самоорганизующимся процессам неживой природы.
За последние четверть века использование избирательного переноса значительно расширилось. Стремление создать материалы для работы в узлах трения машин, реализующие процесс несамопроизвольного восстановления ионов металлов на металлической поверхности и обладающие комплексом положительных свойств, привело к обилию разработок металлосодержащих присадок. В настоящее время трудно указать область машиностроения, в которой избирательный перенос не был бы применён или апробирован.
Образующаяся плёнка мягкого металла на поверхности трения заполняет микронеровности и резко увеличивает фактическую площадь контакта, это приводит к такому же резкому снижению давления, что влечёт за собой снижение температуры в зоне контакта. Прочно сцепленная с поверхностью металла плёнка меди легко подвижна, пластична и имеет квазикристаллическую структуру, напоминающую расплав. Она пропускает микронеровности трущихся поверхностей и смыкается после прохода этих микронеровностей. Поскольку толщина медной плёнки превышает
высоту микронеровностей, то процесс трения локализуется в этой плёнке. Это приводит к снижению износа в десятки раз, а коэффициента трения - в сотни раз.
Исследование триботехнических характеристик смазочных материалов проводилось на машине для испытания материалов на трение и износ модели СМТ-1 (АО "Точприбор" г. Иваново), упрощённая схема которой представлена на рис. 1.
При исследовании износостойкости образца в масле с разработанной присадкой режимы трения были выбраны усреднёнными применительно к режимам работы большинства узлов трения машин и аппаратов. При этом скорость скольжения контртела по образцу составляла 1 м/с. Нагрузка при испытаниях повышалась ступенчато до резкого увеличения момента трения, путь трения при смазке маслом с присадками составлял 30 км. Смазочная композиция вводилась в зону трения капельным способом - 8 - 10 капель в минуту.
Образцы для испытаний масел изготавливались из стали 45 с твёрдостью (HRC 40...42). Все образцы имели поверхности 8 класса шероховатости. Контртелом служили ролики d = 40 мм, изготовленные из стали 45 с твёрдостью HRC 35...40. Измерение линейного износа проводили методом «искусственных баз» по заранее нанесённым отпечаткам на твердомере ТКС-1 М коническим твёрдосплавным индентором с углом при вершине 120°. Диаметры отпечатков определялись с помощью микроскопа МБС-10.
Технологический процесс получения металлосодержащей присадки может быть осуществлён как на серийном, так и на нестандартном оборудовании в масштабе, зависящем от желаемого годового объёма выпуска продукции. Описание технологического процесса получения стеарата меди и олова на основе композиции масложировых продуктов производится в соответствии с принципиальной разработанной технологической схемой. Для проведения исследований было разработано три типа стеаратов - стеарат меди, стеарат олова и медно-оловянный стеарат.
Для оценки и сравнения разработанных присадок были исследованы следующие триботех-нические характеристики - зависимости коэффициента трения от нагрузки, величины износа от пути трения при постоянной нагрузке и зависимость интенсивности изнашивания от приложенной нагрузки при фиксированном пробеге. Эти характеристики определяют границы работоспособности пары трения. Стойкость материалов к изнашиванию при различных режимах трения определяют ресурс и срок службы узлов трения. На рис. 2 и 3 приводятся основные триботехнические
Рис. 1. Схема испытаний: 1 - нижний (вращающийся) вал; 2 - верхний (неподвижный) вал; 3 - нагружающее устройство; 4 - образец; 5 - контртело; 6 - ванночка для смазочного материала
показатели масла И-40 с разработанными медным и оловянным стеаратами - это зависимость коэффициента трения от давления и зависимость интенсивности изнашивания от давления.
х
ф
п
3
0,3 0,25 0,2 0,15 0,1 0,05 0
0,35 0,3 0,25 0,2 0,15 0,1 0,05 0
А
-А г
4 6
Давление (МПа)
10
2 4 6 Давление (МПа)
10
Рис. 2. Зависимость коэффициента трения Рис. 3. Зависимость интенсивности изнашивания
от нагрузки поверхности от давления
■ - для базового масла И-40; ▲ - для масла И-40 с 1,5% оловянного стеарата; • - для масла И-40 с 1,5% медного стеарата
Анализ зависимостей позволяет сделать следующие выводы:
введение стеарата олова позволяет в 1,3 раза увеличить нагрузочную способность по сравнению со стеаратом меди при одинаковом содержании стеаратов в базовом масле;
коэффициент трения в изученном диапазоне давлений несколько ниже при трении в масле с медным стеаратом, интенсивность изнашивания при этом практически одинаковая.
Введение в серийно выпускаемое минеральное масло разработанного медного стеарата позволило качественно улучшить его основные триботехнические показатели. В частности, коэффициент трения снизился в среднем в 2 раза, нагрузочная способность возросла примерно на 20 -30 %, износ уменьшился в 3 раза.
Что касается оловянного стеарата (рис. 4), то эта присадка к базовому маслу И-40 позволила получить ещё более значимые результаты. После введения её в масло нагрузочная способность возросла на 30 %, коэффициент трения снизился в среднем в 3 раза, значительно уменьшился износ испытуемой пары трения по сравнению с результатами в присутствии медного стеарата.
Разработанные медный и оловянный стеараты существенно улучшили основные триботехнические показатели масла И-40, однако эффекта безызносности, при котором коэффициент трения контактирующей пары был бы близок к нулю, достигнуто не было.
С учётом данных, полученных после проведения исследований с металлоплакирующими присадками, была разработана новая присадка, содержащая одновременно стеараты меди и олова жирных кислот - медно-оловянный стеарат. Для исследования основных триботехнических характеристик было приготовлено шесть однотипных присадок, отличающихся содержанием металлического компонента. Вводимый в смазочный материал медно-оловянный стеарат содержал 10 -30 мас. % в пересчёте на металлическую медь и 3 - 8 мас. % в пересчёте на металлическое олово. Указанное соотношение меди и олова является оптимальным, которое позволяет достичь эффекта безызносности.
0
2
8
0
8
с ш го Ч
81
61
41
21 0-1
5 I
£ н о
0,3-1 0,25] 0,2] 0,15] 0,1| 0,05] 0-1
2
1
2
£ * и 2 0 1 — хгс! шш*
0,3-, 0,250,20,150,10,050-
1
2
Рис. 4. Изменение триботехнических свойств масла И-40 с оловянным стеаратом: 1 - масло И-40 без присадки; 2 - масло И-40 с оловянным стеаратом
Полученные триботехнические зависимости представлены на рис. 5, 6. Можно заметить,
что:
масло, модифицированное медно-оловянным стеаратом, позволило увеличить нагрузочную способность контактирующей пары трения на 50 %;
коэффициент трения в 10 раз ниже, чем при трении в масле без присадки; интенсивность изнашивания в 12 раз меньше, чем при трении в масле без присадки.
0,3
0,25
0,2
£ 0,15
| 0,1
О
* 0,05
4 6
Давление (МПа)
0,35 0,3
0
0 0,1 0,05 0
2 4 6
Давление (МПа)
Рис. 5. Зависимость коэффициента трения от давления
Рис. 6. Зависимость интенсивности износа от давления
для базового масла И-40; • - для масла И-40 с 1,5% медно-оловянного стеарата
Проводились исследования с разработанным медно-оловянным стеаратом по определению его рабочего диапазона. При фиксированном давлении и постоянном коэффициенте трения f = 0,025 варьировалась скорость скольжения пары трения. Максимальная величина произведения давления на скорость скольжения - РУ достигала значения до 6 МПа • м/с.
0
■
Создание несущего сервовитного слоя при смазывании поверхностей трения маслом с разработанной присадкой происходит постепенно и сопровождается увеличением площади контакта и снижением интенсивности изнашивания. Сервовитный слой способен некоторое время сохранять свои свойства и после прекращения подачи масла с присадкой, обеспечивая малый коэффициент трения и малую интенсивность изнашивания. Испытания при нагрузке 5 МПа показали следующее. Контактирующая пара работала в режиме безызносного трения. На отметке 3000 м пробега была произведена замена смазочного материала: вместо масла И-40 с разработанным медно-оловянным стеаратом было применено масло И-40 без добавок. В результате минимальный коэффициент трения в зоне контакта наблюдался ещё в течение 500 м, а затем коэффициент трения начал быстро увеличиваться и вырос более чем в 5 раз. Однако если подачу модифицированного масла в зону трения возобновить, то коэффициент трения быстро возвращается к прежнему уровню.
Анализируя триботехнические свойства разработанного медно-оловянного стеарата и оловянного стеарата можно сделать вывод, что медно-оловянный стеарат при определённом соотношении меди и олова позволяет синергетически воздействовать на улучшение свойств смазочной композиции с присадкой (рис. 7), а в частности увеличивает нагрузочную способность на 10 %; уменьшает коэффициент трения в 4 раза; снижает интенсивность износа поверхности в 3,5 раза.
5 I
а>
£ *
о
о
0,3-. 0,25] 0,2] 0,15] 0,1| 0,05] 0-1
¿т
1
2
Рис. 7. Изменение триботехнических свойств масла И-40 с оловянным и медно-оловянным стеаратами: 1 - масло И-40 без присадки; 2 - масло И-40 с разработанным оловянным стеаратом; 3 - масло И-40 с разработанным медно-оловянным стеаратом
Эксперименты с медно-оловянным стеаратом дали возможность предполагать, что на стальных поверхностях трения образуется олово- и медьсодержащая плёнка. Профилографирование и фотографирование поверхностей трения подтвердило наличие плёнки. Профилографирование поверхностей трения проводилось до трения и после 30 км пути трения в масле И-40 с разработанным медно-оловянным стеаратом при давлении на рабочие поверхности 5 МПа. Фотографирование поверхностей осуществлялось при помощи электронного микроскопа с увеличением 2000 раз. Полученные профилограммы и фотографии позволили заметить на поверхности образцов плёнку в виде островков, вытянутых вдоль линии скольжения контртела по поверхности вкладыша. Пред-
28 _
Научные и образовательные проблемы гражданской защиты - 2011'3
положения о том, что эти островки есть не что иное, как плёнки мягких металлов подтвердились методом электронографии.
Проводились испытания на определение коррозионной активности масла с присадкой согласно ГОСТу 20502. Сущность метода заключается в изменении массы металлических пластин, подвергшихся периодическому воздействию испытуемого объекта и воздуха, нагретых до температуры 140 С. Коррозионную активность масла определяли без добавления катализатора. Испытания проводили в течение 10 часов при нормативной температуре и непрерывном вращении мешалки. Концентрации стеаратов в масле брали 3 мас.%. Потери массы пластин в масле с разработанным медно-оловянным стеаратом составили от 0,88 до 0,92 г/м2, что согласно ГОСТу 20502-75 соответствует отсутствию коррозионного воздействия данной присадки на испытуемое масло.
Одной из поставленных целей данной работы являлась определение оптимальной концентрации разработанного стеарата в маслах. В технической литературе нет однозначного ответа об оптимальной концентрации присадок в маслах, реализующих избирательный перенос при трении. Для каждой отдельной присадки существует своя оптимальная концентрация в масле, обусловленная определёнными критериями её применения, однако эта концентрация не выходит за рамки 0,2 ... 3 мас.%.
Статистической обработкой результатов экспериментов, учитывающей влияние случайных погрешностей, определено, что наилучшим значением концентрации присадки в масле является 1,5 мас.% медно-оловянного стеарата.
Результаты производственных испытаний подтвердили целесообразность использования разработанной присадки на основе стеаратов олова и меди в качестве добавки к моторным, трансмиссионным, компрессорным маслам. Разработанная присадка успешно прошла производственные испытания в автомобилях учебной пожарной части Ивановского института ГПС МЧС России, в компрессорных установках ООО «Полимерпром», в автомобилях агрокомплексов.
Таким образом, установлено, что присадка оказывает положительное действие на триботех-нические свойства масел (снижение коэффициента трения в 8 - 10 раз; снижение интенсивности изнашивания в 10 - 12 раз; повышение нагрузочной способности в 1,5 раза). Введение в испытуемое масло разработанной присадки на основе меди и олова не сказывается на увеличении коррозионной активности.
Разработанная присадка может найти широкий круг применения. Для использования в пожарных автомобилях рекомендуется модифицировать ею моторное масло для двигателей внутреннего сгорания. Также её можно применять в качестве добавки к трансмиссионному маслу для коробки передач и коробки отбора мощности. Выявленные в ходе экспериментов некоторые качественные показатели значительно превосходят показатели других аналогичных присадок. Важным эксплуатационным показателем является экономия ГСМ. Не последним достоинством присадки является простота в применении и относительная дешевизна в изготовлении.
Литература
1. Верзилин М.М. Актуальные проблемные вопросы и задачи в области совершенствования эксплуатации и оснащения подразделений ФПС новыми видами пожарной техники для успешного тушения пожаров на современном этапе. Сборник трудов 7-й международной специализированной выставки «Пожарная безопасность XXI века» и 6-й международной специализированной выставки «Охранная и пожарная автоматика» (Комплексные системы безопасности). - М.: Эксподизайн Холдинг, ПожКнига, 2008. - 296 с.
2. Патент № 2233866 (РФ) МПК7 С 10 М 159/18// С 10N 10:02. Смазочная композиция / Киселев В.В., Мельников В.Г., Замятина Н.И., Бельцова Е.А. (РФ); опубл. Бюл. № 22, 2004.
3. Киселев В.В., Мельников В.Г. Исследование свойств разработанных присадок на основе солей мягких металлов.// Эффект безызносности и триботехнологии. - 2004. - № 1. - С. 16 - 20.
4. Киселев В.В. К проблеме улучшения триботехнических свойств смазочных материалов // Известия высших учебных заведений. Химия и химическая технология. - 2006. - Т. 49. - № 12. - С. 113 - 114.
