Научная статья на тему 'Перспективы использования модернизированных смазочных материалов в пожарной и аварийно-спасательной технике'

Перспективы использования модернизированных смазочных материалов в пожарной и аварийно-спасательной технике Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

CC BY
257
69
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Ключевые слова
СМАЗКА / LUBRICANT / ИЗНОС / WEAR / ТРЕНИЕ / FRICTION

Аннотация научной статьи по механике и машиностроению, автор научной работы — Киселев Вячеслав Валерьевич, Топоров Алексей Валерьевич, Пучков Павел Владимирович

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

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Похожие темы научных работ по механике и машиностроению , автор научной работы — Киселев Вячеслав Валерьевич, Топоров Алексей Валерьевич, Пучков Павел Владимирович

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

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.

Текст научной работы на тему «Перспективы использования модернизированных смазочных материалов в пожарной и аварийно-спасательной технике»

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

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

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.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.