Научная статья на тему 'Повышение эффективности смазочных материалов с геомодификаторами трения'

Повышение эффективности смазочных материалов с геомодификаторами трения Текст научной статьи по специальности «Машиностроение»

145
61
Поделиться
Ключевые слова
ОКИСЛЕННАЯ МАСЛЯНАЯ ОСНОВА / ГЕОМОДИФИКАТОР ТРЕНИЯ / РЕМОНТНО-ВОССТАНОВИТЕЛЬНЫЙ СОСТАВ / СМАЗОЧНЫЙ МАТЕРИАЛ

Аннотация научной статьи по машиностроению, автор научной работы — Нигматуллин Ришат Гаязович, Шолом В. Ю., Шустер Лёва Шмульевич, Нигматуллин Искандер Мударисович

Установлено, что смазочные материалы (СМ) на окисленной масляной основе обладают более высокими смазочными свойствами по сравнению с обычными маслами. Применение окисленных СМ с геомодификаторами трения (ГМТ) формирует на железосодержащих поверхностях трения металлокерамическое покрытие (пленку), повышающее трибологические характеристики работы узла трения. Определен наиболее рациональный ремонтно-восстановительный состав (РВС).

Increase of efficiency of lubricants with friction geomodifiers

It is established that lubricants material (SM) on the oxidized oil basis possess higher lubricant properties in comparison with usual oils. Application of the oxidized SM with friction geomodifiers (FGM) forms the ceramic-metal covering (film) raising tribology the characteristics of work of knot of a friction on ferriferous surfaces of a friction. The most rational repair-regenerative structure (RRS) is defined.

Похожие темы научных работ по машиностроению , автор научной работы — Нигматуллин Ришат Гаязович, Шолом В. Ю., Шустер Лёва Шмульевич, Нигматуллин Искандер Мударисович,

Текст научной работы на тему «Повышение эффективности смазочных материалов с геомодификаторами трения»

МАШИНОСТРОЕНИЕ

УДК 621.89.09

Р. Г. Нигматуллин, В. Ю. Шолом, Л. Ш. Шустер, И. М. Нигматуллин

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ СМАЗОЧНЫХ МАТЕРИАЛОВ С ГЕОМОДИФИКАТОРАМИ ТРЕНИЯ

Установлено, что смазочные материалы (СМ) на окисленной масляной основе обладают более высокими смазочными свойствами по сравнению с обычными маслами. Применение окисленных СМ с геомодификаторами трения (ГМТ) формирует на железосодержащих поверхностях трения металлокерамическое покрытие (пленку), повышающее трибологические характеристики работы узла трения. Определен наиболее рациональный ремонтно-восстановительный состав (РВС). Окисленная масляная основа; геомодификатор трения; ремонтно-восстановительный состав; смазочный материал

ВВЕДЕНИЕ

В последнее время все большее применение в трибосопряжениях получают природные геомодификаторы трения (ГМТ) на базе серпентина. Анализ публикаций и патентов показывает, что при использовании смазочных материалов (СМ) с добавлением ГМТ типа серпентинов работоспособность трибосопряжений может значительно увеличиться. При этом потери энергии на преодоление трения могут снизиться на порядок, а износостойкость сопряженных деталей повыситься в 2-4 раза. Шероховатость металлических поверхностей трения может также снизиться в несколько раз и составить по Яа

0,03...0,05 мкм. При использовании СМ с ГМТ на поверхностях трущихся деталей формируется защитный металлокерамический слой толщиной до 20.30 мкм. Скорость формирования (наращивания) слоя пропорциональна локальным вспышкам температуры и давлению на пятнах фактического контакта. Формируется этот слой в первую очередь на изношенных участках сопряженных поверхностей, в результате чего происходит восстановление размеров и формы деталей. На этой особенности поведения ГМТ в трибосопряжениях основана ремонтно-восста-навливающая технология (РВС-технология), позволяющая производить ремонт деталей без разборки машин и без вывода их из эксплуатации [1, 2, 3].

Однако до настоящего времени недостаточно изучено влияние качества СМ (или масляных фракций), в которые добавляется ГМТ, на работоспособность трибосопряжений. Вместе с тем, известно [4] положительное влияние окисленных масляных фракций на смазывающую способность СМ. Объясняется это тем, что в про-

Контактная информация: 8(347)273-08-66

цессе окисления масла содержащиеся в нем соединения сульфидов превращаются в более термоустойчивые соединения - сульфоны [4].

Данная работа посвящена исследованию влияния добавок ГМТ в окисленные СМ на работоспособность трибосопряжений.

МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЯ

Исследования проводили на четырехшариковой машине трения ЧМТ-1 (ГОСТ 9490-75) и на установке «демонстратор трения» [5], которая представляет собой переносную машину трения вращательного действия, содержащую пару трения «обойма-ролик» (рис. 1). На ЧМТ-1 определяли все показатели трения согласно международному стандарту Л8ТМ Б2782. На демонстраторе трения при изменяющейся нагрузке на рычаг 0,5-2,5 кг определяли износ обоймы и ролика, температуру СМ и величину тока, потребляемую электродвигателем привода установки.

Рис. 1. Схема работа демонстратора трения: 1 - ролик; 2 - обойма;

3 - смазочный материал;

4 - смазочная ванна; N - сила прижима

В качестве СМ для испытаний использовали два вида масел - И-40 и КС-19. Данные масла являются базовыми основами многих моторных масел. В исследовании сравнивали результаты, полученные при использовании окисленных и не окисленных СМ.

Для приготовления ГМТ использовали природный минерал - серпентин, добываемый в республике Башкортостан. Подготовка серпентина к применению включала в себя: предварительное удаление абразивных и фрикционных составляющих (намагничиванием); сушку в печи; домол частиц серпентина в ступке до размеров 10.20 мкм. Затем подготовленный серпентин тщательно перемешивали с имеющимися окисленными образцами СМ, соблюдая требуемую концентрацию. Образовалась суспензия - ремонтно-восстановительный состав (РВС). На основании проведенных лабораторных экспериментов определены оптимальные значения концентрации компонентов состава (масс. %): серпентин - 0,3; кристаллизатор Мп02 - 0,05; СМ - остальное.

Исследовано 8 образцов: И-40; И-40 окисленное; И-40 окисленное + серпен. (0,3 %); И-40 окисленное + серпен. (0,3 %) + Мп02 (0,05 %); КС-19; КС-19 окисленное; КС-19 окисленное + серпен. (0,3 %); КС-19 окисленное + серпен. (0,3 %) + Мп02 (0,05 %).

РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТОВ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

Результаты испытаний образцов смазочных материалов на трибометрической установке приведены в табл. 1.

Из табл. 1 видно, что лучший результат по противоизносным свойствам для масляных основ у И-40 окисленное и КС-19 окисленное. Поэтому использовали эти масляные основы для приготовления ремонтно-восстановительных

составов при проведении экспериментов.

На рис. 2 представлено изменение площади пятна износа от нагрузки в узле трения для различных смазочных материалов, из которого видно, что противоизносные свойства ремонтно-восстановительных составов значительно лучше, чем у масляных основ. С увеличением нагрузки наилучшие свойства показал ремонтно-восстановительный состав: масло КС-19

окисленное + серпентин (0,3 %) + Мп02 (0,05 %). Это свидетельствует о благоприятном влиянии рецептуры активных компонентов на эксплуатационные свойства ремонтно-восстановительного состава. Наилучший эффект от применения серпентина наблюдался при нагрузке

2 кг в узле трения (видна наибольшая разница в значениях между испытуемыми образцам), при большей нагрузке происходит заклинивание узла трения, поэтому дальнейшее испытания выполняли при нагрузке 2 кг.

Таблица 1

Результаты испытаний образцов смазочных материалов на трибометрической установке

Образцы смазочных материалов Площадь пятна износа (5И) мм2 после 15 мин работы

Нагрузка 0,5 кг Нагрузка 1 кг Нагрузка 1,5 кг Нагрузка 2 кг Нагрузка 2,5 кг

И-40 3,20 за- кли- нило - - -

И-40 окисл. 1,60 2,20 2,80 3,10 за- кли- нило

И-40 окисл.+сер пен.(0,3 %) 1,40 2,05 2,60 2,80 за- кли- нило

И-40 окисл.+ серпен. (0,3 %) + Мп02 (0,05 %) 1,30 1,95 2,30 2,50 2,90

КС-19 2,85 3,10 за- кли- нило - -

КС-19 окисл. 1,45 1,95 2,65 2,90 за- кли- нило

КС-19 окисл.+ серпен. (0,3 %) 1,21 1,65 1,85 2,10 за- кли- нило

КС-19 окисл. + серпен. (0,3%)+Мп 02 (0,05 %) 1,00 1,45 1,75 1,80 2,10

На рис. 3 представлено изменение температуры смазочного материала от времени испытания при нагрузке 2 кг в узле трения «обойма-ролик». При испытании масляной основы КС-19 окисленное без добавки наблюдали значительное повышение температуры данного смазочного материала.

При испытаниях с помощью амперметра, подключенного к сети электродвигателя, определяли величину тока в обмотке статора электродвигателя, которая пропорциональна силе трения в месте контакта обоймы и ролика [6].

Снижение потребляемого электродвигателем тока свидетельствует о снижении силы трения в узле трения (рис. 4). На первых минутах испытаний характерно увеличение величины тока, что, очевидно, связанно с приработкой контактных поверхностей. Увеличение величины тока в обмотке электродвигателя между 7 мин и 15 мин работы связано с угаром масла КС-19 окисленное без добавки и перегрев пары трения из-за отсутствия какого-либо защитного слоя на поверхностях трения.

Площадь пятна износа, мм 2

Нагрузка, кг

Площадь пятна износа, мм

Нагрузка, кг

6

Рис. 2. Изменение площади пятна износа от нагрузки в узле трения (время каждого испытания 15 мин): 1 - И-40; 2 - И-40 окисл.; 3 - И-40 окисл.+серпен. (0,3%); 4 -И-40 окисл. + серпен. (0,3%) + Мп02 (0,05%); 1 - КС-19; 2 - КС-19 окисл.; 3 - КС-19 окисл. + серпен. (0,3 %); 4 - КС-19 окисл. + серпен. (0,3 %) + Мп02 (0,05 %)

Испытания ремонтно-восстановительных

составов показали иную картину, подтверждающую образование модифицирующего слоя на поверхностях трения, обладающего антифрикционными и противоизносными свойствами, что подтверждается снижением температу-

ры смазочного материала и силы трения, а также снижением износа ролика.

Рис. 3. Изменение температуры смазочного материала от времени испытания (нагрузка 2 кг): 1 - КС-19 окисл.; 2 - КС-19 окисл. + серпен. (0,3 %); 3 - КС-19 окисл. + серпен. (0,3 %) + Мп02 (0,05 %)

Сила тока А

0.9

0.8

0.7

0.6

0.5

0.4

0.3

0.2

0.1

О

1

1 ?

!

3

0 12 3 4 5 6 7

9 10 11 12 13 14 15 Время испытания мин

Рис. 4. Изменение величины тока в обмотке электродвигателя от времени испытания (нагрузка 2 кг): 1 - КС-19 окисл.; 2 - КС-19 окисл. + серпен. (0,3 %); 3 - КС-19 окисл. +

+ серпен. (0,3 %)

Замер микротвердости поверхности ролика проводили с помощью микротвердомера ПМТ-3 (по методу Виккерса ГОСТ 2999-75) до и после проведения испытаний образцов смазочных материалов на трибометрической установке «демонстратор износа» (нагрузка на пару трения «обойма-ролик» - 2 кг; время испытания -15 мин). Исходя из предыдущих опытов, выбрали лучший РВС (окисленные СМ И-40 и КС-19 с серпентинитом и с катализатором) и для сравнения окисленные СМ без ГМТ (которые не образуют металлокерамическое покрытие).

Результаты испытаний на микротвердость приведены в табл. 2.

Т аблица 2 Результаты испытаний на микротвердость

Образцы смазоч- ных материа- лов Микротвердомер ПМТ-3

до испытаний после испытаний

Число твер- дости, НУ Число твер- дости, ЖС Число твер- дости, НУ Число твер- дости, ЖС

И-40 окисл. 694 58 649 56

КС-19 окисл. 694 58 694 58

И-40 окисл. + серпен. (0,3 %) + Мп02 (0,05 %) 694 58 746 59

КС-19 окисл. + серпен. (0,3 %) + Мп02 (0,05 %) 694 58 803 61

Из табл. 2 видно увеличение микротвердости трущейся поверхности ролика при использовании образцов окисленных СМ с добавками ГМТ.

Так же для подтверждения образования металлокерамической пленки (покрытия) на поверхности трущихся пар при использовании СМ с добавками ГМТ выполнены испытания с определением изменения веса обоймы и ролика. Эти испытания проводили с заранее изношенными роликами для того, чтобы трение образцов происходило по площадке (во избежание точечного или линейного контакта). Для измерений использовали весы аналитические лабораторные 4 класса точности. Результаты испытаний приведены в табл. 3.

Для подтверждения того что, измененные веса обоймы и ролика связаны с образованием металлокерамического покрытия (пленки) дополнительные испытания проводили следующим образом: в начале пара трения работала в течение 15 мин со смазкой, затем с трущихся поверхностей она удалялась и работа узла трения осуществлялась без смазочного материала. Результаты испытаний приведены в табл. 4.

Увеличение веса обоймы и ролика (табл. 2), а также длительная работа узла трения без сма-

зочного материала (табл. 3) при использовании ремонтно-восстановительных составов с окисленным СМ и добавками ГМТ подтверждают образование металлокерамического покрытия (пленки) на поверхностях трения, повышающего износостойкость узла трения.

Таблица 3

Изменение веса обоймы и ролика после проведения испытаний различных смазочных материалов (время испытания 15 мин)

Смазочный материал Изменение веса обоймы, гр. Изменение веса ролика, гр.

И-40 окисл. -0,25 -0,15

КС-19 окисл. -0,18 -0,10

И-40 окисл.+ сер-пен. (0,3%) + Мп02 (0,05 %) +0,10 +0,02

КС-19 окисл. + серпен. (0,3 %) + Мп02 (0,05 %) +0,15 +0,04

Таблица 4

Результаты работы узла трения «обойма-ролик» без смазочного материала после 15 минут работы со смазкой

Смазочный материал, Время работа узла

Использованный трения

при предварительной без смазочного

работе узла трения материала

И-40 окисл. 32 сек

КС-19 окисл. 45 сек

И-40 окисл. + серпен. (0,3 %) + Мп02 (0,05 %) 3 мин 43 сек

КС-19 окисл. + серпен. (0,3 %) + Мп02 (0,05 %) 4 мин 19 сек

Результаты испытаний образцов смазочных материалов на четырехшариковой машине трения ЧМТ-1 приведены в табл. 5.

Гистограммы нагрузки сваривания и индекса задира для различных смазочных материалов представлены на рис. 5 и рис. 6 соответственно.

Полученные результаты подтверждают, что у окисленных СМ И-40 и КС-19 значительно лучше смазывающие свойства по сравнению с обычными масляными основами. Поэтому ремонтно-восстановительные составы, приготовленные на основе окисленных масел, показывают более высокие показатели качества работ узла трения. Кроме того, приведенные выше результаты испытаний свидетельствуют, что трибологические показатели ремонтно-восстановительных составов значительно лучше, чем у обычных СМ.

Таблица 5

Результаты испытаний на четырехшариковой машине трения ЧМТ-1

Образцы смазочных материалов ЧМТ-1

Нагрузка сваривания (Рс), Н Показатель износа (Ди), мм (1000 Н; 10 сек) Показатель износа (Ди), мм (400 Н; 1 час) Критическая нагрузка (РК), Н Индекс задира (Из)

И-40 1260 2,67 0,90 500-630 20

И-40 окисл. 2370 1,50 0,70 800-1000 31

И-40 окисл.+серпен. (0,3 %) 2660 1,30 0,65 800-1000 34

И-40 окисл. + серпен.(0,3 %) + Мп02 (0,05 %) 2660 1,10 0,60 800-1000 36

КС-19 1880 1,90 0,80 630-800 29

КС-19 окисл. 2990 0,60 0,65 800-1000 40

КС-19 окисл.+сепен. (0,3 %) 3350 0,43 0,55 800-1000 42

КС-19 окисл +серпен. (0,3 %)+ Мп02 (0,05 %) 3550 0,40 0,48 1000-1130 45

Рис. 5. Гистограмма нагрузки сваривания для различных смазочных материалов

Рис. 6. Гистограмма индекса задира для различных смазочных материалов

ВЫВОДЫ

При работе пар трения с применением СМ без добавки не обнаружено образования металлокерамического покрытия (пленки) на поверхностях трения. При работе пар трения с применением ремонтно-восстановительного состава на основе окисленного СМ обнаружено снижение температуры смазочного материала и силы трения, снижение износа, увеличение веса ролика и обоймы, увеличение их микротвердости, а также работой пар трения без смазочного материала значительное время (после предварительной работы с использованием СМ с добавками ГМТ (РВС)). Все это (а в особенности увеличение веса ролика и обоймы и их микротвердости) свидетельствует об образование металлокерамического покрытия (пленки), обладающего антифрикционными и противоизносными свойствами.

Можно сделать вывод, что при добавлении в окисленный СМ серпентина на железосодержащих поверхностях трения образуется самоорганизующееся защитное металлокерамическое покрытие (пленка) характерное для избирательного переноса (эффекта безызносности).

Наибольшую работоспособность трибосоп-ряжений обеспечивает следующий ремонтновосстановительный состав: масло КС-19 окисленное + серпентин (0,3 %) + Мп02 (0,05 %).

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Телух Д. М., Кузьмин В. Н., Усачев В. В.

Использования слоистых гидросиликатов в трибо-сопряжениях // Интернет-журнал «Трения, износ, смазка». 2009. № 3.

2. Евграфов И. В., Дунаев А. В. Новые приемы в безразборном ремонте ДВС полиминеральными серпентиновыми препаратами // Ремонт, восстановление, модернизация. 2006. № 4. С. 21-24.

3. Гаркунов Д. Н. Триботехника (износ и бе-зызносность). М. МСХА, 2001. 616 с.

4. Нигматуллин В. Р. Окислительная десуль-фуризация в производстве базовых масел. Уфа: ГУП ИНХП РБ, 2010. 56 с.

5. Шолом В. Ю., Казаков А. М., Тюле-нев Д. Г. Методы оценки эффективности технологических смазочных материалов для процессов металлообработки // Приводная техника. 2004. № 1. С. 5-12.

6. Жуков С. П. Электронный учебнометодический комплекс «Электротехника и электроника». ФГОУ ВПО Красноярский государственный аграрный университет, 2009. 544 с.

ОБ АВТОРАХ

Нигматуллин Ришат Гаязович, проф. каф. оборудования и технологии сварочн. производства. Дипл. инженер-технолог (Уфимск. нефт. ин-т, 1974). Д-р техн. наук (Уфимск. гос. нефт. техн. ун-т, 1999). Иссл. в обл. химмотологии.

Шолом Владимир Юрьевич, проф. каф. меха-тронных станочных систем. Дипл. инженер-механик (УАИ, 1980). Д-р техн. наук (Российск. гос. ун-т нефти и газа им. И. М. Губкина, 2006). Иссл. в обл. технологическ. смазочных материалов.

Шустер Лёва Шмульевич, проф. каф. основ конструирования механизмов и машин. Дипл. инженер-механик (УАИ, 1962). Д-р техн. наук (Российск. гос. ун-т нефти и газа им. И. М. Губкина, 1990). Иссл. в обл. высокотемпературн. трибологии и механообработки.

Нигматуллин Искандер Мударисович, асп. той же каф. Дипл. инженер-технолог (УГАТУ, 2009). Иссл. в обл. высокотемпературн. трибологии.