CC BY
102
УДК 621.43-233.2:621.891 ББК 39.455.5-045:34.413
А. В. Кораблин, А. Ф. Сафиулин
ПОВЫШЕНИЕ ИЗНОСОСТОЙКОСТИ ПОДШИПНИКОВ СКОЛЬЖЕНИЯ СУДОВЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ
A. V. Korablin, A. F. Safiulin
INCREASE OF WEAR RESISTANCE OF SLIDING BEARINGS OF MARINE INTERNAL COMBUSTION ENGINES
Предложено решение проблемы изнашивания подшипников скольжения судовых двигателей внутреннего сгорания улучшением триботехнических свойств моторных масел. Разработаны функциональные присадки на основе нанопорошков меди и алюминия. Представлены результаты трибологических исследований при трении образцов в базовом и модифицированном моторном масле.
Ключевые слова: подшипник скольжения, износ, смазочная среда, присадка, трибологические испытания.
The solution of the problem of wear of sliding bearings of marine internal combustion engines by improvement of the tribotechnical properties of engine oils is offered. Functional additives based on the nanopowders of copper and aluminum are developed. The results of tribology researches at friction of samples in the basic and modified engine oil are presented.
Key words: sliding bearing, wear, lubricant environment, additive, tribology tests.
Эффективное использование современного форсированного судового двигателя внутреннего сгорания (СДВС) в значительной степени зависит от технического состояния и надежности работы его деталей. Увеличение интенсивности эксплуатации двигателей привело к значительному повышению требований к их надежности [1]. Анализ эксплуатации судовых двигателей показывает, что сроки проведения текущих и средних ремонтов определяются техническим состоянием деталей кривошипно-шатунного механизма, среди которых наиболее ответственные и быстро изнашиваемые - подшипники скольжения коленчатого вала. Именно поэтому повышение эксплуатационной надежности судовых двигателей во многом определяется безотказной работой и техническим состоянием подшипников скольжения коленчатого вала.
В процессе работы подшипников скольжения СДВС имеет место износ рабочих поверхностей, который обусловлен неизбежно возникающими в процессе эксплуатации режимами работы при граничной смазке [2]. Граничный режим смазывания характеризуется наличием непосредственного контакта трущихся поверхностей в зоне трения, что способствует увеличению адгезионных связей [3, 4]. Таким образом, взаимодействие поверхностей сопровождается повышенным тепловыделением (вследствие высокотемпературных вспышек в дискретных контактах), деформациями и потерей общей массы, переходящими во внешнюю среду. Износ, как результат контактного взаимодействия деталей, приводит к необратимому изменению их геометрических параметров и потере работоспособности [5].
В настоящее время существуют два основных научных направления, целью которых является решение проблем адаптации работы подшипников в составе СДВС, обеспечивающих минимальные потери на трение и минимизацию величины износа. Одно из них занимается совершенствованием антифрикционных материалов, из которых изготавливаются подшипники, а второе направлено на улучшение свойств смазочных материалов [б].
С нашей точки зрения, наиболее перспективным направлением повышения надежности подшипников скольжения в составе СДВС, с учетом минимизации затрат, является улучшение триботехнических свойств смазочных материалов. С этой целью разработаны функциональные присадки в моторное масло, основным принципом работы которых является самоорганизация наноструктурных защитных пленок пластичного металла на поверхностях трения, реализующих эффект безызносности. Присадки содержат в своем составе мелкодисперсную фазу нанопорошков меди и алюминия, полученных методом электрического взрыва проводников (ЭВП) со средней величиной частиц 50 нм в среде жирных кислот в определенных пропорциях [7].
Проведены трибологические испытания образцов по схеме «вал - втулка» на машине трения СМТ-1 в научно-исследовательской лаборатории кафедры «Теоретическая и прикладная механика» Астраханского государственного технического университета.
Методика экспериментов основывалась на непрерывной регистрации изменения показателей момента трения и температуры при взаимном скольжении прижатых один к другому (рис. 1) с заданным усилием N Н, стального вала 2, устанавливаемого на шпиндель машины трения СМТ-1, по биметаллической втулке 1, закрепляемой с помощью винтов в державке. Необходимая радиальная нагрузка N, Н, передавалась на державку втулки 1 посредством рычажно-винтового механизма. Пара трения находилась в герметичном резервуаре 4 в среде смазочного материала 3.
Рис. 1. Схема испытаний образцов «вал - втулка» на трение и изнашивание:
1 - втулка; 2 - вал; 3 - смазывающая среда; 4 - рабочая камера
Коэффициент трения определялся по показаниям измерений момента трения, который регистрировался с помощью индуктивного датчика, встроенного в кинематическую схему машины СМТ-1, и фиксировался при помощи механического самописца. Температура в зоне контакта образцов измерялась с помощью цифрового измерителя с хромель-копелевой термопарой по ГОСТ 6616-74. Испытания проводились при частоте вращения вала 1 000 об/мин и радиальной нагрузке 3 ООО Н в течение промежутка времени равного 2 часам.
Параметры образцов «вал - втулка», используемых при исследовании на машине трения (рис. 2), приведены в табл. 1.
Рис. 2. Образцы для испытаний на машине трения СМТ-1
Таблица 1
Параметры образцов «вал - втулка»
Материал образца Внешний диаметр, мм Внутренний диаметр, мм Ширина, мм Твердость, HB Исходная шероховатость Ra, мкм
Вал Сталь 45 ГОСТ 1050-88 45 22 35 229 0,32
Втулка Биметаллическая лента -подшипниковый сплав ГОСТ 28813-90 - G -ЛЙп20Си 50 45 20 30 0,б3
Износ образцов определялся по окончании эксперимента методом сравнения массовых параметров биметаллических втулок до и после испытаний на аналитических весах специального I класса с точностью измерения до 0,0001 г.
Каждая пара идентичных образцов испытывалась в отдельной смазочной среде. В качестве смазочных сред использовались базовое моторное масло SAE 10W-40 API SF/CC, базовое масло, модифицированное медьсодержащей присадкой (SAE 10W-40 API SF/CC + 2 % присадки (Cu)), и базовое масло, модифицированное алюминийсодержащей присадкой (SAE 10W-40 API SF/CC + 2 % присадки (Al)). По результатам испытаний построены диаграммы изменения момента трения и температуры в зоне контакта на пути трения 18 000 м, что соответствует 2 часам работы машины трения при частоте вращения 1 000 об/мин (рис. 3, 4).
В процессе испытаний при трении образцов в базовом масле наблюдалось высокое значение момента трения в период приработки контакта (рис. 3), которое на момент пуска машины составило 3,48 Н-м. На пути трения от 0 до 800 м происходило интенсивное снижение показаний момента трения до значения 0,12 Н-м, что соответствовало завершению периода приработки контакта образцов и переходу в режим трения при установившемся изнашивании (от 800 до 18 000 м). Среднее значение момента трения за цикл испытания образцов в базовом масле составило 0,19 Н-м.
Максимальное значение момента трения в период приработки при трении образцов в модифицированном медьсодержащей присадкой масле оказалось значительно ниже, в отличие от значения при трении образцов в базовом масле, и составило 0,42 Н-м (рис. 3). Отметим, что диаграмма моментов трения не имеет явно выраженного периода приработки. На пути трения от 0 до 8 000 м наблюдались заметные колебания момента трения в пределах 0,2 Н-м с экстремумом в точке 3 700 м, равным 0,4 Н-м. Последующий промежуток пути трения от 8 000 до 18 000 м характеризовался затухающими колебаниями момента трения и постоянной тенденцией к его снижению. Среднее значение момента трения за цикл испытания составило 0,20. Н-м.
S, м
| 1 " 1 | 1 м I | I I I I | " I I | I I I 1 | I I I I | М 1 I | I I I I | 1 II I | I I I I | I I I I | I I 1 I |
О 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120
t, мин
Рис. 3. Диаграмма изменения момента трения на пути трения 18 000 м
При трении образцов в масле, модифицированном алюминийсодержащей присадкой, максимальный момент трения в период приработки составил 0,79 Н-м (рис. 3). На пути трения 1 700 м произошла приработка контакта. Среднее значение момента трения за цикл испытания образцов составило 0,31-Н м.
По полученным в процессе испытаний значениям моментов трения рассчитаны коэффициенты трения, средние значения которых за цикл испытаний на пути трения от 0 до 18 000 м представлены в табл. 2.
Период приработки образцов при смазывании базовым маслом характеризовался интенсивным ростом температуры до значения 86,4 °С в точке пути трения 600 м (рис. 4). На этапе завершения процесса приработки и в начале режима установившегося изнашивания (от 600 до 4 000 м) наблюдалось снижение температуры до значения 47,9 °С. На пути трения от 4 000 до 18 000 м температура зоны контакта трения стабилизировалась с незначительными колебаниями. Среднее значение температуры в зоне контакта за цикл испытания образцов составило 48,2 °С.
Диаграмма изменения температуры в зоне контакта, при испытании образцов в модифицированном медьсодержащей присадкой масле, в общем виде описывала ветвь параболы (рис. 4). На протяжении всего цикла испытаний температура имела общую плавную тенденцию к росту с постоянным снижением интенсивности прироста, без резких колебаний в период приработки. Максимальное значение температуры - 54,1 °С - наблюдалось в конце испытательного цикла (18 000 м). Среднее значение температуры в зоне контакта за цикл испытания образцов составило 47,1 °С.
Динамика температуры при трении образцов в масле, модифицированном алюминийсодержащей присадкой (рис. 4), характеризовалась большей интенсивностью прироста в период приработки, чем при трении образцов в масле с медьсодержащей присадкой и средней температурой за цикл испытания 53,5 °С. Максимальное значение температуры - 61,1°С - наблюдалось в конце испытательного цикла.
м
| 1 | | | | | | | | | " 1 1 | | | 1 | | 1 1 1 | | | | | Ч | | | | | | | | | | 1 | | | [ 1 | | | | 1 1 1 1 | 1 1 | 1 |
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120
I, мин
Рис. 4. Диаграмма изменения температуры в зоне контакта на пути трения 18 000 м
По окончании испытаний образцов проведен визуальный анализ контактных площадок трения (рис. 5).
а б в
Рис. 5. Фото пятна контакта образца после испытаний при смазывании: а - SAE 10W-40 API SF/CC; б - SAE 10W-40 API SF/CC + 2 % присадка (Cu); в - SAE 10W-40 API SF/CC + 2 % присадка (Al)
При изучении полученного пятна контакта трения образца № 1 (втулка), работавшего в базовом масле (рис. 5, а), обнаружен сильный износ, а также дефекты поверхности: задиры в направлении трения и явно выраженные следы повышенного теплового воздействия (перегрева) в виде потемнений. Общий массовый износ втулки за цикл испытаний в базовом масле составил 0,1042 г (0,26 %). Повышенный износ обусловлен низкой несущей способностью смазочной пленки базового масла. Её разрушение в процессе приработки контакта образцов способствовало увеличению адгезионных связей поверхностей, повышению коэффициента трения, интенсификации прироста температуры и, как результат, повышенному износу и деформациям.
Пятно контакта трения образца № 2, полученное при испытании в модифицированном медьсодержащей присадкой масле, показано на рис. 5, б в виде небольшой заполированной площадки. Следов задиров и перегрева на поверхности контакта не обнаружено. Общий массовый износ втулки за цикл испытаний составил 0,0069 г (0,017 %). Обнаруженный нами факт регулярных затухающих колебаний момента трения (рис. 6) можно отнести к процессам неустойчивой самоорганизации тонкопленочных объектов на поверхностях деталей, работающих по принципу «образование - разрушение». Это позволяет образцам весь цикл испытаний работать практически в безызносном режиме.
RAF 1 OW-JA APT ЯР/ГГ +
присадка (Си) -
—1 -
_
г 1
\ Г1 1
\
1 г \ /f 1
/ 1\ \ і- У, J л
1 / -\ J\l p, f' 4
L- U V" / —
±. .
О 2 000 4 000 6 000 8 000 10 000 12 000 14 000 16 000 18 000
л, м
0 10 20 30 40 50 60 70 t, мин 80 90 100 110 120
Рис. 6. Диаграмма момента трения в увеличенном масштабе на пути 18 000 м
Поверхность пятна контакта образца № 3 после испытаний в модифицированном алюминийсодержащей присадкой масле (рис. 5, в) имела несущественные царапины, следов перегрева поверхности не обнаружено. Общий массовый износ втулки за цикл испытаний составил 0,0101 г (0,025 %).
Общие результаты трибологических исследований образцов сведены в табл. 2 и представлены на рис. 7.
Таблица 2
Условия и результаты испытания образцов на трение по схеме «вал - втулка» на машине трения СМТ-1
№ образ- ца На- грузка N, Н Путь трения, м Частота враще- ния, об/мин Среднее значение за цикл испытаний Масса втулки, г Износ втулки
Момент трения, Нм Коэффициент трения Т емпе-ратура, °С до испыта- ний после испыта- ний г %
Базовое масло SAE 10W-40 API SF/CC
1 вал 1 втулка 3 000 18 000 1 000 0,19 0,0028 48,2 40,2381 40,1339 0,1042 0,26
Модифицированное масло SAE 10W-40 API SF/CC + 2 % присадка (Cu)
2 вал 2 втулка 3 000 18 000 1 000 0,20 0,0030 47,1 40,3866 40,3797 0,0069 0,017
Модифицированное масло SAE 10W-40 API SF/CC + 2 % присадка (Al)
3 вал 3 втулка 3 000 18 000 1 000 0,31 0,0046 53,5 40,6435 40,6334 0,0101 0,025
Диаграмма на рис. 7 показывает, что разработанные присадки на основе наноструктурной мелкодисперсной фазы меди и алюминия способствуют улучшению триботехнических свойств моторного масла и, как результат, снижению износа образцов: при использовании медьсодержащей присадки в 15,3 раза, алюминийсодержащей присадки - в 10,4 раза.
SAE 10W-40API SAE 10W-40API SAE 10W-40API
SF i.v SF + 2 % SF ОС + 2 %
присадка (А1) присадка (Си)
Рис. 7. Диаграмма массового износа образцов
На основании результатов трибологических исследований можно сделать вывод, что наиболее эффективной из использованных смазочных сред для повышения износостойкости образцов послужило моторное масло, модифицированное медьсодержащей присадкой (SAE 10W-40 API SF/CC + 2 % присадки (Cu)), которое определило следующие основные преимущества:
- массовый износ биметаллической втулки уменьшился в 15,3 раза;
- улучшилось качество приработанной поверхности образца;
- максимальный момент трения в период приработки снизился в 8,3 раза, с отметки 3,48 до 0,42 Н-м;
- средняя температура за цикл испытаний снизилась на 1,1 °С, максимальная температура - на 32,3 °С, температурные колебания в процессе приработки контакта отсутствовали.
Таким образом, результаты экспериментов свидетельствуют о перспективе применения модифицированного медьсодержащей присадкой моторного масла для повышения износостойкости и надёжности подшипников скольжения СДВ.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Перекрёстов А. П. Использование карт оценки и оптимизации трибологических процессов цилиндропоршневой группы судовых дизелей / А. П. Перекрёстов, И. Н. Гужвенко, М. А. Саидов // Вестн. Астрахан. гос. техн. ун-та. Сер.: Морская техника и технология. 2011. № 1. С. 132-136.
2. Кораблин А. В. Формирование избыточной регулятивно-защитной системы фрикционных поверхностей опор скольжения современных ДВС / А. В. Кораблин, А. Ф. Сафиулин // Новые материалы и технологии в машиностроении. 2012. Вып. 16. С. 126-132.
3. Боуден Ф. П. Трение и смазка твердых тел / Ф. П. Боуден, Д. Тейбор. М.: Машиностроение, 1968. 544 с.
4. Буяновский И. А. Современная трибология: Итоги и перспективы / И. А. Буяновский. М.: Изд-во ЛКИ, 2008. С. 226-276.
5. Сафиулин А. Ф. Влияние диссипации механической энергии на явления схватывания в дискретных фрикционных контактах подшипников скольжения ДВС / А. Ф. Сафиулин // Перспективы развития и безопасность автотранспортного комплекса. 2012. С. 43-46.
6. Ханмамедов С. А. Повышение долговечности подшипников скольжения судовых двигателей внутреннего сгорания с тонкостенными вкладышами / С. А. Ханмамедов, Л. В. Пизинцали, Т. М. Моги-лянец // Судовые энергетические установки. 2008. Вып. 22. С. 34-41.
7. Кораблин А. В. Модифицирование жидких смазочных сред наноструктурными мелкодисперсными порошками мягких металлов полученных методом ЭВП / А. В. Кораблин, А. Ф. Сафиулин // Проблемы автомобильно-дорожного комплекса России: Эксплуатация и развитие автомобильного транспорта. 2012. С. 17-22.
REFERENCES
1. Perekrjostov A. P., Guzhvenko I. N., Saidov M. A. Ispol'zovanie kart ocenki i optimizacii tri-bologicheskih processov cilindroporshnevoj gruppy sudovyh dizelej [Use of cards of assessment and optimization of tribological processes of cylinder-piston marine diesel engines]. Vestnik Astrahanskogo gosudarstvennogo tehnicheskogo universiteta. Serija: Morskaja tehnika i tehnologija, 2011, no. 1, pp. 132-136.
2. Korablin A. V., Safiulin A. F. Formirovanie izbytochnoj reguljativno-zashhitnoj sistemy frikcionnyh poverhnostej opor skol'zhenija sovremennyh DVS [Formation of excess regulation-protection system of frictional surfaces of sliding bearings of modern internal combustion engines]. Novye materialy i tehnologii v mashinostro-enii, 2012, iss. 16, pp. 126-132.
3. Bouden F. P., Tejbor D. Trenie i smazka tverdyh tel [Friction and lubrication of solid things]. Moscow, Mashinostroenie Publ., 1968. 544 p.
4. Bujanovskij I. A. Sovremennaja tribologija: Itogi iperspektivy [Modern tribology: Results and perspectives]. Moscow, Izd-vo LKI, 2008, pp. 226-276.
5. Safiulin A. F. Vlijanie dissipacii mehanicheskoj jenergii na javlenija shvatyvanija v diskretnyh frikcionnyh kontaktah podshipnikov skol'zhenija DVS [Influence of dissipation of mechanical energy on solidification in discrete frictional contacts of sliding bearings of ICE]. Perspektivy razvitija i bezopasnost' avtotransportnogo kompleksa, 2012, pp. 43-46.
6. Hanmamedov S. A., Pizincali L. V., Mogiljanec T. M. Povyshenie dolgovechnosti podshipnikov skol'zhenija sudovyh dvigatelej vnutrennego sgoranija s tonkostennymi vkladyshami [Increase in durability of sliding bearings of marine internal combustion engines with thin-sided liners]. Sudovye jenergeticheskie ustanovki, 2008, iss. 22, pp. 34-41.
7. Korablin A. V., Safiulin A. F. Modificirovanie zhidkih smazochnyh sred nanostrukturnymi melkodis-persnymi poroshkami mjagkih metallov poluchennyh metodom JeVP [Modification of liquid lubrication media using nanostructural small-dispersed powders of soft metals obtained by the method of electric explosion of conductors]. Problemy avtomobil'no-dorozhnogo kompleksa Rossii: Jekspluatacija i razvitie avtomobil'nogo transporta, 2012, pp. 17-22.
Статья поступила в редакцию 9.04.2013
ИНФОРМАЦИЯ ОБ АВТОРАХ
Кораблин Анатолий Викторович — Астраханский государственный технический университет; канд. техн. наук, доцент; директор механико-технологического института; a.korablin@astu.org.
Korablin Anatoliy Victorovich — Astrakhan State Technical University; Candidate of Technical Sciences, Assistant Professor; Director of the Institute of Mechanical Technology; a.korablin@astu.org.
Сафиулин Артём Фанилевич — Астраханский государственный технический университет; аспирант кафедры «Технологические машины и оборудование»; avto-specialist @mail.ru.
Safiulin Artem Fanilevich — Astrakhan State Technical University; Postgraduate Student of the Department "Technological Machines and Equipment"; avto-specialist@mail.ru.
