CC BY
14
УДК 621.891
ПОВЫШЕНИЕ НАДЕЖНОСТИ ТРАНСМИССИЙ ПОЖАРНЫХ АВТОМОБИЛЕЙ ЗА СЧЕТ УЛУЧШЕНИЯ ТРИБОТЕХНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ СМАЗОЧНЫХ МАТЕРИАЛОВ
В. В. КИСЕЛЕВ, В. П. ЗАРУБИН
ФГБОУ ВО Ивановская пожарно-спасательная академия ГПС МЧС России, Российская Федерация, г. Иваново E-mail: [email protected]
Повышение надежности автомобильной техники МЧС России является важной хозяйственной задачей. Значительная доля отказов пожарной автомобильной техники вызвана нарушением работоспособности трансмиссий пожарных автомобилей. На неисправности деталей трансмиссии пожарной техники, согласно оперативным данным, приходится порядка 25% от общего числа всех поломок. Поэтому улучшение качества обслуживания, включая своевременную замену смазочных материалов в трансмиссиях пожарных автомобилей, является важной задачей, решение которой позволит повысить боеготовность подразделений пожарной охраны. Наиболее действенным и эффективным методом борьбы с износом является использование в узлах трения качественных смазочных материалов. Качество смазочных материалов и их свойства постоянно улучшаются. В данной работе приведены результаты триботехнических испытаний разработанных противоизносных добавок к трансмиссионным маслам. Определены значения коэффициентов трения и интенсивности износа испытуемых образцов. Разработанная комбинированная противоизносная добавка позволит улучшить триботехни-ческие показатели трансмиссионных масел, применяемых в пожарных автомобилях. К достоинствам разработанной комбинированной добавки можно также отнести относительно низкую себестоимость изготовления. Таким образом, использование разработанной смазочной композиции позволит повысить надежность трансмиссий пожарных автомобилей и продлить ресурс их работы.
Ключевые слова: ремонт, износ, пожарный автомобиль, трансмиссия, надежность.
INCREASING THE RELIABILITY OF TRANSMISSIONS OF FIRE VEHICLES THROUGH IMPROVEMENT OF THE TRIBOTECHNICAL PROPERTIES OF LUBRICANTS
V. V. KISELEV, V. P. ZARUBIN
Federal State Educational Institution of Higher Education «Ivanovo Fire and Rescue Academy of the State Fire Service of the Ministry of the Russian Federation for Civil Defense, Emergencies and Elimination of Consequences of Natural Disasters», Russian Federation, Ivanovo E-mail: [email protected]
Improving the reliability of automotive equipment EMERCOM of Russia is an important economic task. A significant proportion of failures in firefighting vehicles is caused by a disruption in the performance of fire engine transmissions. According to current data, about 25% of the total number of all breakdowns account for malfunctions of transmission parts of fire fighting equipment. Therefore, improving the quality of service, including the timely replacement of lubricants in transmissions of fire engines, is an important task, the solution of which will increase the combat readiness of fire departments. The most effective and effective method of dealing with wear is the use of high-quality lubricants in friction units. The quality of lubricants and their properties are constantly improving. This paper presents the results of tribotechnical testing of developed antiwear additives to gear oils. The values of the coefficients of friction and the intensity of wear of the tested samples are determined. The developed combined antiwear additive will improve the tribological performance of gear oils used in fire engines. The advantages of the developed combined additives can also
© Киселев В. В., Зарубин В. П., 2020
include a relatively low cost of manufacture. Thus, the use of the developed lubricant composition will increase the reliability of fire engine transmissions and extend their service life.
Key words: repair, wear, fire truck, transmission, reliability.
Повышение надежности пожарных автомобилей является важной задачей. Выход их из строя может произойти по самым различным причинам. В качестве основных видов неисправностей можно отметить следующие: неисправность двигателя, неисправность элементов сцепления, дефекты карданной передачи, поломки деталей заднего и переднего мостов, неисправность деталей коробок передач и коробок отбора мощности. В основном все перечисленные неисправности происходят вследствие износа ограниченного количества быстроизнашивающихся деталей [1]. Таким образом, значительное число неисправностей автомобиля приходится на двигатель и на детали трансмиссии. Поэтому общая задача повышения долговечности автомобиля в большинстве случаев сводится к увеличению износостойкости отдельных деталей, лимитирующих надежность узлов, систем и всего агрегата в целом.
Как известно, двигатель любого автомобиля является его сердцем, тогда как детали трансмиссии автомобиля можно назвать жизненно-важными артериями, по которым передается механическая энергия к исполнительным агрегатам. От надежности элементов трансмиссии автомобиля зависит возможность или невозможность его эксплуатации по назначению. Что касается двигателей, то для их смазки на рынке предлагается широкий перечень самых разнообразных смазочных материалов от отечественных и иностранных производителей. Ассортимент смазочных материалов для трансмиссий относительно ограничен, а их триботехнические характеристики не всегда высоки.
Наиболее действенным и эффективным методом борьбы с износом является использование в узлах трения качественных смазочных материалов [2]. Иногда на смазочных материалах пытаются экономить, закупая дешевые и часто низкого качества масла и смазки. Стоимость пожарных автомобилей весьма высока и составляет несколько миллионов рублей. Следует сказать, что стоимость качественных смазочных материалов относительно невелика по сравнению со стоимостью проведения восстановительных ремонтов, происходящих по причине износа трущихся поверхностей. Поэтому при выборе смазочного материала следует иметь в виду, что положительный эффект от применения высокоэффек-
тивной и качественной смазки может быть весьма существенен.
Свойства смазочных материалов играют важнейшую роль в обеспечении оптимальных условий трения и показателей надёжности различных механизмов, в том числе и механизмов трансмиссий пожарных автомобилей. Поэтому смазочные композиции необходимо совершенствовать. Одним из направлений улучшения свойств смазки является добавление в базовый смазочный материал химически активных присадок и добавок. Основное назначение вводимых в базовую смазку присадок - это улучшение, прежде всего, проти-воизносных и антизадирных свойств. Вводимые в базовый смазочный материал противо-износные присадки и добавки могут повлиять на качественное улучшение его триботехниче-ских характеристик. Это, в свою очередь, должно обеспечить снижение энергозатрат на работу устройств и повышение их надежности. Значительно улучшить триботехнические характеристики смазочного материала позволит реализация в зоне трения эффекта избирательного переноса [3].
За последние десятилетия был проведен ряд исследований отечественными и зарубежными учеными так называемых металло-содержащих соединений, реализующих в зоне трения «избирательный перенос». Это явление заключается в образовании на поверхностях трения металлических пленок мягких металлов. Эти пленки заполняют микронеровности трущихся поверхностей, что приводит к увеличению площади контакта. В результате резко снижается давление в зоне трения и соответственно снижение температуры. Толщина образующейся пленки превышает высоту микронеровностей, а значит и трение локализуется в этой пленке. Доказано, что такой эффект приводит к снижению коэффициента трения и износа в десятки раз.
Кроме металлоплакирующих присадок к маслам и смазкам в последнее время в качестве добавок используются металлокерамиче-ские соединения на основе слоистых минералов, основными из которых являются наполнители на основе природного минерала серпентина. Аналогично металлоплакирующим присадкам, такие наполнители вводятся в необходимом количестве в смазочный материал в виде мелкодисперсного порошка минерала. Находясь в зоне трения, частицы порошка ми-
нерала разрушаются, выделяя при этом значительное количество тепловой энергии, в результате чего происходит их внедрение в размягченные поверхностные слои контактирующих деталей. Образуется металлокерамиче-ский слой с высокими антифрикционными и противоизносными характеристиками. К основным этапам работы таких наполнителей можно отнести микрошлифование поверхностей трения, изменение структуры поверхностных слоев и, как следствие, значительное увеличение микротвердости поверхности трения.
Стремление создать смазочные материалы для работы их в трансмиссиях пожарных машин, которые будут способствовать повышению надежности пожарной техники, привело к необходимости разработки недорогих и эффективных противоизносных присадок. С целью повышения надежности элементов трансмиссий пожарных автомобилей, был создан новый комбинированный наполнитель к маслам и смазкам, сочетающий в себе свойства металлопла-кирующей и металлокерамической добавки, описываемый в данной работе. Новая добавка представляет собой комбинацию противоизнос-ной металлоплакирующей добавки на основе стеаратов меди и олова и мелкодисперсного порошка искусственного серпентина. Для оценки триботехнических характеристик разработанного наполнителя к трансмисионным маслам были проведены сравнительные испытания базового трансмиссионного масла и трансмиссионного масла, модифицированного металло-плакирующей присадкой, металлокерамическим наполнителем и разработанной комбинированной добавкой.
Основные триботехнические параметры исследуемых смазочных композиций определялись по стандартной методике на машине трения СМТ-1 (рис.1).
Рис. 1. Схема работы и устройства машины трения. 1 - вал вращающийся; 2 - вал неподвижный; 3 - нагрузочное устройство; 4, 5 - элементы пары трения (диск, вкладыш)
Принцип работы машины трения заключается в том, что на контактирующую пару трения (вращающийся диск - неподвижный вкладыш) действует переменная нагрузка. Изменение значения нагрузки осуществляется механическим способом и может варьироваться от 0 до 1500 Н. Скорость вращения диска также может изменяться от 0 до 5 м/с. Измерительное устройство машины трения определяет мгновенное значение момента трения. Кроме момента трения в ходе экспериментальных исследований определялась степень износостойкости испытуемых образцов, работающих в различных смазочных композициях. Режим работы контактирующей пары был выбран усредненным, то есть таким, чтобы соответствовать режимам работы узлов трения в трансмиссиях пожарных автомобилей. Испытания проводились при различных нагрузках, которые изменялись ступенчато до пиковых значений, при которых сохранялась работоспособность пары трения.
Для оценки степени износостойкости образцов использовались методы определения линейного износа (рис. 2).
Рис. 2. Схема определения линейного износа
На криволинейных поверхностях вкладышей наносились отпечатки конической формы. Для оценки интенсивности изнашивания измерялись диаметры этих отпечатков.
Значение степени износа поверхности стального вкладыша в испытуемых смазочных композициях определялась следующим образом:
^ _ d2 d2 m 8 • R
2
m =
o
tg • (90
(1) (2)
где Дh - разница между начальной и конечной глубиной отпечатка, мкм;
d1 - диаметр отпечатка на испытуемом образце перед проведением эксперимента, мкм; d2 - диаметр отпечатка на испытуемом образце после проведения эксперимента, мкм; R - радиус кривизны поверхности испытуемого образца, мкм;
I =
М S
(3)
где S - путь трения, км.
Смазочные материалы подавались к месту контакта пары трения равномерно за счет окунания вращающегося ролика в масляную ванну. Значение оптимальной концентрации разработанных добавок описано в работе [4] и в нашем случае составило 1,5 масс.%.
На рис. 3, 4 представлены исследуемые триботехнические характеристики базово-
го универсального всесезонного минерального масла для трансмиссий автомобилей ТАД 17 (ТМ-5-18), а также трансмиссионного масла с вводимыми в него добавками.
Анализ результатов позволяет сделать вывод об антифрикционных и противоизнос-ных свойствах разработанных добавок к маслам. Введение в базовое масло присадки и наполнителя снижает коэффициент трения и интенсивность изнашивания. По графикам наглядно видно, что добавки к маслу увеличивают нагрузочную способность масла. Если при нагрузке более 5 МПа у базового масла наблюдается значительное увеличение коэффициента трения и интенсивности изнашивания, а при дальнейшем нагружении происходит задир поверхности трения образцов и пара трения выходит из строя, то добавки к маслу позволили повысить диапазон работы пары трения до 7-8 МПа.
Зависимость коэффициента трения от нагрузки
0,18 0,16 | 0,14 и о. н н 0,12 и к ОД •е- п И 0,08 0,06 0,04
А 1-
Г
1 2 3 4 5 6 7 8
Базовое масло 0,1 0,13 0,132 0,139 0,152 0,18 0,195 0,3
Состав N91 0,07 0,077 0,078 0,09 0,095 0,097 ОД 0,11
Состав N92 0,09 0,1 0,1 0,119 0,121 0,129 0,15 0,18
Состав N93 0,05 0,065 0,065 0,06 0,058 0,059 0,06 0,068
•Базовое масло
Нагрузка, МПа ■ Состав №1 ♦ Состав N°2
■Состав №3
Рис. 3. Зависимости коэффициента трения от давления в пятне контакта. 1 - базовое масло ТАД 17 (ТМ-5-18), состав 1 - базовое масло с металлоплакирующей присадкой, состав 2 - базовое масло с металлокерамическим наполнителем, состав 3 - базовое масло с комбинированной добавкой
Рис. 4. Зависимости интенсивности изнашивания от давления в пятне контакта. 1 - базовое масло ТАД 17 (ТМ-5-18), состав 1 - базовое масло с металлоплакирующей присадкой, состав 2 - базовое масло с металлокерамическим наполнителем, состав 3 - базовое масло с комбинированной добавкой
Более детальный анализ результатов позволяет определить смазочную композицию с оптимальными показателями для выбранных условий трения. Сравнивая антифрикционные показатели базового масла наполненного ме-таллоплакирующей присадкой и минеральным наполнителем видно, что состав №1 снижает коэффициент трения на 20-30%, а состав №2 - на 10-15%. Однако при рассмотрении зависимости интенсивности изнашивания от нагрузки можно отметить, что оба эти состава имеют близкие по значению противоизносные показатели. При их использовании интенсивность изнашивания снижается на 15-25% по сравнению с показателями базового масла. Однако стоит отметить, что состав №2 достаточно хорошо показал себя при работе в диапазоне нагрузок от 3 до 6 МПа. При не значительном увеличении коэффициента трения значения интенсивности изнашивания уменьшались. Объяснить такое поведение пары трения можно тем, что в процессе работы деталей на нагрузках от 1 до 3 МПа на их поверхности образовался достаточно прочный металлокерамический слой который при даль-
нейшем увеличении нагрузки хорошо защищал поверхности трения от износа.
Лучшие свойства металлоплакирующей присадки и минерального наполнителя объединяет в себе комбинированная добавка. При ее использовании в базовом масле наблюдается уменьшение коэффициента трения на 25-35 % и снижение интенсивности изнашивания на 30-40 %. Проведенные исследования показали, что использование смазочной композиции №3 положительно влияет на антифрикционные свойства масла во всем диапазоне нагрузок от 1 до 8 МПа. Рост значений коэффициента трения и интенсивности изнашивания является достаточно плавным и равномерным. На графиках нет резких перепадов и колебаний. По графику видно, что этап приработки (при нагрузке 1-2 МПа) проходит без резкого увеличения коэффициента трения и интенсивности изнашивания как у смазки №2. На это могло повлиять действие металлоплакирующей присадки. Попадая в зону трения, частицы минеральной добавки начинают подготавливать поверхность трения, выравнивая микронеровности и разрушая окисную пленку. Металлоплакирующая присадка сразу же оса-
ждается на подготовленную «чистую» поверхность, не допуская контакта «металл - металл», снижая тем самым значение коэффициента трения. При дальнейшей работе комбинированный наполнитель образует устойчивый антифрикционный слой на поверхностях пары трения, о чем свидетельствуют относительно ровные участки диаграмм коэффициента трения и интенсивности изнашивания при нагрузке от 4 до 7 МПа.
По нашему мнению описанные выше результаты были получены, благодаря образованию на поверхности трения химически чистых, постоянно возобновляемых слоев антифрикционных металлов, а именно меди и олова. Подтверждение этому факту послужили полученные электронограммы поверхностей трения испытуемых образцов (рис. 5).
а) б)
Рис. 5. Электронограммы эталона (а) и исследуемого образца (б)
Произведя оценку полученных элек-троннограмм, с использованием калибровочных кривых определили межплоскостные расстояния. По справочным данным было установлено, что исследуемые поверхности пар трения содержали соединения, которые являются двухкомпонентной системой, состоящей из меди и олова.
Разработанная комбинированная про-тивоизносная присадка может найти широкий круг применения, но прежде всего она предназначается для минеральных и полусинтетических трансмисионных масел, которые используются при проведении технического обслужи-
вания пожарных автомобилей. Исследованные триботехнические показатели трансмиссионных масел, модифицированных разработанной присадкой, свидетельствуют о ее положительном действии на трансмиссионное масло. Ее применение позволяет снизить коэффициент трения и интенсивность износа трущихся поверхностей. К достоинствам разработанной комбинированной добавки можно также отнести относительно низкую себестоимость изготовления. Таким образом, использование исследованной смазочной композиции позволит повысить надежность трансмиссий пожарных автомобилей и продлить ресурс их работы.
Список литературы
1. Чумаченко Ю. Т. Автослесарь. Устройство, техническое обслуживание и ремонт автомобилей. М.: Юрайт, 2011. 316 с.
2. Киселев В. В., Топоров А. В., Пучков П. В. Перспективы использования модернизированных смазочных материалов в по-
жарной и аварийно-спасательной технике // Научные и образовательные проблемы гражданской защиты. 2011. № 3. С. 23-29.
3. Гаркунов Д. Н. Триботехника (износ и безызносность): учебник. 4-е изд., перераб. и доп. М.: Издательство МСХА, 2001. 616 с.
4. Киселев В. В. Исследования по выявлению оптимальной концентрации разрабо-
танного медно-оловянного комплекса в масле. Деп. рукопись № 836-В2003 29.04.2003.
References
1. Chumachenko Yu. T. Avtoslesar. Ustro-jstvo, tekhnicheskoe obsluzhivanie i remont avto-mobilej [Car fitter. Device, maintenance and car repair]. Moscow, 2011. 316 р.
2. Kiselev V. V., Toporov A. V., Puchkov P. V. Perspektivy ispol'zovaniya modern-izirovannyh smazochnyh materialov v pozharnoj i avarijno-spasatel'noj tekhnike [Prospects for the use of modernized lubricants in fire and emergen-
cy equipment]. Nauchnye i obrazovatel'nye prob-lemy grazhdanskoj zashchity, 2011, vol. 3, pp. 23-29.
3. Garkunov D. N. Tribotekhnika (iznos i bezyznosnost): uchebnik. 4-e izd., pererab. i dop. [Tribotechnology (wear and tear): a textbook]. Moscow: Izdatel'stvo MSKHA, 2001. 616 p.
4. Kiselev V. V. Issledovaniya po vy-yavleniyu optimal'noj koncentracii razrabotannogo medno-olovyannogo kompleksa v masle. Deponi-rovannaya rukopis' № 836-V2003 29.04.2003. [Studies to identify the optimal concentration of the developed copper-tin complex in oil. Dep. manuscript]. № 836-V2003 29.04.2003.
Киселев Вячеслав Валериевич
ФГБОУ ВО Ивановская пожарно-спасательная академия ГПС МЧС России,
Российская Федерация, г. Иваново
кандидат технических наук, доцент
E-mail: [email protected]
Kiselev Vyacheslav Valerievich
Federal State Educational Institution of Higher Education «Ivanovo Fire and Rescue Academy of the State
Fire Service of the Ministry of the Russian Federation for Civil Defense, Emergencies and Elimination of
Consequences of Natural Disasters»,
Russian Federation, Ivanovo
candidate of tech. sciences, assistant professor
E-mail: [email protected]
Зарубин Василий Павлович
ФГБОУ ВО Ивановская пожарно-спасательная академия ГПС МЧС России,
Российская Федерация, г. Иваново
кандидат технических наук, доцент
E-mail: [email protected]
Zarubin Vasiliy Pavlovich
Federal State Educational Institution of Higher Education «Ivanovo Fire and Rescue Academy of the State
Fire Service of the Ministry of the Russian Federation for Civil Defense, Emergencies and Elimination of
Consequences of Natural Disasters»,
Russian Federation, Ivanovo
candidate of tech. sciences, assistant professor
E-mail: [email protected]
