CC BY
66
Шубин Александр Анатольевич, канд. техн. наук, заведующий кафедрой, anzev@yandex. ru, Россия, Калуга, Калужский филиал Московского Государственного Технического Университета им. Н.Э. Баумана
MA THEMA TICAL MODELING OF MO TION OF PARTICLES IN CONVEYORS O.O. Baryshnikova, Z.M. Boriskina, A.A. Shubin
The motion of a material particle on a vibrating inclined surface, which is characteristic for an oscillating vibratory conveyors. The mathematical model of modes of motion, taking into account the influence of inertial and gravity forces and aerodynamic forces. The algorithm of definition of parameters of motion of a material point allows you to replay and analyze its characteristics, to identify the optimal parameters of the movement.
Key words: oscillating conveyors, vibrating oscillating conveyors, continuous motion of the point, vibration displacement, harmonic oscillations, friction force, aerodynamic force.
Baryshnikova Olga Olegovna, candidate of technical science, docent, Russia, Moscow, Moscow State Technical University AD Bauman,
Boriskina Zjagrja Mihajlovna, candidate of technical science, docent, Russia, Kaluga, Kaluga Branch of Moscow State Technical University AD Bauman,
Shubin Aleksandr Anatol'evich, candidate of technical science, head of chair, Russia, Kaluga, Kaluga Branch of Moscow State Technical University AD Bauman
УДК 621.2.082.18
ПРОТИВОИЗНОСНЫЕ СВОЙСТВА КОНСИСТЕНТНОГО
СМАЗОЧНОГО КОМПОЗИЦИОННОГО МАТЕРИАЛА С НАПОЛНИТЕЛЕМ ИЗ ДИСПЕРСНЫХ ЧАСТИЦ СЛОИСТОГО МОДИФИКАТОРА ТРЕНИЯ
В.В. Медведева, А. Д. Бреки, Н.А. Крылов, Ю.А. Фадин, С.Е. Александров, Д.А. Провоторов, А.Е. Гвоздев, Н.Е. Стариков
В работе представлены результаты исследования влияния размера и концентрации частиц природного слоистого модификатора трения серпентинита, полученных по многоступенчатой технологии помола, магнитной сепарации и флотации, на противоизносные свойства консистентного смазочного материала литол-24. Обнаружено возникновение локальных плёнок в результате взаимодействия активных компонентов серпентинита с поверхностью трения в местах схватывания второго рода.
Ключевые слова: пластичная смазка, серпентинит, дисперсные частицы, антифрикционные добавки, трение, износ, смазка.
В настоящее время проводятся исследования с целью повышения качества пластичных смазочных материалов за счёт расширения диапазонов температурного, нагрузочного и скоростного применения и
257
увеличения их работоспособности во времени. Характерной особенностью пластичных смазочных материалов является то, что при невысоких нагрузках и обычных температурах они проявляют свойства твёрдых тел, а при достижении критического уровня внешнего температурно-силового воздействия (предела текучести) начинают пластически деформироваться и проявляют жидкотекучесть [1]. После снятия нагрузки пластичные смазочные материалы через некоторый период времени восстанавливают свойства, характерные для твердых тел.
Известно, что изменение характеристик смазочной среды посредством введения дополнительных добавок, даёт возможность увеличить межремонтный период и повысить надёжность трибосопряжений, в некоторых случаях даже восстановить изношенные детали. Поэтому проблема разработки новых смазочным композиций, путём введения дополнительных функциональных добавок, способствующих снижению трения и повышению износостойкости ведущих деталей машин, становится особенно актуальной. Исследованию влияния функциональных добавок на улучшение функционирования узлов трения посвящён ряд исследований, давших положительные результаты [2- 9, 11-14 и др.]. Многие вопросы, связанные с использованием дисперсных добавок, остались ещё недостаточно освещены. В частности, возникает необходимость оценки влияния размера и концентрации частиц минерала серпентинита на противоизносные свойства пластичных смазочных композиций.
В качестве объектов исследования были выбраны смазочные композиции на основе пластичного смазочного материала литол-24 ЛЕ^О, с наполнителем из частиц серпентинита размерами 1, 10 и 30 мкм. Ряд концентраций частиц в пластичных смазочных композиционных материалах составлял 0,05 %, 0,5 %, 1 %, 5 %, 10 %.
Смазка Литол-24 (ГОСТ 21150-87) - нефтяное масло вязкостью 6075 мм /с при 50 °С, загущенное литиевым мылом 12-гидроксистеариновой кислоты. Он содержит антиокислительную и вязкостную присадки. Микрофотография используемого базового пластичного смазочного материала показана на рис. 1.
Из микрофотографии виден пространственный структурный каркас, образованный наполнителями и жидким смазочным маслом. В среднем ячейки каркаса выбранного смазочного материала имеют размеры около 100-150 мкм.
Основные эксплуатационные характеристики смазки Литол-24: высокая коллоидная, химическая и механическая стабильность, водостойкость даже в кипящей воде, при нагревании не упрочняется. Он имеет работоспособность при температуре -40...+120 °С, кратковременно сохраняет работоспособность при температуре 130 °С.
Областями применения смазки литол-24 являются подшипники качения и скольжения всех типов, шарниры, зубчатые и другие передачи, поверхности трения колесных и гусеничных транспортных средств, индустриальных механизмов, электрических машин и т.п.
ит 150 300 450 600 750 900 1050 1200
11111111111,1,111,1,1,111111 | | I | | | | I | | | | I |
Г
1 1-1 - - А» 1 л а Л № * У
1 ! Я ■ > V Ц £ * * *
Л * .3 4 ,
? ^ ( ШШ - Г;. — Г
* * * ' л
* * ш * ^Р # * * ЧГ
* т
# 4 * - * ш
•
• * 3 4 * Н А т~ %
'М * < * . • * * 4 * |(1и кчм
в
Рис. 1. Микрофотография слоя литол-24(х100)
Предметом данного исследования являются триботехнические свойства композиционных материалов на основе пластичной смазки литол-24 ЛЕ^О, с наполнителем из частиц серпентинита различных фракций.
Целью исследования является оценка влияния размера и концентрации частиц минерала серпентинита на противоизносные свойства пластичного смазочного композиционного материала.
Оценку противоизносных свойств смазочных слоёв, содержащих дисперсные наполнители, осуществляли на четырёхшариковой машине трения ЧШМ-3,2 в соответствии с ГОСТ 9490-75 при трении скольжения.
Данная установка используется на начальном этапе трибологиче-ских испытаний для оценки способности смазочных материалов уменьшать износ пар трения и предотвращать их заедание. В этой лабораторной установке стандартный шарикоподшипниковый шарик из стали ШХ-15 диаметром йш = 12,70 мм зажат в шпинделе машины, вращающемся с час-
259
тотой вращения пшп = 1460 мин-1. К этому шарику под заданной нагрузкой 60 Н £ Р £ 10000 Н прижимают три неподвижных шарика, сложенные треугольником в плоскости, перпендикулярной оси шпинделя, и помещают в чашку с исследуемым смазочным материалом. Вращающийся шарик вытирает на контактирующих с ним участках рабочих поверхностей неподвижных шаров лунки (пятна износа), по средней величине которых судят о влиянии смазочного материала на износ шаров при данной нагрузке. Испытания проводились при следующих условиях: нагрузка составляла 20кгс, время одного испытания составляло 1 час.
Результаты испытаний противоизносных свойств пластичного композиционного материала с частицами серпентинита размером 1мкм показаны на рис. 2.
Из построенного графика (рис. 2) видно, что до концентрации -6 % по массе наполнитель из частиц размером 1 мкм не оказывает благоприятного воздействия на противоизносные свойства смазочного слоя. При достижении концентрации 10 % по массе происходит снижение износа на -15 % относительно базового смазочного материала.
Результаты испытаний противоизносных свойств композиционного материала с частицами размером 10 мкм показаны на рис. 3.
Из полученной зависимости (рис. 3) видно, что с увеличением концентрации серпентинита с размером частиц 10мкм износ уменьшается и достигает минимального значения при концентрации -7 %. При концентрации в 7 % диаметр пятна износа снижается на -45 % относительно базового смазочного материала, далее происходит приращение износа.
1000
900
800
§
I 700
<й
Й 500 и 400
е-
I 300 И 200
100-----------
----------
01 23456789 10
Концентрация дисперсного наполнителя, %
Рис. 2. График зависимости диаметра пятна износа от концентрации наполнителя с размером частиц 1 мкм
260
1000
01 23456733 10
Концентрация дисперсного наполнителя, %
Рис. 3. График зависимости диаметра пятна износа от концентрации наполнителя с размером частиц 10 мкм
Результаты испытаний противоизносных свойств пластичного композиционного материала с частицами серпентинита размером 30 мкм показаны на рис. 4.
Концентрация дисперсного наполнителя, %
Рис. 4. График зависимости диаметра пятна износа от концентрации наполнителя с размером частиц 30 мкм
Из полученной зависимости (рис. 4) видно, что с увеличением концентрации серпентинита с размером частиц 30 мкм износ уменьшается и достигает минимального значения при концентрации -7,5 %. При концентрации в 7,5% диаметр пятна износа снижается на -50 % (в 2 раза) относительно базового смазочного материала, далее происходит приращение износа.
В результате испытаний было выявлено образование вторичных структур (локальных плёнок) на поверхностях трения шариков, средние размеры которых составляли до 50 мкм (рис. 5).
Авторами [10] приведён возможный механизм образования защитной плёнки на поверхности трения, который состоит в том, что при механическом и тепловом воздействии серпентин (минерал, входящий в состав серпентинита) разлагается и, в процессе трения, выделяется количество теплоты, достаточное для разогрева и размягчения металла. Этот процесс приводит к возникновению следующей реакции [10]:
61%Ою](ОИ)8 + + И2->4(М^е>Ш4 + 5Н20.
При этом происходит внедрение в структуру металла микрочастиц минерала и образование композитной серпентинометаллической структуры (метал - минерал) на поверхности узлов трения.
Рис. 5. Локальная плёнка после трения в среде смазки с серпентинитом (увеличение в 1000раз)
В границах данного исследования было реализовано сравнение твёрдости поверхности трения в локальных участках с образовавшейся плёнкой и без её наличия (рис. 6). Для измерения твёрдости использовали автоматический микротвердомер БМ-300. Основные характеристики прибора приведены в таблице.
Характеристики микротвердомера FM-300
Характеристика Описание
Контроль процесса на- автоматический (нагрузка, выдержка, снятие нагрузки)
грузки
Скорость нагрузки 50 мкм/сек.
Индентор по Виккерсу
Точность согласно JIS B-7734 /B-7725, ASTM E-384, ISO /DIS 6507-2, ГОСТ 9450
XY-столик перемещение XY 25 мм
Нагрузки (гс.) 5/10/ 25/ 50/ 100/ 200/ 300/ 500/ 1000 (2000)
Объективы 10х/50x (опция: 5х, 20х, 40, 100х)
Окуляры 10х (опция: 15х)
Макс. глуб. образца 115 мм
Макс. высота образца 95 мм
Микрофотографии отпечатков индентора в соответствующих областях поверхности трения приведены на рис. 6.
• 25 мкм |
Рис. 6. Микрофотографии отпечатков индентора: а - локальная область с плёнкой; б - область поверхности трения без плёнки (х1000)
В результате проведённых измерений установлено, что твёрдость по Кнупу в локальной области с плёнкой составляет 2210^ а в области без плёнки твёрдость значительно меньше и составляет 876Ы^ Таким образом, на поверхности трения при фрикционном взаимодействии образуются и разрушаются вторичные структуры, которые реализуют дискретное экранирование поверхностей, дополнительно разделяя материалы наряду с окисными плёнками.
На основании полученных результатов экспериментальных исследований можно сделать следующие выводы:
263
1. Размер частиц геомодификатора трения оказывает существенное влияние на противоизносные свойства консистентных смазочных композиций: частицы размером 1мкм начинают улучшать противоизносные свойства смазочной композиции после концентрации -6% по массе; частицы размером 10 и 30мкм начинают проявлять свои противоизносные свойства уже при малых концентрациях в смазочной композиции, достигая оптимума при концентрации -7% по массе.
2. Проведенные исследования показали эффективность серпентинита крупных фракций в составе пластичного смазочного материала. Введение в состав консистентной смазки Mg6{Si4O10}(OH)8 обеспечивает формирование между поверхностями трения сервовитной пленки, уменьшающей износ элементов трения. Это связано с тем, что неорганические материалы на основе природных минералов Men[Si0k](0Н)p, где Me=Fe, Mg, Л1, к которым относится серпентинит, при высоких давлениях и температурах могут кристаллизоваться в виде форстерита, волостанита и ряда других модификаций со значительной микротвердостью.
3. Экспериментально показано, что микротвёрдость образовавшихся локальных сервовитных плёнок в 2,5 раза превышает микротвёрдость областей поверхности трения без наличия данных плёнок.
Работа выполнена при поддержке гранта Российского научного фонда по приоритетному направлению деятельности Российского научного фонда «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований по приоритетным тематическим направлениям исследований» научному проекту: "Формирование беспористых покрытий из нанокомпозиционных материалов типа «износостойкая матрица - нано-частицы дисульфида молибдена (вольфрама)», обладающих низким коэффициентом трения, методом химического осаждения из газовой фазы", № 15-13-00045.
Список литературы
1. Погодаев Л.И., Кузьмин В.Н. Структурно-энергетические модели надёжности материалов и деталей машин. СПб.: Академия транспорта Российской Федерации, 2006. 608 с.
2. Увеличение ресурса работы подшипников качения применением пластичных смазочных материалов с ультрадисперсным алмазографитом: автореф. дис. канд. техн. наук: 05.02.02 / С.Г. Докшанин; Красноярский государственный технический университет. Красноярск, 2002. 20 с.
3. Повышение долговечности гипоидных передач применением твёрдых добавок к смазочному материалу: автореф. дис. канд. техн. наук: 05.02.02 / Д.А. Маринушкин; Сибирский государственный технологический университет. Красноярск, 2008. 20 с.
264
4. Улучшение эксплуатационных характеристик подшипников скольжения применением модифицированных смазочных материалов: ав-тореф. дис. канд. техн. наук: 05.02.02 / А. А. Шаронов; Красноярский государственный технический университет. Красноярск, 2005. 18 с.
5. Твёрдые композиционные присадки на основе металлизированного графита для пластичных смазочных материалов: автореф. дис. канд. техн. наук: 05.02.04 / Х.А. Хуссеин; Институт проблем машиноведения РАН. Санкт-Петербург, 2009. 18 с.
6. Бреки А. Д. Триботехнические свойства модифицированных смазочных масел. Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук / Институт проблем машиноведения Российской академии наук. Санкт-Петербург, 2011. 161 с.
7. Бреки А. Д. Триботехнические свойства модифицированных смазочных масел. Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук / Институт проблем машиноведения Российской академии наук. Санкт-Петербург, 2011. 19 с.
8. Нестационарная математическая модель прогнозирования устойчивой работы подшипников скольжения с вязкоупругой смазочной композицией: автореф. дис. канд. техн. наук: 05.02.04, 05.13.18 / И. А. Журба; Ростовский государственный университет путей сообщения. Ростов-на-Дону, 2005. 24 с.
9. Улучшение рабочих характеристик радиальных подшипников скольжения: автореф. дис. канд. техн. наук: 05.02.02 / О.И. Рабецкая; ФГОУ ВПО «Сибирский федеральный университет». Красноярск, 2008. 21 с.
10. Шаров Г.И., Ерохин И.А., Осипенко Ю.В. Применение системы энергосбережения в поршневых ДВС. // Повышение износостойкости и долговечности машин и механизмов на транспорте: труды третьего международного симпозиума по транспортной триботехнике «ТРАНСТРИБО-2005». СПб Изд-во СПбГПУ, 2005. С. 212 - 215.
11. Бреки А. Д., Васильева Е.С., Толочко О.В., Сергеев Н.Н., Гвоздев А.Е., Стариков Н.Е. Жидкие смазочные композиционные материалы, содержащие высокодисперсные наполнители, для подшипниковых узлов управляемых систем: монография. Тула: Изд-во ТулГУ, 2014. 144 с.
12. Бреки А.Д., Васильева Е.С., Толочко О.В., Сергеев Н.Н., Гвоздев А.Е., Стариков Н.Е. Триботехнические свойства жидких смазочных композиционных материалов, содержащих полученные методом газофазного синтеза высокодисперсные дисульфид и диселенид вольфрама: монография / под. ред. А. Д. Бреки. Тула: Изд-во ТулГУ, 2014. 152 с.
13. Бреки А. Д., Кудрявцев В.В., Диденко А.Л., Васильева Е.С., То-лочко О.В., Сергеев Н.Н., Стариков Н.Е., Гвоздев А.Е. Триботехнические свойства композиционных покрытий с полиимидными матрицами и наполнителями из наночастиц дихалькогенидов вольфрама для узлов трения машин: монография / под ред. А. Д. Бреки. Тула: Изд-во ТулГУ, 2015. 128 с.
14. Бреки А.Д., Васильева Е.С., Толочко О.В., Стариков Н.Е., Сергеев Н.Н., Провоторов Д.А., Сергеев А.Н., Гвоздев А.Е. Триботехнические характеристики жидких смазочных и полиимидных композиционных материалов, содержащих антифрикционные наночастицы дихалькогенидов вольфрама: монография / под ред. А. Д. Бреки. Тула: Изд-во ТулГУ, 2015. 276 с.
Медведева Виктория Валерьевна, асп., vikamv@mail.ru, Россия, Санкт-Петербург, Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого,
Бреки Александр Джалюльевич, канд. техн. наук, доц., зам. зав. кафедрой, зав. лабораторией, albreki@yandex.ru, Россия, Санкт-Петербург, Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого,
Крылов Николай Александрович, канд. техн. наук, доц., зам. зав. кафедрой, cry off@mail.ru, Россия, Санкт-Петербург, Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого,
Фадин Юрий Александрович, д-р техн. наук, зав. лабораторией ИПМаш РАН, fadinspb@yandex.ru, Россия, Санкт-Петербург, Институт проблем машиноведения РАН,
Александров Сергей Евгеньевич, д-р хим. наук, проф., зав. кафедрой, sevgalexandrov@gmail.com, Россия, Санкт-Петербург, Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого,
Провоторов Дмитрий Алексеевич, канд. техн. наук, ведущий инженер-конструктор, prodmyt@rambler.ru, Россия, Тула, ООО НПП «Вулкан-ТМ»,
Гвоздев Александр Евгеньевич, д-р техн. наук, проф., technology@tspu.tula.ru, Россия, Тула, Тульский государственный педагогический университет им. Л.Н. Толстого,
Стариков Николай Евгеньевич, д-р техн. наук, проф., зам. зав. кафедрой, starikov_taii@mail.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет
ANTIWEAR PROPERTIES OF A GREASE-LUBRICATING COMPOSITE MATERIAL WITH A FILLER OF DISPERSED PARTICLES OF THE LAYERED FRICTION MODIFIER
V. V. Medvedeva, A.D. Breki, N.A. Krylov, M.A. Skotnikova,
Yu. A. Fadin, S. E. Alexandrov, D.A. Provotorov, A. E. Gvozdev, N.E. Starikov
266
The paper presents the results of research of influence of size and concentration of particles of natural layered serpentinite friction modifier obtained by a multistage technology of milling, magnetic separation and flotation, on the antiwear properties of the grease lubricant Litol-24. Discovered the emergence of local films as a result of interaction of active components of the serpentinite to the surface friction in places of setting of the second kind.
Key words: grease, serpentinite, dispersed particles, antifriction additives, friction, wear, lubrication.
Medvedev Victoria Valeryevna, postgraduate, vikamv@mail.ru, Russia, St. Petersburg, St. Petersburgpolytechnical university of Peter the Great,
Breki Alexander Dzhalyulyevich, candidate of technical sciences, docent, assistant manager department, head of the laboratory, albreki@yandex.ru, Russia, St. Petersburg, St. Petersburg polytechnical university of Peter the Great,
Krylov Nikolay Aleksandrovich, candidate of technical sciences, docent, assistant manager department, cry off@,mail.ru, Russia, St. Petersburg, St. Petersburg polytechnical university of Peter the Great,
Fadin Yury Aleksandrovich, doctor of technical sciences, head of the laboratory IPMASH of the Russian Academy of Sciences, fadinspb@yandex.ru, Russia, St. Petersburg, Institute ofproblems of engineering science of the Russian Academy of Sciences,
Alexandrov Sergey Evgenyevich, doctor of chemistry sciences, professor, head of the department, sevgalexandrov@gmail.com, Russia, St. Petersburg, St. Petersburg polytechnical university of Peter the Great,
Provotorov Dmitry Alekseevich, candidate of technical sciences, leading design engineer, pprodmyt@rambler.ru, Russia, Tula, LLC NPP Vulcan-TM,
Gvozdev Alexander Evgenyevich, doctore of technical sciences, professor, technolo-gy@,tspu.tula.ru, Russia, Tula, Tula state pedagogical university of L.N. Tolstoy,
Starikov Nikolay Evgenyevich, doctore of technical sciences, professor, assistant manager department, starikov_taii@,mail.ru, Russia, Tula, Tula state university
