РОЗРОБКА ТРіБОФіЗИЧНИХ ОСНОВ МАСТИЛЬНОї ЗДАТНОСТі РіДКОКРИСТАЛіЧНИХ ПРИСАДОК ДО БАЗОВИХ ОЛИВ Текст научной статьи по специальности «Компьютерные и информационные науки»

У статтi наведена модель трiбологiчноi системи при використанн ридких кристалiв в якостi присадок. Розроблена математич-на модель для визначення сили тертя i ттен-сивностi зношування трiбосистем. Наведем результати випробувань трiбосистем на машинах тертя при використанн ридкокри-сталiчних присадок в базових оливах

Ключовi слова: трiбосистема, базова олива, рiдкокристалiчна присадка, мастиль-

на здаттсть, тертя, зношування

□-□

В статье приведена модель трибологиче-ской системы при использовании жидких кристаллов в качестве присадок. Разработана математическая модель для определения силы трения и интенсивности изнашивания трибосистем. Приведены результаты испытаний трибосистем на машинах трения при использовании жидкокристаллических присадок в базовых маслах

Ключевые слова: трибосистема, базовое масло, жидкокристаллическая присадка,

смазочная способность, трение, изнашивание -□ □-

УДК 621.89

|DOI: 10.15587/1729-4061.2015.443891

РОЗРОБКА ТР1БОФ1ЗИЧНИХ ОСНОВ МАСТИЛЬНОТ ЗДАТНОСТ1 Р1ДКОКРИСТАЛ1ЧНИХ ПРИСАДОК ДО БАЗОВИХ ОЛИВ

С. В. Ворон i н

Кандидат техшчних наук, доцент Кафедра будiвельних, колтних та вантажно-розвантажувальних машин УкраТнський державний ушверситет залiзничного транспорту пл. Фейербаха, 7, м. Хармв, УкраТна, 61050 E-mail: voronin.sergey@inbox.ru

1. Вступ

При формуванш гранично! плiвки на поверхнях тертя первшним процесом е фiзична адсорбщя молекул мастильного матерiалу, як полярних, так й неполярних. Ще у першш половиш ХХ-го сторiччя Ф. Боуден, спираючись на власш дослiдження та до-слщження В. Гардi, запропонував подiляти шную-чi змащувальнi матерiали на таю, що не змiнюють коефiцiент тертя вщ зовнiшнього навантаження та таю, для яких коефвдент тертя зменшуеться на по-чатковому етапi, по мiрi зростання навантаження [1]. До останшх вiдносять спирти, жирнi кислоти та деяк iншi речовини. Мехашзм 1х змащувально! дii пов'язаний iз властивiстю утворювати на поверхнях тертя полiмолекулярну плiвку кристалiчноi будови, однак це не пояснюе отримано! рашше залежностi ко-ефiцiенту тертя вщ зовнiшнього навантаження. Якщо припустити, що такий характер тертя обумовлений шаруватою будовою гранично! плiвки, кожен з шарiв яко! мае власнi трiбологiчнi властивоси, тодi результати, отриманi Ф. Боуденом, В. Гардi та шшими, пояс-нюються низькою несучою здатшстю та високим ко-ефiцiентом тертя верхшх шарiв, а нижнi шари мають зворотнi властивостi. Вказаним вимогам вщповща-ють шари органiчних речовин у рiдкокристалiчному (РК) станi, особливо смектичного холестеричного та нематичного типу [2, 3]. Внаслщок високого ступеня впорядкованосп, щ шари мають значну несучу здат-нiсть, а тангенщальний зсув вiдбуваеться по мiжша-ровш границi де дiють малi Ван-дер-Ваальсовi сили, що робить перспективним використання РК речовин в якостi протизношувальних та антифрикцшних присадок до базових олив.

2. Аналiз лггературних даних та постановка проблеми

При використанш РК речовин в якост присадок актуальними завданнями трибологп постають: вста-новлення взаемозв'язку мiж фазовим станом рщ-кокристалiчноi присадки у неполярному розчиш та характеристиками процесу и фiзичноi адсорбцii на металевих поверхнях тертя; вивчення властивостей РК шарiв гранично'! плiвки, а саме '¿х товщини, не-сучо! здатноси, сил когезii та тертя. Таю завдання виршувались в рiзних роботах шляхом узагальнення фiзичних уявлень про фазовi перетворення РК присадок у водяних розчинах [2, 4], в неполярних вуглевод-невих розчинах [5, 6], розробки теоретичних основ фiзичноi адсорбцп РК присадок на поверхнях тертя [2, 7], а також розробки удосконалено! теорп граничного тертя, а саме його молекулярно! складово!, з ура-хуванням взаемодп РК шарiв гранично! плiвки [8]. Незважаючи на численну юльюсть робiт з вивчення трiбологiчних властивостей РК присадок, залиша-еться вщкритим питання науково обгрунтованого прогнозування характеристик тертя та зношування в трiбосистемах iз врахуванням фазового стану РК присадок в базових оливах. Таке прогнозування стане можливим за наявност фiзичних та теоретичних основ тертя та зношування в умовах застосування РК присадок. Вирiшенню таких питань присвячене дане дослщження.

3. Мета та задачi дослiдження

Метою дослщження е розробка трiбофiзичних основ мастильно! здатностi РК присадок на основi отри-

©

маних рашше закономiрностей змiни фазового стану присадки в базовш оливi.

Для досягнення поставлено'; мети були поставлен наступнi завдання:

- розробити модель дослщжувано' трiбосистеми, що враховуе функщональш зв'язки мiж характеристиками фазового стану присадки, трiбологiчними властивостями гранично'' плiвки РК будови та вих^-ними характеристиками трiбосистеми;

- розробити математичну модель для прогнозуван-ня тертя та зношування в трiбосистемах за рiзних умов контакту та навантаження;

- провести випробування трiбосистем на машинах тертя.

4. Модель трiбосистеми за наявностi РК присадок в оливi

При розробцi моделi дослiджуваноi трiбосистеми слiд встановити в загальному виглядi основнi функщональш залежностi, що дозволяють визначати вхщш та вихiднi параметри системи, а також параметри и внутрiшнього стану. Таю залежносп та зв'язок мiж го-ловними параметрами трiбосистеми наведет на рис. 1.

Головними характеристиками «входу», за рис. 1, е число агрегацп молекул присадки, розчинених в базовш олив^ параметр порядку молекул ПАР в агрегатах та ди-польний момент агрегату. Щ характеристики залежать вщ типу присадки, и концентрацп в розчинi та темпе-ратури. Такi характеристики дослщжувались в роботах [6, 7] де були отримаш наступнi базовi залежностк

зично' адсорбцii та розвитком шших ведучих процесiв, що протiкають при граничному мащенш, пропонуеться увести характеристику, що визначае властивост утво-рюваних вторинних структур при тертi. в роботах [6, 7] для цих характеристик отримаш наступш залежностк

р^ + - q-),

тх = —:-!-гг!- (

1

+ (х0 - х)2

х(х - хо)

^г2 + (хо - х)

=■) - 6пгц х,

(4)

L

"2пКе,

-

о +

L 5>

,/Г1^ 3ео(а2ЬпА)2/3Ь

= WT.

(5)

1х/2

А.

1 -

(1х/2)

(1х/2)

(6)

С„

- +1,

(1)

Залежнiсть (4) е математичною моделлю, що визначае час фiзичноi адсорбцii РК присадки, залежшсть (5) дозволяе визначати товщину РК шарiв гранично' плiв-ки, а залежшсть (6) встановлюе молекулярну складову питомо' сили тертя, яке вщбуваеться в РК шарах.

«Вихщ» трiбосистеми характеризуеться, в першу чергу, сумарною питомою силою тертя та штенсившстю зношування, якi залежать вiд «входу» трiбосистеми та визначаються через зв'язок мiж ним та «внутршшм станом».В подальшому, розглянемо 'х бiльш детально.

кТ

пареВ

L = еСЫ паревн ' kT

Р = L

Встановлено, що для впорядко ваних РК агрегатiв присадки пА>2; L—1, Р>2pi Для поодиноко' молеку-ли - мономеру пА=1 та L=1, тодi Р=рь Для димеру па=2, а L=0 внаслiдок вза-емно' компенсацii векторiв дипольних моментiв, тодi Р=0. Для сферично' мще-ли па>2, а L—0 внаслiдок взаемно' ком-пенсацп векторiв дипольних моментiв, тодi Р—»0. Тобто, фазовий стан присадки яюсно змшюе характеристики «входу» за рис. 1.

Головними характеристиками «вну-тршнього стану» трiбосистеми е час ф^ зично' адсорбцii рiдкокристалiчноi присадки та властивост гранично' плiвки, а саме: п поляризованiсть, локальне електричне поле в нш, товщина плiвки, несуча здатнiсть, сили когезп та тертя в шарах плiвки. Крiм того, для встанов-лення взаемозв'язку мiж процесом ф^

Рис. 1. Модель дослщжуваноТ трiбосистеми: сККА; сКкм; с — критична концентра^я асоцiацiТ, мiцелоутворення, поточне значення концентрацп присадки; Т — температура; пА — число агрегацп молекул ПАР в розчиы; р, Р —дипольний момент молекули та агрегату; Е, ЕП, — напруженють зовнiшнього поля та силового поля поверхш; ^ — динамiчна в'язкiсть змащувального матерiалу iз присадкою; рн, V — вщповщно, зовнiшнe навантаження та швидюсть; h — товщина граничноТ плiвки; 5 — час фiзичноТ адсорбцп агрегату; е — вiдносна дiелектрична проникнiсть граничноТ плiвки; FH — питома несуча здатысть шару граничноТ плiвки; Fк — питома сила когези мiж шарами граничноТ плiвки; Wr1, Wr2 — вiдповiдно, енерпя взаeмодiТ молекул в рiдкокристалiчному шарi плiвки, енергiя взаeмодiТ молекул сусщшх рiдкокристалiчних шарiв; ty — параметри кристалiчноТ решiтки шару граничноТ плiвки; т, тМЕХ, 2т — питома сила тертя в шарах граничноТ плiвки, мехашчна складова тертя, загальна питома сила тертя; RBт — параметр, що характеризуе розвиток вторинних структур; 1Н — лшшна iнтенсивнiсть зношування; а; Ra; tR — параметри поверхневого шару металу та

шорсткостi поверхнi

в

5. Математична модель для прогнозування тертя та зношування в тр1босистемах

Для отримання математичних моделей, що опи-сують силу тертя та штенсившсть зношування в трь босистемах, скористаемося наведеними вище залеж-ностями, а також загальноприйнятими тдходами в трибологп. Так, для опису загально'' сили тертя скористаемося тдходом, запропонованим в робот [9], однак з урахуванням тертя в РК шарах запишемо у вигляд1

Ь Т — трк + Тта + ТМЕХ,

або

Ь р — ^Трк + PSTтк +

(7)

(8)

де тРК, тТК, тМЕХ - питома сила тертя, вщповщно, в РК шар1, в твердому кристал1чному (ТК) шар1 та 11 меха-шчна складова, МПа; 2т - сумарна питома сила тертя, МПа; 2F - сумарна сила тертя, Н.

З урахуванням залежностей для сили тертя в шарах ТК або РК, залежшсть (7) прийме наступний вигляд:

Ьт —

1х/2

tx

(tx/2)

К^^^ 1

pEЛ cos(02)

(tx/2)

(Г. + ¿Г)2 Lp

1х/2

1 - Fкm1„tX

+ Т,

1 = 0,15 Н tR2 Н пп 2ЯН + 2ЬН-Н2'

де п - число цикл1в навантажень до в1дд1лення частин-ки зносу; Н - глибина занурення, м; Я - рад1ус закруг-лення, м; Ь - товщина гранично'' пл1вки, м.

Для пружно-пластичного контакту отримана на-ступна залежшсть, що враховуе загальну силу тертя,

1н " 2(v + 1)НВ

де чисельник розраховуеться по залежност1 (9).

Залежност (7)-(11) використовуються для прогнозування величин тертя та зношування в досль

джуванш тр1босистем1, однак для повного розкриття законом1рностей впливу РК присадок на тертя та зношування, а також з метою тдтвердження розроблених теоретичних основ сл1д виконати сер1ю випробувань на машинах тертя.

6. Випробування тр1босистем на машинах тертя

Випробування тр1босистем виконувались на модер-шзованш машиш тертя СМЦ - 2 та на чотирьохкуль-ковш машиш (ЧКМ) вщповщно до ГОСТ 9490-75. Модершзащя машини тертя полягала у запроваджен-ш частотно-регульованого приводу електродвигуна та зам1ш штатного самописця на компьютер1зований блок для вим1ру моменту тертя. Таю техшчш р1шен-ня дозволили плавно змшювати швидюсть ковзання контрольних зразюв, що випробовуються, а також тдвищити чутлив1сть вим1р1в моменту тертя. При дослвдженш сили тертя визначався момент тертя МТ, а питома сила тертя перераховувалась по залежностк

крА:

(12)

де Яр - рад1ус ролика, м.

При дослщженш процесу зношування зразюв визначався ваговий знос колодки, т, за певний час 5, а лшшна штенсившсть зношування визначалася як

I» —-

YAаLT ТАа^

(13)

де СРК, НРК - вщповщно, смектичний та нематич-ний РК.

Для встановлення аналогичного зв'язку м1ж штен-сившстю зношування та властивостями гранично'' пл1вки РК будови використаемо модел1 роботи [10]. Тод1 для пружного контакту де переважним видом е утомне зношування

(10)

(11)

де Ьт - шлях тертя, м; V - швидюсть ковзання ролика, м/с.

Результати випробувань наведеш на рис. 2, 3. Вста-новлено, що питома сила тертя зменшуеться 1з зб1ль-шенням концентрацп присадки (рис. 2, а), при цьому для стеариново'' кислоти кнуе область мшмуму сили тертя при концентращях близьких до ККМ. При ви-щих концентращях, без попередньо'' обробки електрич-ним полем, для такого типу присадок спостер1гаеться зростання штенсивност1 зношування (крив1 1 1 3), а з об-робкою - штенсившсть зношування продовжуе монотонно зменшуватися (крив1 2 1 4). Таю даш тдтверджу-ють результати попередшх дослвджень змши товщини гранично'' пл1вки в1д концентрацп, а також теоретич-ний зв'язок сили тертя 1з товщиною пл1вки у випадку, коли молекули присадки знаходяться у впорядковано-му р1дкокристал1чному сташ, що досягаеться обробкою зовшшшм електричним полем. Для трикомпонентно'' присадки м1шмуму сили тертя не спостер1гаеться (кри-в1 5 1 6), тобто присадка збер1гае впорядкований стан 1з максимальною поверхневою актившстю.

При зб1льшенш навантаження нелшшно зб1льшу-еться питома сила тертя (рис. 2, б). При використанш стеариново'' кислоти в якост присадки, по досягненш питомого навантаження 4 МПа, сила тертя починае стр1мко зростати (крив1 1 1 2), тобто зовшшне навантаження перевищило несучу здатшсть рщкокриста-л1чного шару. При використанш трикомпонентно'' присадки в дослщному д1апазош навантажень таке явище спостер1гаеться при б1льших навантаженнях (крив1 3 1 4).

0,06 0,05 0,04 0,03 0,02

0,20 0,14

0,08 0,02

____

-2

- ^ ~ ~ —\--v-

4 О" — -- ~-4 —

N

6-.

с-',

0 0,05 0,1 0,15 0,2 0,25 0,3 а

/ /

и

/Т и-

/ /

,5<

-

- =. УГПа

1---- - - Рн,

б

Рис. 2. Результати випробувань по встановленню питомоТ сили тертя: а — змша питомоТ сили тертя в парi «38Х2МЮА—БрАЖ 9-4» в залежносп вщ концентрацп

присадки при температурi оливи 60 °С, тиску 1 мПа, швидкосп 0,25 м/с; б — змша питомоТ сили тертя в парi

«38Х2МЮА—БрАЖ 9-4» в залежносп вщ тиску при температурi оливи 60 °С, концентрацп 0,3 % та швидкосп 0,25 м/с: 1 — И-20А+стеаринова кислота при ЕВН=0; 2 — те ж саме при ЕВН=0,25.106 В/м; 3 — осьова олива «Л»+стеаринова кислота при ЕВН=0; 4 — те ж саме при ЕВН=0,25.106 В/м; 5 — И-20А+трикомпонентна присадка;

6 — осьова олива «Л»+трикомпонентна присадка

1з зростанням концентрацп штенсившсть зношу-вання нелiнiйно зменшуеться. Так при змт концентрацп стеариновое кислоти до 0,3 % штенсившсть зно-шування зменшуеться в 4...4,5 рази в умовах змши фазового стану присадки шд дiею зовнiшнього елек-тричного поля (рис. 3, а), (кривi 1 i 2). Аналопчний результат отриманий для трикомпонентноi присадки (рис. 3, а), кривi 3 i 4), однак, в даному випадку елек-тричне поле не застосовувалось. На рис. 3, б наведеш результати змши штенсивносп зношування в залежно-стi вiд швидкосп ковзання при зберiгання ступеня на-вантаженостi випробуваних пар тертя. Встанов-лено, що при концентрашях стеариновсЯ кислоти менших за ККМ по досягненню швидкостi 0,2 м/с штенсившсть зношування швидко зростае.

Проведеними випробуваннями встановле-но, що iз зростанням концентрацп стеариновое кислоти зменшуються дiаметр плями зносу dИ та шдекс задиру ИЗ, збiльшуеться критичне навантаження РКР, а при подальшому збоь-шеннi концентрацп цi показники змшюються зворотно (кривi 1 i 2). При застосуванш обробки зовнiшнiм електричним полем зворотнш хiд кривих при концентрашях бiльших за ККМ вщсутнш (кривi 3 i 4). Встановлено, що концен-трацiя присадки найбшьше впливае на дiаметр плями зносу (рис. 4, а), шж на шдекс задиру (рис. 4, б). Зважаючи на отримаш результати

можна рекомендувати випробуваш присадки в яко-ст1 протизношувальних та антифрикщйних для пар тертя ковзання.

6 V, м/с 0,55 0,7 0,85

б

Рис. 3. Результати випробувань по встановленню штенсивносп зношування: а — Змша штенсивносп зносу пари «38Х2МЮА—БрАЖ 9-4» в залежносп вщ зовнiшнього навантаження при Т=60 оС, с=0,2 % та швидкосп 0,25 м/с: 1 — И-20А+стеаринова кислота при Евн=0,25. 106 В/м; 2 — осьова олива «Л»+стеаринова кислота при ЕВН=0,25.106 В/м; 3 — И-20А+трикомпонентна присадка; 4 — осьова олива «Л»+трикомпонентна присадка; б — Змша штенсивносп зносу колодки в залежносп вщ швидкосп ковзання при температурi 60 оС оливи И-20А iз стеариновою кислотою та Евн= 0,25106 В/м: 1 - колодка бронза ЛЦ14К3К3, концентращя присадки с=0,1 %; 2 — те ж саме при концентрацп присадки с=0,3 %; 3 — колодка бронза Бр04Ц4С17, концентращя присадки с=0,1 %; 4 — те ж саме при концентрацп присадки с=0,3 %; 5 — колодка бронза БрАЖ 9-4, концентращя присадки с=0,1 %; 6 — те ж саме при концентрацп присадки с=0,3 %

а б

Рис. 4. Результати випробувань на машин ЧКМ: а — змша дiаметру

плями зносу; б — змша шдексу задиру; 1 — И-20А+ стеаринова кислота ЕВН=0; 2 — осьова Л+стеаринова кислота ЕВН=0; 3 i 4 — те ж саме ЕВН= 0,25.106 В/м; 5 — И-20А+трикомпонентна присадка ЕВН=0; 6 — осьова Л + трикомпонентна присадка ЕВН=0

а

1з зростанням концентрацп штенсившсть зношування нелшшно зменшуеться. Так при змж концентрацп стеариново' кислоти до 0,3 % штенсившсть зношування зменшуеться в 4...4,5 рази в умовах змши фазового стану присадки тд дiею зовшшнього елек-тричного поля (рис. 3, а), (^rni 1 i 2). Аналогiчний результат отриманий для трикомпонентно' присадки (рис. 3, а), ^Mi 3 i 4), однак, в даному випадку елек-тричне поле не застосовувалось. На рис. 3, б наведеш результати змши штенсивност зношування в залеж-ност вщ швидкостi ковзання при збер^ання ступеня навантаженостi випробуваних пар тертя. Встанов-лено, що при концентращях стеариново' кислоти менших за ККМ по досягненню швидкостi 0,2 м/с штенсившсть зношування швидко зростае.

Проведеними випробуваннями встановлено, що iз зростанням концентрацп стеариново' кислоти зменшуються дiаметр плями зносу dИ та шдекс задиру Из, збiльшуеться критичне навантаження РКР, а при подальшому збiльшеннi концентрацiï цi показники змшюються зворотно (кривi 1 i 2). При застосуванш обробки зовнiшнiм електричним полем зворотнш хiд кривих при концентращях бшьших за ККМ вщсутнш (кривi 3 i 4). Встановлено, що концентращя присадки найбiльше впливае на дiа-метр плями зносу (рис. 4, а), шж на шдекс задиру (рис. 4, б ). Зважаючи на отримаш результати можна

рекомендувати випробуваш присадки в якоси про-тизношувальних та антифрикцшних для пар тертя ковзання.

7. Висновки

1. Наведена модель трiбосистеми в якш запропо-нованi функцiональнi залежносп, що пов'язують мiж собою головш параметри фазового стану РК присадки на «входЬ> iз головними параметрами «внутршнього стану» системи та вихщними параметрами, а саме загальною силою тертя та лшшною iнтенсивнiстю зношування в трiбосистемi.

2. На основi встановлених ранiше закономiрностей розроблена математична модель для прогнозування сили тертя та штенсивност зношування в трiбосис-темi з урахуванням фазового стану РК присадки в базовш олив^ процесу фiзичноï адсорбцiï агрегапв присадки та трiбологiчних властивостей РК шарiв гранично' плiвки.

3. Випробуваннями трiбосистем на машинах тертя встановлеш закономiрностi змiни питомо' сили тертя та штенсивносп зношування в залежност вiд концентрацп та фазового стану присадки в базовш олив! Доведена дощльшсть використання РК речовин в якост протизно-шувальних та антифрикцшних присадок до олив.

Лиература_

1. Ахматов, A. C. Молекулярная физика граничного трения [Текст] / А. С. Ахматов. - М.: Физматгиз, 1963. - 472 с.

2. Березина, Е. В. Молекулярное моделирование процесса формирования граничного смазочного слоя. Т. 2 [Текст]: Матер. межи дунар. науч.-прак. школы-конф. / Е. В. Березина, В. А. Годлевский, С. А. Жуковский, А. С. Павлов // «Славянтрибо - 7а». -СПб: Пушкин, 22-25 сент., 2006. - С. 112-116.

3. Ермаков, С. Ф. Трибология жидкокристаллических наноматериалов и систем [Текст] / С. Ф. Ермаков. - Минск: Беларус. навука, 2011. - 380 с.

4. Казначеев, A. B. Флексоэлектрический эффект в двухосных нематиках [Текст] / А. В. Казначеев, А. С. Сонин // Кристаллография. - 1988. - Т. 33, Вып. 1. - С. 252-253.

5. Evans, G. T. Viscosity coefficients of nematic hard particle fluids [Text] / G. T. Evans // The Journal of Chemical Physics. - 1998. -Vol. 108, Issue 3. - P. 1089-1093. doi: 10.1063/1.475470

6. Ворошн, С. В. Вплив фазового стану присадки на товщину рщкокристашчних шар1в гранично!' пшвки [Текст] / С. В. Ворошн // Зб1рник наукових праць УкрДАЗТ. - 2015. - Вип. 151, Т. 2. - С. 56-62.

7. Лысиков, Е. Н. Влияние наноструктур присадки на трение и износ в технических системах [Текст]: матер. VIII междун. симпозиума / Е. Н. Лысиков, С. В. Воронин // Фундаментальные и прикладные проблемы науки. Том 1.- М.: РАН, 2013. -С. 143-151.

8. Voronin, S. V. The research of tribological characteristics of smectic layer of boundary film [Тех^ / S. V. Voronin, V. O. Stefanov // Проблеми трибологп': м1жнар. наук. журн. - 2014. - № 2(72). - С. 58-64.

9. Фукс, Г. И. Адсорбция и смазочная способность масел [Текст] / Г. И. Фукс // Трение и износ. - 1983. - Т. 4, № 3. - С. 398-412.

10. Крагельский, И. В. Трение и износ [Текст] / И. В. Крагельский. - М.: Машиностроение, 1968. - 480 с.