Создание перспективных смазочных материалов Для использования в пожарной технике Текст научной статьи по специальности «Химические технологии»

УДК 669.058

СОЗДАНИЕ ПЕРСПЕКТИВНЫХ СМАЗОЧНЫХ МАТЕРИАЛОВ ДЛЯ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ В ПОЖАРНОЙ ТЕХНИКЕ

В.П. Зарубин, В.В. Киселев, А.А. Покровский

Повышение надежности пожарной техники является важной хозяйственной задачей. Чаще всего детали пожарных автомобилей подвержены интенсивному износу под действием различных отрицательных факторов. Разработан универсальный наполнитель масел и смазок, используемых в пожарной технике. Представлены результаты экспериментальных исследований по изучению влияния разработанного наполнителя с нанопорошками искусственно полученных серпентинов на основные триботехнические характеристики смазок. Применение в качестве наполнителя такого порошка положительно влияет на триботехнические свойства смазок, что способствует повышению надежности пожарной техники.

Ключевые слова: смазка, трение, износ, пожарная техника.

Введение. Снижение износа современной пожарной техники, т.е. увеличение срока её службы, а также повышение интенсивности работы является приоритетными задачами современной трибологии. Пожарные автомобили по сравнению с автомобилями общего назначения в народном хозяйстве эксплуатируются в среднем более интенсивно. Износ парка аварийно-спасательной и пожарной техники в ряде регионов России достигает 70 %. Поддержание имеющейся пожарной техники в исправном состоянии, проведение ее ремонта и технического обслуживания требуют больших материальных затрат. Средний годовой пробег пожарных автомобилей составляет около 12 000 км, что приводит к необходимости уделять повышенное внимание тем узлам и механизмам, которые определяют работоспособность автомобиля в целом. Эти узлы изнашиваются быстрее, чаще вызывают необходимость проведения текущих ремонтов.

Самым простым и эффективным способом решения данных проблем является использование смазочных материалов, которые должны не только защищать механизм от износа и коррозии, но и снижать потери от трения, обладать моющими свойствами, удерживать во взвешенном состоянии нерастворимые частицы нагара и продукты износа трущихся пар, продукты неполного сгорания

топлива и т.д. Однако в некоторых случаях в зависимости от условий и продолжительности эксплуатации свойств обычных масел недостаточно. Для увеличения эффективности в масла добавляют специальные присадки.

В последние годы в качестве наполнителя масел и смазок широко используется порошок измельченного природного серпентина. Природный серпентин - геомодификатор трения (ГМТ) содержит в виде примесей большое количество оксидов и других компонентов (алюминий, железо, никель, кремний, магний, асбест, шамот, базальт и др.), роль которых в зоне трения является неоднозначной. К недостаткам такого наполнителя можно отнести большой разброс по содержанию примесей и гранулометрическому составу измельченного минерала, присутствие в составе крупных твердых частиц, что может привести к абразивному износу антифрикционных сплавов.

Большинство производителей, выпускающих металлокерамические восстановители в качестве наполнителя к маслам и смазкам, применяют природный серпентин и его разновидности. Основным недостатком при этом является сложность измельчения минерала. А это значит, что часть наполнителя может задерживаться фильтрами, а, попадая в зазоры трущихся поверхностей, крупные частицы минерала работают как абразивные. Как следствие

применения таких наполнителей - высокие значения интенсивности изнашивания - 3,2-5,2 мкм/км и высокие значения коэффициентов трения - 0,08-0,16.

Постановка задачи. Вышеизложенное предопределило основные цели и задачи данной работы, а именно разработку универсальной триботехнической добавки к маслам и смазкам на основе применения искусственного

геомодификатора трения для использования в пожарной технике.

Не отрицая положительную роль порошка природного серпентина как наполнителя, важной задачей, поставленной в данной работе, является разработка порошка искусственного серпентина, лишенного недостатков природного, который, являясь его аналогом с частицами наноразмеров, может стать универсальным наполнителем масел и смазок.

Серпентин представляет собой слоистую разновидность гидросиликатов магния с общей формулой Mg3Si2O5(OH)4. Он может быть синтезирован с применением геля кремниевой кислоты и соединений магния (растворимыми и не растворимыми).

Золь-гель технология является основным методом синтеза антигорита различной степени дисперсности и большей степени чистоты, чем природный.

Вторым способом получения искусственного

серпентина является гидротермальный синтез. Такой способ получения смазочной композиции включает обработку смеси гидроокиси магния Mg(OH)2 и кремнийорганического эфира при температуре свыше 300 0С и давлении свыше 3,5 МПа.

Методика проведения эксперимента.

Исследование триботехнических характеристик разработанных добавок проводилось на машине для испытания материалов на трение и износ модели СМТ-1 (рис. 1).

При исследовании износостойкости образца в присутствии разработанной триботехнической добавки были выбраны усредненные режимы трения, применительно к режимам работы большинства узлов трения машин и аппаратов: скорость скольжения составляла 1 м/с; нагрузка повышалась ступенчато до резкого увеличения момента трения; смазочная композиция вводилась в зону трения капельным способом 8-10 капель в минуту.

Поскольку, как известно из ранних работ, геомодификатор трения (ГТМ) организует на поверхностях контакта слой с повышенной микротвердостью, было исследовано изменение микротвердости поверхностного слоя образцов при изнашивании.

Размер частиц синтезированного минерала, определяли с помощью лазерного дисперсионного анализатора микрочастиц «Апа^ейег 22».

Рис. 1. Упрощенная схема узла трения машины СМТ - 1: 1 - нижний (вращающийся) вал; 2 - верхний (неподвижный) вал; 3 - нагружающее устройство; 4 - образец; 5 - контртело.

Технология приготовления смазочного материала. Для синтеза силикатов магния по растворной технологии в качестве исходных материалов использовались этилсиликат - 32 и шестиводный нитрат магния Mg(NO3)2 • 6Н2О (ГОСТ 11088 - 64).

Гидролиз ЭТС-32 проводили под тягой при комнатной температуре (18...22 0С), в качестве катализатора использовали концентрированную соляную кислоту.

Гидролиз происходил ступенчато по следующей схеме:

1. Готовился раствор соляной кислоты, исходя из количества 0,1 мл 0,2М HCl и 0,63 мл дистиллированной воды.

2. При интенсивном перемешивании к раствору HCl добавляется ЭТС-32 в количестве 4,3 мл и проводится гидролиз.

Исследования показали, что гидролиз проходил полностью в течение суток; при этом образуется объемная пространственная структура геля.

Так как соль магния Mg(NO3)2 6Н2О является растворимым кристаллическим веществом, в работе для синтеза серпентина использовали

раствор этой соли. С этой целью 100 г навески шестиводного нитрата магния (химически чистого) растворяли в 110 мл дистиллированной воды при тщательном перемешивании. Далее проводили титрование раствора раствором трилона Б с молярной концентрацией Ст = 0,05463 М для определения титра MgO в растворе соли.

Количество соединяемых веществ определяли с учетом получения пяти грамм серпентина. Молярная масса серпентина составляет M (Mg3Si2O5(OH)4) = 277,087 г/моль. Таким образом, в 277,087 граммах серпентина (Mg3Si2O¡(OH)4) содержится 120,915 грамм оксида магния (MgO). Количества оксида магния в 5 граммах серпентина (Mg3Si2O5(OH)4) определяли составлением пропорции.

277,087 гр (Mg3Si2O5(OH)4) - 120,915 гр

5 гр (MgзSi2O5(OH)4) - Х1 Таким образом, решая пропорцию, определили:

Х1 = 5 • 120,915 / 277,087 = 2,18 гр. В данной работе для получения серпентина использовали соль магния (Mg(NO3)2 • 6Н2О). Объем соли, необходимый для получения серпентина, нашли из равенства:

К(соли) = Х1 / Т(MgO) = 2,18 / 0,1 = 21,8 мл (Щ^3)2 • 6Н2О).

Зная молярную массу серпентина, определили, что 277,087 гр серпентина содержит 120 гр оксида кремния SiO2. Таким образом, составив пропорцию, определили, сколько грамм оксида кремния содержится в 5 гр серпентина: 277,087 гр ^^^^^^ - 120 гр SiO2

5 гр (MgзSi2O5(OH)4) - Х2 гр SiO2 Х2 = 5 • 120 / 277,087 = 2,17 гр Так как для получения серпентина в данной работе использовали ЭТС - 32, то пропорцией определили его количество для получения 5 г серпентина:

100 гр ЭТС - 32 содержит 32 гр SiO2 у1 гр ЭТС - 32 содержит 2,17 гр SiO2 у1 = 2,17 • 100 / 32 = 6,78 гр. Таким образом, объем ЭТС - 32 составил: К(ЭТС - 32) = 6,78 мл.

Результат расчетов показал, что для получения 5 г серпентина необходимо смешать 21,8 мл соли магния и 6,78 мл ЭТС - 32. Смесь из расчетного количества веществ тщательно перемешивалась, и для полного прохождения гидролиза оставлялась на семь дней.

Результаты испытаний разработанных триботехнических добавок. Исследование влияния серпентина на триботехничские свойства масел и смазок проводили на основе индустриального масла И - 20. Из литературных данных известно, что количество наполнителя к маслам в среднем составляет 12,5 %. Для исследования полученного наполнителя в данной работе первоначальные испытания проводили с количеством 10 %. Смазочную композицию вводили в зону трения капельным способом 8-10 капель в минуту.

На рисунках 2-5 представлено изменение основных триботехнических показателей базового масла И-20 после введения в него порошка искусственного и природного серпентина.

я

а

S

Я К

•е •е

со о

0,2

0,15

0,1

0,05

4

Давление, МПа

Рис. 2. Зависимость коэффициента трения от давления. ▲ Для базового масла И-20 без наполнителей. ■ Для масла И-20 с 10 % наполнителя (серпентин искусственный). ♦ Для масла И-20 с 10 % наполнителя (серпентин природный).

0

2

3

5

6

2 3 4 5 6

Давление, МПа

Рис. 3. Зависимость интенсивности изнашивания от давления. ▲ Для базового масла И-20 без наполнителей. ■ Для масла И-20 с 10 % наполнителя (серпентин искусственный). ♦ Для масла И-20 с 10 % наполнителя (серпентин природный).

Давление, МПа

Рис. 4. Зависимость температуры образца от давления. ▲ Для базового масла И-20 без наполнителей. ■ Для масла И-20 с 10 % наполнителя (серпентин искусственный). ♦ Для масла И - 20 с 10 % наполнителя (серпентин природный).

5 Ö

о К

X

а

ё я § §

Л

Н и о s

а к

^ о СР ср

<и к я н

о

6

16000 14000 12000 10000 8000 6000

4000 -Н Н 2000 0

0

2

3

4

5

Давление, МПа

Рис. 5. Зависимость микротвердости поверхности трения от давления. И Для базового масла И-20 без наполнителей.

3 Для масла И-20 с 10 % наполнителя (серпентин искусственный). ДГ1 Для масла И-20 с 10 % наполнителя (серпентин природный).

Анализируя триботехнические зависимости на графиках 1-4 влияния серпентина в качестве наполнителя в масле И-20, можно сделать выводы:

Добавление 10 % наполнителя - серпентина, и искусственного, и природного приводит к улучшению триботехнических свойств базового масла И-20.

Коэффициент трения в присутствии искусственного наполнителя уменьшается в 1,7-20 раз, а в присутствии природного - в 1,1-1,2 раза, в зависимости от давления.

Добавление наполнителя - искусственного серпентина приводит к снижению интенсивности изнашивания образцов в 2-4 раза. А добавка природного серпентина приводит к увеличению интенсивности изнашивания на малых нагрузках в 1,5-4 раза и к снижению интенсивности изнашивания на больших нагрузках, в 1,1-3 раза.

Снижение коэффициента трения приводит к снижению температуры образца. В зависимости от давления температура снижается на 10-20 0С.

В процессе работы на поверхностях трения образуется слой с повышенной микротвердостью. Микротвердость поверхности трения, в зависимости от давления, увеличилась в 2-3 раза.

Добавление наполнителя - искусственного серпентина - приводит к улучшению триботехнических характеристик базового масла во всем диапазоне исследованных давлений (от р = 2 МПа до р = 6 МПа). Диапазон рабочих давлений у природного серпентина равен 4-5 МПа. При этих давлениях наполнитель проявляет себя как антифрикционный материал, при других давлениях

Библиографический список

1. Киселев В.В., Топоров А.В., Пучков П.В.

Перспективы применения магнитожидкостных устройств в пожарной и аварийно-спасательной технике / В.В. Киселев, А.В. Топоров, П.В. Пучков // Научные и образовательные проблемы гражданской защиты. -2010. - № 2. - С. 63-64.

2. Киселев В.В., Топоров А.В., Пучков П.В. Повышение надежности пожарной техники применением модернизированных смазочных материалов /В.В. Киселев, А.В. Топоров, П.В. Пучков // Научные и образовательные проблемы гражданской защиты. - 2010. - № 3. - С. 24-28.

3. Киселев В.В., Полетаев В.А. Исследование триботехнических характеристик металлосодержащих присадок к маслам, используемым в электрических машинах / В.В. Киселев, В.А. Полетаев // Вестник ИГЭУ. - 2011. - Вып. 2. - С. 65-67.

4. Зарубин В.П. Перспективы применения нанопорошков силикатов в смазочных материалах, используемых в пожарной технике /В.П. Зарубин [и др.]// Пожаровзрывобезопасность. - 2013. - Т. 22. - № 5. - С. 65-69.

5. Киселев В.В. Перспективы применения нанопорошков силикатов в смазочных материалах, используемых в аварийно-спасательной и пожарной технике / В.В. Киселев [и др.] // Научные и образовательные проблемы гражданской защиты. -2015. - № 3. - С. 38-46.

коэффициент трения и интенсивность изнашивания превышают соответствующие триботехнические параметры базового масла.

Выводы. В ходе проведенных экспериментальных исследований были получены устойчивые к седиментации смазочные композиции на основе индустриального масла И-20А.

Анализ результатов триботехнических испытаний показал, что, внедряясь в поверхность трения, наночастицы порошка искусственного серпентина, образуют слой с повышенной микротвердостью. Повышенная микротвердость оказывает непосредственное влияния на снижение интенсивности изнашивания и, как следствие, продления срока службы узла трения. Сравнивая характеристики смазочного материала,

содержащего природный и искусственный серпентин, большее внимание стоит уделить именно искусственному наполнителю, так как его добавка в большей степени снижает коэффициент трения, значительно снижает интенсивность изнашивания, существенно расширяет диапазон рабочей нагрузки.

Разработанная добавка химически нейтральна ко всем видам минеральных и полусинтетических масел отечественного и импортного производства. Добавка не задерживается системами фильтров, не способствует коррозионным процессам. Она может найти широкий круг применения в пожарной технике. Не последним достоинством присадки является простота в применении и относительная дешевизна в изготовлении.

References

1. Kiselev V.V., Toporov A.V., Puchkov P.V.

Perspektivy primenenija magnitozhidkostnyh ustrojstv v pozharnoj i avarijno-spasatel'noj tehnike / V.V. Kiselev, A. V. Toporov, P. V. Puchkov //Nauchnye i obrazovatel'nye problemy grazhdanskoj zashhity. - 2010. - № 2. - S. 6364.

2. Kiselev V. V., Toporov A. V., Puchkov P. V.

Povyshenie nadezhnosti pozharnoj tehniki primeneniem modernizirovannyh smazochnyh materialov / V.V. Kiselev, A. V. Toporov, P. V. Puchkov // Nauchnye i obrazovatel'nye problemy grazhdanskoj zashhity. - 2010.

- № 3. - S. 24-28.

3. Kiselev V.V., Poletaev V.A. Issledovanie tribotehnicheskih harakteristik metallosoderzhashhih prisadok k maslam, ispol'zuemym v jelektricheskih mashinah / V.V. Kiselev, V.A. Poletaev // Vestnik IGJeU.

- 2011. - Vyp. 2. - S. 65-67.

4. Zarubin V.P. Perspektivy primenenija nanoporoshkov silikatov v smazochnyh materialah, ispol'zuemyh v pozharnoj tehnike / V.P. Zarubin [i dr.]// Pozharovzryvobezopasnost'. - 2013. - T. 22. - № 5. - S. 65-69.

5. Kiselev V. V. Perspektivy primenenija nanoporoshkov silikatov v smazochnyh materialah, ispol'zuemyh v avarijno-spasatel'noj i pozharnoj tehnike / V.V. Kiselev [i dr.] // Nauchnye i obrazovatel'nye problemy grazhdanskoj zashhity. - 2015. - № 3. - S. 3846.

THE DEVELOPMENT OF ADVANCED LUBRICANTS FOR USE IN FIREFIGHTING EQUIPMENT

Improving the reliability of fire-fighting equipment is an important economic task. Most often the details of fire-fighting vehicles are subject to intense wear under the action of various negative factors. Developed universal filler oils and greases, used in fire equipment. The results of experimental studies on the influence of developed filler with artificially produced nanopowders of the serpentine on the main tribological properties of lubricants. The application of the filler such a powder, has a positive effect on tribological properties of lubricants, which improves the reliability offire-fighting equipment.

Keywords: seal, magnetic fluid, friction, fighting equipment.

Зарубин Василий Павлович,

старший преподаватель, к.т.н., доцент,

Ивановская пожарно-спасательная академия ГПС МЧС России, Россия, Иваново. Zarubin V.P.,

Chief Lecturer, Cand. Tech. Sci., Assoc. Prof.,

Ivanovo Fire Rescue Academy of State Firefighting Service of EMERCOM of Russia, Russia, Ivanovo.

Киселев Вячеслав Валериевич,

начальник кафедры, к.т.н., доцент,

Ивановская пожарно-спасательная академия ГПС МЧС России,

Россия, Иваново.

e-mail: [email protected].

Kiselyov V.V.,

Head of the Department, Cand. Tech. Sci., Assoc. Prof.,

Ivanovo Fire Rescue Academy of State Firefighting Service of EMERCOM of Russia, Russia, Ivanovo.

Покровский Аркадий Алексеевич,

доцент, к.т.н.,

Ивановская пожарно-спасательная академия ГПС МЧС России,

Россия, Иваново.

Pokrovsky A.A.,

Assoc. Prof., Cand. Tech. Sci.,

Ivanovo Fire Rescue Academy of State Firefighting Service of EMERCOM of Russia, Russia, Ivanovo.

© Зарубин В.П., Киселев В.В., Покровскими А.А., 2016