CC BY
68
Experimental researches and the analysis of toxicity of the fulfilled gases atmospheric and supercharged engines ZMZ-406 are made with a glance of currently in force regulations on the emissions of harmful substances in the exhaust gases. Experiment was made at the stand pro-viding possibility of connection of the turbo-supercharging system to the atmospheric engine. For definition of indicators of the engine work the program of computer diagnostics «Motor-scan» and gas analyzer ASCON 02 was used.
Key words: internal combustion engine, experimental researches, toxicity of the fulfilled gases.
Avdeev Dmitry Viktorovich, student, dmitriy. avdeev94@yandex. ru , Russia, Tula, the Tula state university,
Khmelev Roman Nikolaevich, doctor of technical sciences, professor, aiahayandex. ru , Russia, Tula, Tula State University
УДК 621.2.082.18
ВЛИЯНИЕ СМАЗОЧНОГО КОМПОЗИЦИОННОГО МАТЕРИАЛА С НАНОЧАСТИЦАМИ ДИСЕЛЕНИДА ВОЛЬФРАМА НА ТРЕНИЕ
В ПОДШИПНИКАХ КАЧЕНИЯ
А. Д. Бреки, В.В. Медведева, Ю.А. Фадин, О.В. Толочко,
Е.С. Васильева, Н.Н. Сергеев, Д.А. Провоторов, А.Е. Гвоздев, Н.Е. Стариков, Ю.Е. Титова
Представлены результаты исследования влияния наночастиц диселенида вольфрама на трение в радиальных подшипниках лёгкой серии, смазываемых жидким смазочным материалом. Для создания жидкого смазочного композиционного материала были использованы полученные методом газофазного синтеза пластинчатые нано-частицы диселенида вольфрама размером 60х5 нм.
Ключевые слова: жидкие смазочные композиции, дихалькогениды вольфрама, наночастицы, газофазный синтез, трение, износ.
Подшипники качения служат опорами для валов и вращающихся осей и работают в условиях преобладающего трения качения [1, 2]. Они воспринимают радиальные и осевые нагрузки, приложенные к валу, и сохраняют заданное положение оси вращения вала. Во избежание снижения КПД механизма потери на трение в подшипниках качения должны быть минимальными. Подшипники качения применяются в электродвигателях, автомобилях, тракторах и металлорежущих станках, в сельскохозяйственных и бумагоделательных машинах, в насосах, буксах вагонов, комбайнах и редукторах, центрифугах и прокатных станах, домкратах и других механизмах и машинах. Ущерб, связанный с потерями на трение, представляется весьма существенным, в связи с таким многообразием областей применения подшипников качения в различных отраслях российской экономики.
171
В связи с интенсификацией нагрузок и скоростей в современных машинах и механизмах, а также в связи с их развитием и усложнением возникает необходимость снижения потерь на трение в подшипниковых узлах.
Для снижения энергетических потерь на трение в подшипниках, смазываемых маслами, наряду с жидкими присадками, используются высокодисперсные добавки твёрдых смазочных веществ. Хорошими добавками для уменьшения энергетических потерь на трение, имеющими слоистую структуру, являются такие вещества, как графит, дисульфид молибдена, тетраборат натрия, хлорид кадмия, нитрид бора, иодид свинца, хлорид кобальта, сульфат серебра и стеарат цинка. Широкое использование имеют также сульфиды тяжёлых металлов, селениды и теллуриды [3]: мо82, WSe2, МЬ82, МЬ8е2, Та82, Та8е2. В большинстве случаев они имеют слоистую гексагональную структуру, хорошие антиокислительную и химическую стабильность и электропроводимость и применяются в виде порошков, суспензий, золей и антифрикционных лаковых покрытий. Данные высокоанизотропные материалы обладают различной прочностью на срез в разных направлениях кристаллической решётки. Частицы твёрдых смазочных материалов взаимодействуют с поверхностями деталей и в процессе трения ориентируются базовыми плоскостями кристаллитов почти параллельно направлению скольжения, что обеспечивает срез частиц вдоль плоскостей спайности под воздействием тангенциальных сил. Именно в этом направлении сопротивление срезу незначительно, что и объясняет механизм смазочного действия твёрдых смазочных веществ. Известно, что коллоидные дисперсии твёрдых смазочных материалов проявляют проти-возадирные, противоизносные, антифрикционные и антипиттинговые свойства [4].
Целью настоящей работы является оценка влияния на трение в подшипниках качения смазочных композиционных материалов с матрицей из минерального смазочного масла «МС-20» и наполнителем из полученных методом газофазного синтеза пластинчатых наночастиц диселенида вольфрама с размером 60х5нм в различных концентрациях.
Исследование влияния смазочных композиций на трение в подшипниках качения было реализовано на стенде ДМ-28М (рис.1) [5, 6].
Установка позволяет определять характеристики трения покоя, а также проводить испытания при частоте вращения вала от 0 до 1000 об/мин. Суммарная нагрузка на подшипники в данной испытательной установке лежит в пределах от 0 до 8000 Н.
Смазывание испытуемых подшипников осуществляется при нормальном уровне масла (центр нижнего тела качения).
Для реализации исследований влияния жидких смазочных композиций на трение в подшипниках качения выбрали шариковые радиальные однорядные подшипники 208-й серии.
Винт дпя
нагруженпя подшипников
Г
Динамометр
Головка с
испытуемыми
подшипниками
Шприц и трубка дпя заполнения головки маслом
- Банна с маслом для снижения колебаний груза
Прибор для измерения частоты вращения вапа
Реостат дпя изменения частоты вращения
Шкала дпя измерения Ограничитель момента трения
Рис. 1. Внешний вид установки ДМ-28М
Ряд нагрузок на узел трения при испытаниях имеет следующий вид: {Р..} = {500Н ;1000Н ;2000Н ;4000Н ;8000Н }.
Ряд частот вращения вала при испытаниях имеет следующий вид:
{п_} = {0 ;100———-;300—— ;400-—^ 1.
[ мин мин мин мин мин
Количество повторных измерений момента трения в границах одной серии испытаний равно 10. Средняя температура в узле трения поддерживалась на уровне 30 0С во всех сериях испытаний.
Графики зависимости момента трения в подшипниковом узле от нагрузки при фиксированных частотах вращения для базового масла МС-20 приведены на рис. 2.
На основании анализа полученных данных зависимость момента трения от нормальной нагрузки на подшипники и частоты вращения вала можно приблизительно выразить следующей функцией:
Т(Р,п) = 5,8 -10 6 • Р2 - 0,0054 • Р +1,5 • п +172,
(1)
где Т - момент трения; Р - нагрузка на узел трения; п - частота вращения.
Из полученных зависимостей видно, что при использовании базового смазочного масла МС-20 приращение момента трения с увеличением частоты вращения вала происходит равномерно.
Графики зависимости момента трения от нормальной нагрузки на подшипники при испытаниях смазочных композиций с наночастицами ди-селенида вольфрама приведены на рис. 3.
Зависимости момента трения от нагрузки на узел трения и частоты вращения вала при различных концентрациях наночастиц имеют вид
T(F,n) |с=0 5% = 7 • 10-6 • F2 - 0,018 • F +1,2 • n + 210,
T(F,n) |с=1% = 6,2 • 10-6 • F2 -0,006• F +1,5 • n +140,
(2)
Л-6 Г-2
T(F,n) |с=2%=2,6 • 10_и • F^ + 0,022 • F +1,2 • n +139,
62
T(F,n) |с=4% = 6,5 • 10 • F* -0,013 • F +1,5 • n +180.
Нормальная нагрузка [F, Н)
Рис. 2. Зависимости момента трения от нормальной нагрузки на подшипники при испытаниях базового масла МС-20
Из полученных зависимостей так же, как и в случае с базовым маслом, видно, что приращение момента трения с увеличением частоты вращения вала происходит относительно равномерно при различных концентрациях наночастиц диселенида вольфрама.
При нулевой нагрузке на узел (в процессе трения действует только собственный вес подшипников и обоймы) в режиме трения покоя (фиксируется максимальный момент, после которого начинается движение) наблюдается снижение момента трения на 10 % при любой выбранной концентрации диселенида вольфрама. С увеличением частоты вращения вала при ненагруженном узле происходит повышение момента трения, причём смазочные композиции при различных концентрациях Ш8е2 снижают момент трения относительно базового масла МС-20 на значения в интервале 1...12 %.
При максимальной нагрузке 8000 Н на узел в режиме трения покоя наблюдается снижение момента трения в интервале 6.24 %, причём чем больше концентрация наночастиц Ш8е2, тем на больший процент снижается момент трения. С увеличением частоты вращения вала при нагруженном узле происходит повышение момента трения, причём смазочные композиции при разных концентрациях наноструктур по-разному снижают момент трения: 0,5 % Ш8е2 на 2.9 %, 1 % Ш8е2 на 2.10 %, 2 % Ш8е2 на 2.6 %, 4 % Ш8е2 аналогично на 2.6 %.
Рис. 3. Зависимости момента трения от нормальной нагрузки на подшипники при испытаниях МС-20 с наночастицами WSе2
Поскольку функционирование шарикового подшипника реализуется преимущественно в режиме трения качения, но существуют явления скольжения и проскальзывания тел качения, то возникает необходимость
оценки влияния наноструктур на трение скольжения шарика по диску (кольцу). Для оценки снижения энергетических затрат в условиях трения скольжения при наличии наноструктур в смазочном масле была использована универсальная машина трения 2070 СМТ-1 (аналог машины трения ИИ5018). Испытания проводились по схеме «шар - ролик». Подвижный образец (ролик) состоял из стали Р6АМ5, неподвижный (шар) - из стали ШХ-15. Трущиеся образцы предварительно смазывались испытуемой смазочной композицией и приводились в контактное взаимодействие. Смазывание трибосистемы в процессе трения реализовывалось окунанием в исследуемую смазочную композицию. Контактное взаимодействие подвижного и неподвижного образцов реализовывалось с нормальной силой 147 Н. Частота вращения подвижного образца составляла 500 об/мин. Объём испытуемого жидкого смазочного материала в ёмкости составлял 90 см . Диаметр сферического образца составлял 8 мм, диаметр ролика -50 мм, путь трения при испытаниях - 2000 м.
На рис. 4 показан график зависимости момента трения от концентрации наночастиц диселенида вольфрама в масле МС-20.
О ] 2 3 4
Концентрация U'Sej ^с
Рис. 4. Зависимость момента трения от концентрации наночастиц диселенида вольфрама в базовом масле МС-20
В результате проведённого исследования установлено, что введение 0,5 % (по массе) наночастиц Ш8е2 в МС-20 способствует снижению момента трения в условиях скольжения на 18 %, при 1 % наночастиц происходит снижение момента на 35 %, при 2 % момент трения снижается на 53 % (в 2 раза), а при 4 % момент трения уменьшается на 35 %.
На основании полученных результатов исследований можно сделать следующие выводы
1. Полученные методом газофазного синтеза антифрикционные на-ночастицы диселенида вольфрама наиболее существенно проявляют себя в режиме трения покоя, снижая силу трения, после преодоления которой возникает движение. Причём антифрикционное действие усиливается при увеличении нагрузки. Данный результат стендовых исследований показы-
вает, что использование смазочных композиций с наночастицами Ш8е2 может быть полезно для узлов, работающих в условиях частых запусков и остановок.
2. В легко нагруженном подшипниковом узле использование нано-частиц Ш8е2 в концентрациях от 0,5 до 4 % способствует небольшому снижению силы трения движения на 1.12 %. Поскольку общее количество оборотов подшипников на протяжении всего их функционирования может быть достаточно большим, то и суммарные энергетические потери также представляются существенными, в связи с этим даже небольшие снижения трения являются полезными с точки зрения энергосбережения.
3. В более нагруженном подшипниковом узле (8000 Н) использование наночастиц Ш8е2 в концентрациях от 0,5 до 4 % способствует небольшому снижению силы трения движения на 2.10 %. Возрастание гидродинамического сопротивления, вызванного увеличением вязкости смазочного слоя при добавлении дисперсной фазы, не существенно сказывается на антифрикционном действии наночастиц.
4. Введение антифрикционных наночастиц Ш8е2 в смазочный слой способствует снижению силы трения скольжения подшипникового шара по диску на 18.53 %. В связи с этим смазочная композиция может быть полезна в условиях заклиниваний, проскальзывании тел качения в нормальных условиях эксплуатации (из-за погрешностей изготовления тел качения и других элементов), в условиях изменения формы элементов подшипника в результате выкрашивания, бринеллирования, истирания, а также в условиях воздействия абразивных частиц.
Работа выполнена при поддержке гранта Российского научного фонда по приоритетному направлению деятельности «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований по приоритетным тематическим направлениям исследований» научного проекта "Формирование беспористых покрытий из нанокомпозиционных материалов типа «износостойкая матрица - наночастицы дисульфида молибдена (вольфрама)», обладающих низким коэффициентом трения, методом химического осаждения из газовой фазы", № 15-13-00045.
Работа выполнена при поддержке гранта РФФИ № 13-08-00553 в рамках государственного задания при финансовой поддержке Минобрнау-ки России. Коды проектов: № 933-2014, № 1972-2014.
Список литературы
1. Гузенков П.Г. Краткий справочник к расчётам деталей машин. М.: Высшая школа, 1967. 312 с.
2. Бейзельман Р.Д., Цыпкин Б.В. Подшипники качения. Справочник. Издание второе, исправленное и дополненное. М.: Государственное научно-техническое издательство машиностроительной литературы, 1951. 526 с.
3. Кламанн Д. Смазки и родственные продукты. Синтез. Свойства. Применение. Международные стандарты / пер. с англ.; под ред. Ю.С. Заславского. Д. Кламанн. М.: Химия, 1988. 488 с.
4. Смазочные материалы; антифрикционные и противоизносные свойства; методы испытаний: справочник / под ред. Р.М. Матвеевского,
B.Л. Лашхи, И.А. Буяновского и др. М.: Машиностроение, 1989. 224 с.
5. Методика исследования влияния смазочных материалов на три-ботехнические характеристики подшипников качения. Материалы, технологии и оборудование в производстве, эксплуатации, ремонте и модернизации машин: сб. науч. трудов 7-й Междунар. науч.-техн. конф. в 3 т. Т.2 /
C.Г. Чулкин, М.М. Радкевич, А. Д. Бреки, И.В. Соловьёва; под общ. ред. П.А. Витязя, С.А. Астапчика. Новополоцк: ПГУ, 2009. С. 91 - 94.
6. Research of base and alloyed oil MC-20 influence on the tribotechnic-al characteristics of roller bearings / S.G. Chulkin, A.D. Breki, I.V. Soloviova, M.M. Radkevich // Bialystok university of technology, faculty of mechanical engineering. Acta mechanica et automatica. 2009. Quarterly vol. 3. No. 4(10). P. 21 - 23.
Бреки Александр Джалюльевич, канд. техн. наук, доц., зам. зав. кафедрой, al-hrekiayandex. ru, Россия, Санкт-Петербург, Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого,
Медведева Виктория Валерьевна, асп., vikamvamail.ru, Россия, Санкт-Петербург, Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого,
Фадин Юрий Александрович, д-р техн. наук, проф., зав. лабораторией, fadinsphayandex. ru, Россия, Санкт-Петербург, Институт проблем машиноведения РАН,
Толочко Олег Викторович, д-р техн. наук, проф., директор научно-технологического комплекса, plast-ftimamail. ru, Россия, Санкт-Петербург, Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого,
Васильева Екатерина Сергеевна, канд. техн. наук, доц., katrinfrainhox.ru, Россия, Санкт-Петербург, Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого,
Сергеев Александр Николаевич, д-р техн. наук, проф., ansergueev@gmail.com, Россия, Тула, Тульский государственный педагогический университет им. Л.Н. Толстого,
Провоторов Дмитрий Алексеевич, канд. техн. наук, ведущий инженер-конструктор, prodmyt@,ramhler.ru, Россия, Тула, ООО НПП «Вулкан-ТМ»,
Гвоздев Александр Евгеньевич, д-р техн. наук, проф., technologyatspu.tula.ru, Россия, Тула, Тульский государственный педагогический университет им. Л.Н. Толстого,
Стариков Николай Евгеньевич, д-р техн. наук, проф., зам. зав. кафедрой, starikov taiiamail.rii, Россия, Тула, Тульский государственный университет,
Титова Юлия Евгеньевна, канд. техн. наук, доц., technology@,tspu.tula.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет
THE INFLUENCE OF LUBRICATING COMPOSITE MATERIAL WITH NANOPARTICLES OF TUNGSTEN DISELENIDE ON FRICTION IN ROLLING BEARINGS
A. D. Breki, V.V. Medvedeva, Yu. A. Fadin, O. V. Tolochko, E. S. Vasilyeva, A. E. Gvozdev, N.E. Starikov, Y. E. Titova
The results of studies of the effect of nanoparticles of tungsten diselenide friction bearings in radial light series, lubricated with liquid lubricant are given. A liquid lubricating composite material were used obtained by chemical vapor deposition of tungsten diselenide plate nanoparticle size 60х5 nm is created.
Key words: liquid lubricant compositions dichalcogenides tungsten nanoparticles, gas phase synthesis, friction, wear.
Breki Alexander Dzhalyulevich, candidate of technical sciences, docent, deputy, head of chair, albreki@yandex.ru, Russia, Saint-Petersburg, St. Petersburg Polytechnic University of Peter the Great,
Medvedeva Victoria Valerevna, postgraduate, vikamv@mail.ru, Russia, St. Petersburg, St. Petersburg Polytechnic University of Peter the Great,
Fadin Yuri Alexandrovich, doctor of technical sciences, professor, head. the laboratory, fadinspb@yandex.ru, Russia, St. Petersburg, Institute of Problems of Mechanical Engineering RAS,
Tolochko Oleg Viktorovich, doctor of technical sciences, professor, director of scientific-technological complex, plast-ftim@mail.ru, Russia, Saint-Petersburg, Saint-Petersburg Polytechnic University Peter the Great,
Vasil'eva Ekaterina Sergeevna, candidate of technical sciences, docent, ka-trinfr@,inbox.ru, Russia, Saint-Petersburg, Saint-Petersburg Polytechnic University of Peter the Great,
Sergeev Aleksandr Nikolaevich, doctor of pedagogical scienses, professor, ansergueev@gmail.com, Russia, Tula, Tula State Leo Tolstoy Pedagogical University,
Provotorov Dmitriy Alekseevich, candidate of technical sciences, leading design engineer, pprodmyt@rambler.ru, Russia, Tula, SME «Vulkan-TM»,
Gvozdyev Alexander Evgenevich, doctor of technical sciences, professor, technolo-gy@tspu.tula.ru, Russia, Tula, Tula State Leo Tolstoy Pedagogical University,
Starikov Nikolay Evgenevich, doctor of technical sciences, professor, deputy head of chair, starikov_taii@,mail.ru, Russia, Tula, Tula State University,
Titova Yuliya Evgenevna, candidate of technical sciences, docent, technolo-gy@tspu. tula. ru, Russia, Tula, Tula State University
УДК 621.541
К РАСЧЕТУ МЕХАНИЧЕСКИХ ПОТЕРЬ РОТАЦИОННЫХ ПНЕВМАТИЧЕСКИХ ДВИГАТЕЛЕЙ
М.Ю. Елагин, Е.М. Сидоров
Приведена математическая модель для расчета механических потерь пневматического ротационного двигателя, построенная на основе гидродинамической теории смазки.
Ключевые слова: механические потери, гидродинамическая теория смазки.
Трущиеся поверхности деталей машин и механизмов во многих случаях разделены тонким слоем вязкой жидкости или газа, в котором развивается давление, предотвращающее соприкосновение поверхностей. Закономерности движения такого тонкого вязкого слоя составляют содержание гидродинамической теории смазки, основы которой были заложены в трудах О. Рейнольдса, Н.П. Петрова, Н.Е. Жуковского, С. А. Чаплыгина [1].
Одной из основных особенностей движения смазочного слоя является его малая толщина (она имеет порядок сотых, тысячных долей миллиметра) по сравнению с размерами граничных поверхностей.
Перетечки среды в ротационном пневматическом двигателе (РПД), приводящие к потерям мощности, происходят через радиальный зазор (минимальное расстояние между ротором и цилиндром), через торцевые зазоры (между крышками цилиндра и торцами ротора, между крышками и торцами пластин), а также через зазоры между пластинами и пазами ротора. Значительную часть потерь мощности, особенно на режимах с малыми массовыми расходами, составляют механические потери. Мощность трения РПД зависит от ряда факторов, главными из которых являются радиус цилиндра Я, частота вращения ротора п, масса т и количество пластин г.
Около 80.90 % механических потерь приходится на трение пластин по цилиндру и в пазах ротора, остальные потери - на трение в подшипниках и сальнике.
Наилучшим способом смазки РПД является введение ее в распыленном виде при помощи магистральной масленки вместе с воздухом, поступающим в двигатель.
В зависимости от количества и качества смазки мощность, расход и срок службы двигателя могут изменяться в широких пределах. К сожалению, магистральные масленки применяют довольно редко, и в большинст-
