CC BY
59
УДК 621.891
А. П. Перекрестов, М. А. Саидов, В. А. Чанчиков, А. А. Клыканова
ФОРМИРОВАНИЕ АНТИФРИКЦИОННОГО ПОКРЫТИЯ ТРУЩИХСЯ ПОВЕРХНОСТЕЙ ПРИ ИСПОЛЬЗОВАНИИ ПРОТИВОИЗНОСНОЙ ПРИСАДКИ НОВОГО ПОКОЛЕНИЯ
Интерес к магнитожидкостным смазкам связан в первую очередь с возможностью их удержания в зоне трения при помощи магнитного поля. Известны магнитные жидкости, которые меняют свои свойства в зависимости от напряжённости магнитного поля. Они также могут служить для уменьшения трения и изнашивания трущихся узлов [1].
10 ноября 2004 г. зарегистрирован патент № 2276681 на изобретение «Противоизносная присадка», основанное на использовании специального состава, представляющего собой жидкость на основе дизельного топлива и входящих в его состав мицелл, состоящих из наночастиц магнетита (Fe304) и олеиновой кислоты (С18Н34О2). Частицы порядка нанометров (наночастицы) имеют одно свойство, которое очень мешает их использованию: они могут образовывать конгломераты, т. е. слипаться друг с другом [2]. Для предотвращения этого используется поверхностноактивное вещество - олеиновая кислота.
Свойства оксидов железа, изученные на примере компактных образований, говорят о том, что для извлечения магнетита из раствора требуется очень сильное магнитное поле, применение которого на практике не будет приносить коммерческой выгоды. Однако свойства вещества в компактном состоянии не всегда совпадают со свойствами, которые то же вещество проявляет в наноразмерном состоянии.
Сотрудники университета Райс, США (Rice University, USA), работающие под руководством Вики Колмана, изучая интенсивность магнитного поля, которая потребуется для извлечения наночастиц магнетита, стабилизированных олеиновой кислотой, из водной суспензии, совершенно неожиданно обнаружили, что для этой операции не нужно мощных электромагнитов. В ряде случаев наноразмерные оксиды железа покидали воду, притягиваясь к магниту-подкове, входящему в комплект стандартных демонстрационных приборов для учебного процесса [3].
Этим механизмом можно объяснить положительный эффект, полученный при лабораторных испытаниях дизельного топлива, приготовленного с введением в него вышеназванной присадки. По результатам испытаний на трибометре, аналогичном HFRR, при температуре 60 °С в течение 45 минут в высокоочищенном дизельном топливе (менее 500 ррт содержания серы) смазочная способность (диаметр пятна износа) составила 540 мкм. После введения в топливо предлагаемой присадки и создания напряжённости внешнего магнитного поля в зоне трения 30 кА/м смазочная способность при многократных испытаниях составила 230-250 мкм. При уменьшении присадки в 10 раз смазывающая способность топлива падает и составляет 430 мкм. При увеличении концентрации в 10 раз смазочная способность топлива соответствует 220 мкм [4]. В результате обеспечивается изменение структуры поверхностного слоя. Избирательное формирование слоя обеспечивает оптимальную геометрию трущихся поверхностей.
Для совершенствования присадок данного типа и создания новых были разработаны и запатентованы трибометры, оценивающие смазочную способность дизельного топлива с учетом влияния физических параметров магнитного поля на эффективность работы применяемых присадок: трибометр с постоянным магнитом [5] и трибометр с переменным электромагнитным полем [6].
Для нахождения оптимальной конфигурации магнитного поля в рабочей зоне трения был изменен магнитный элемент трибометра [7]. В результате неподвижный образец в трибометре нижней частью через магнитопровод соединен с постоянными магнитами, выполненными в форме цилиндров, заключенных в боковую диамагнитную оболочку, причем полярность магнита в центре противоположна полярности окружающих его магнитов.
На рис. 1 изображено данное устройство. Оно имеет корпус 1, ванночку 2 с углеводородной средой 3, в которую помещены неподвижный образец (пластинка) 4 и подвижный образец (шарик) 5. Подвижный образец (шарик) 5 прикреплен к вибратору 6 и совершает возвратнопоступательное движение с высокой частотой. Нагрузочное устройство 7 обеспечивает необхо-
димую нагружающую силу. Ванночка 2 лежит на обойме с постоянными магнитами 8, которые создают необходимую напряженность магнитного поля. Нагревательный элемент 9 обеспечивает нагрев углеводородной среды 3 до оптимальной температуры, которая регулируется контактным термометром 10.
Рис. 1
На рис. 2 изображено поперечное сечение обоймы с постоянными магнитами. Она имеет диамагнитную оболочку 1 с вложенными в нее постоянными магнитами 2, имеющими определенное направление магнитных полюсов 3.
А - А
Устройство работает следующим образом. По поверхности неподвижного образца (пластинки) 4 подвижный образец (шарик) 5 совершает возвратно-поступательное движение высокой частоты. Нагрузочным устройством 7 создается нагрузка в зоне трения. Обойма с постоянными магнитами 8, создающими магнитное силовое поле, расположена таким образом, чтобы обеспечивать стабильную намагниченность неподвижного образца и образование на нем смазывающего слоя определенной толщины. Эти параметры можно изменять, либо устанавливая различные по своим характеристикам магниты, либо изменяя количество магнитов в приборе. Изменяя режим работы нагревательного элемента 9, мы можем изменять температуру испытуемой жидкости и поддерживать ее в определенном диапазоне с помощью контактного термометра 10 (например, при температуре 60 °С). Частицы магнитной присадки притягиваются к поверхности трения неподвижного образца. По истечении 45 минут под микроскопом измеряется диаметр пятна износа на неподвижном образце. Чем меньше диаметр пятна износа, тем меньше интенсивность изнашивания и, следовательно, лучше смазочные свойства топлива.
Положительный эффект изобретения достигается тем, что конструкция трибометра позволяет создавать и регулировать напряженность магнитного поля в зоне трения, под действием которого частицы магнитной присадки осаждаются на поверхностях трущейся пары. Изменяя напряженность магнитного поля, определяем оптимальное значение для создания максимального противоизносного эффекта присадки.
Диапазон необходимой напряженности магнитных силовых линий, создаваемых прибором, составляет 102-104 А/м.
Для повышения ресурса традиционными способами используются высококачественные сплавы, различные виды обработок поверхности металла, повышающих класс точности, чистоты, твёрдость, стойкость; предварительно детали длительно обрабатываются, притираются. Но, несмотря на это, по причине неизбежного прямого контакта металлических поверхностей при трении, за счёт эффекта Ребиндера (под воздействием всепроникающего атомарного водорода), контактирующие поверхности интенсивно изнашиваются. Продукты разрушения вымываются маслами, топливом, рабочими жидкостями, которые также являются охлаждающей средой, т. к. их вязкость не превышает 10-4 м2/с, а при штатных давлениях контактирующих поверхностей средненагруженных механизмов необходима вязкость 10-2 м2/с.
Рассмотрим смазочный слой, который образуется при использовании устройства для создания магнитного поля в узле трения клапана (иглы) форсунки [8] и магнитной противоизнос-ной присадки. В конечной фазе впрыска топлива игла форсунки под действием пружины и сил инерции садится на седло. Конструктивно, в силу разности углов иглы и седла, новые контактирующие поверхности соприкасаются по линии. Следствием удара при посадке является самопроизвольное образование контактного пояска, величина которого зависит от кинетической энергии единичного удара и количества нанесённых ударов. Коническое уплотнение подвергается естественному изнашиванию, основным разрушительным фактором которого являются ударные нагрузки. Известные способы снижения износа: увеличение опорной поверхности, снижение массы подвижных деталей, применение гидрозапора лишь частично снижают его интенсивность, но не позволяют ликвидировать ударные нагрузки. Существенного снижения ударного нагружения можно добиться использованием предлагаемого магнитного устройства и введением в топливо противоизносной магнитной присадки. При посадке иглы слой магнетита, зажатый между конической поверхностью седла и коническим запорным пояском, в силу своей пластичности, создаёт сопротивление вытеканию топлива из конусно-щелевого канала и дополнительное усилие на иглу, устраняющее ударное взаимодействие.
Ширина зазора между иглой и седлом может быть представлена в виде функции f(h) - хода иглы. Распределение поля в зазоре в отсутствие топлива описывается уравнением Максвелла УЯ = 0 [9]. На поверхностях трения ферромагнитных материалов (m > 1) выполняется условие постоянства магнитного потенциала j = const, определяющего напряжённость магнитного поля (Я =-Уфм). Электрический аналог этой задачи, который заключается в определении электростатического поля коаксиального кабеля, описан в [10]. В соответствии с решением этой задачи максимальная напряжённость поля будет на поверхности иглы в месте наибольшего сближения с седлом, её величина может быть получена из формулы
Яmax = Я 'h г , (1)
(r2 - r1)ln — r1
где r и r2 - радиусы иглы и седла в месте их наибольшего сближения.
Так как магнитная восприимчивость топлива значительно меньше, чем восприимчивость деталей клапана, то искажениями поля, обусловленными топливом, можно пренебречь и считать, что поле в зазоре описывается уравнением (1).
Известно, что намагниченность вещества оценивается пределом отношения суммы магнитных моментов в некотором объёме к величине этого объёма при его неограниченном уменьшении [10]:
У m
J = lim V ’ (2)
DV ®0
где М - магнитный момент элементарного тока.
Средняя величина мицеллы составляет 10 нм, намагниченность насыщения - порядка 10 кА/м. Если рассмотреть образующийся поверхностный слой, то напряжённость его магнит-
ного поля растёт прямо пропорционально в зависимости от попадания в зазор мицелл присадки, которые, в свою очередь намагничиваясь, притягивают всё новые и новые мицеллы. Эта поверхность способна к регенерации и работает в условиях трения как защитный слой. Процентное соотношение составов обеспечивает скорость регулирования наращиваемого слоя (с учётом формы движения контактирующих поверхностей), предотвращая заклинивание.
Рассмотрим подробнее силу магнитного притяжения, действующую на мицеллу [11].
Сила магнитного притяжения Fм, Н, характеризует степень взаимодействия двух намагниченных тел (в нашем случае - мицелла и постоянный магнит) в зависимости от расстояния между ними и выражается формулой
2 (
Fm =-
bp + BHR (i - * )H H
8p
( ( 1 +
F
+
BR (і - a)Amf
H c FQ Aglm
(3)
/ /
где Ат - площадь поперечного сечения магнита; lm - длина магнита; l - длина зазора; Ag - площадь поперечного сечения зазора; f - коэффициент рассеяния; F0 - const (F0 = 2); BR - остаточная магнитная индукция постоянного магнита; Hc - коэрцитивная сила; a - постоянная сплава магнита; Bp, Hp - координаты рабочей точки постоянного магнита на кривой размагничивания; n - эмпирический коэффициент.
Величина магнитного притяжения Ffd, вычисленная по этой формуле (рис. 3), показывает, что она увеличивается пропорционально квадрату площади магнитной поверхности постоянного магнита.
m
2
n
Fm , H
l, м
Рис. 3. График зависимости магнитной силы от длины зазора и площади поперечного сечения магнита
Данная формула позволяет определять оптимальные геометрические и физические параметры магнита.
Выводы
1. Применение противоизносной магнитной присадки с использованием нанотехнологий дает возможность получить смазывающую жидкость с низким коэффициентом трения, обладающую металлоплакирующим эффектом.
2. Слой магнитных частиц, наращиваемый на поверхности, дает возможность не только уменьшать напряжение сдвига в поверхностном слое, но одновременно и повышать плотность контакта сопрягаемых поверхностей.
3. Повышение плотности контакта сопрягаемых поверхностей дает возможность ускорить приработку трущихся поверхностей иглы и седла клапана, а также предотвратить утечки
топлива, особенно после длительной работы сопряжения.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Берковский Б. М., Медведев В. В., Краков М. С. Магнитные жидкости. - М.: Химия, 1989. - С. 156-166.
2. Organic Additives аМ Ceramic Processing / D. J. Shane field, Kluwer Academic Publ., Boston / По материалам: Science. - 2006. - 314. - 964.
3. Пат. РФ № 2276681 от 10.11.04. Противоизносная присадка / Перекрестов А. П. и др.
4. Пат. № 70579 МПК G01N 3/56 (2006.01) Трибометр / Перекрестов А. П., Чанчиков В. А. -№ 2007130186; заявл. 06.08.2007; опубл. 27.01.2008; бюл. № 3.
5. Пат. № 72069, МПК G01N 3/56 (2006.01) Трибометр / Перекрестов А. П. - № 2007140301; заявл. 30.10.2007; опубл. 27.03.2008; бюл. 9.
6. Устройство для определения эффективности противоизносных магнитных присадок / Перекрестов А. П., Чанчиков В. А. / Положительное решение о выдаче патента на изобретение от 18.09.2008 по заявке № 2007130137/28 (032841).
7. Перекрестов А. П., Саидов М. А. Противоизносная присадка в дизельное топливо нового поколения и устройство для её применения // Серебряная медаль 7-го Междунар. салона инноваций и инвестиций, 5-8 февраля 2007 г., Москва, ВВЦ.
8. Вислович А. Н., Дударев В. В., Медведев В. Ф. Влияние магнитного поля на гидродинамику магнитожидкостного смазочного слоя между выпуклыми профилями // Трение и износ. - 1990. - Т. 11, № 4. -С. 689-696.
9. Говорков В. А. Электрические и магнитные поля. - М.: Энергия, 1968. - 488 с.
10. Перекрестов А. П., Чанчиков В. А. Повышение надежности и износостойкости дизельной аппаратуры путем применения противоизносной магнитной присадки // Тяжелое машиностроение. - 2008. - № 3. -С. 27-29.
Статья поступила в редакцию 6.02.2009
THE FORMATION OF THE ANTIFRICTION COVERING OF THE FRICTION SURFACES WITH THE HELP OF THE NEW ANTIWEAR ADDITIVE
A. P. Perekrestov, M. A. Saidov, V. A. Chanchikov, A. A. Klykanova
The antiwear additive produced with the help of nanoparticles is offered. It is proved that the application of additive makes possible getting of lubricating liquid with low friction coefficient, having metal-plating effect; the layer of the magnetic particles building up on the surface enables to decrease the shear exertion in the surface layer and to raise the density of the contact of the mating surfaces. The effect of this is acceleration of bedding of the friction surfaces of the needle and saddle of the diesel valve, as well as prevention of the diesel oil leakage, in particular, after long work process.
Key words: antiwear magnetic additive, nanoparticles, low friction coefficient, metal-plating effect, deformation of microroughnesses, acceleration of bedding of the friction surfaces.
