CC BY
124
МАШИНОСТРОЕНИЕ
УДК 621.89.09
Р. Г. Нигматуллин, В. Ю. Шолом, Л. Ш. Шустер, И. М. Нигматуллин
ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ СМАЗОЧНЫХ МАТЕРИАЛОВ С ГЕОМОДИФИКАТОРАМИ ТРЕНИЯ
Установлено, что смазочные материалы (СМ) на окисленной масляной основе обладают более высокими смазочными свойствами по сравнению с обычными маслами. Применение окисленных СМ с геомодификаторами трения (ГМТ) формирует на железосодержащих поверхностях трения металлокерамическое покрытие (пленку), повышающее трибологические характеристики работы узла трения. Определен наиболее рациональный ремонтно-восстановительный состав (РВС). Окисленная масляная основа; геомодификатор трения; ремонтно-восстановительный состав; смазочный материал
ВВЕДЕНИЕ
В последнее время все большее применение в трибосопряжениях получают природные геомодификаторы трения (ГМТ) на базе серпентина. Анализ публикаций и патентов показывает, что при использовании смазочных материалов (СМ) с добавлением ГМТ типа серпентинов работоспособность трибосопряжений может значительно увеличиться. При этом потери энергии на преодоление трения могут снизиться на порядок, а износостойкость сопряженных деталей повыситься в 2-4 раза. Шероховатость металлических поверхностей трения может также снизиться в несколько раз и составить по Яа
0,03...0,05 мкм. При использовании СМ с ГМТ на поверхностях трущихся деталей формируется защитный металлокерамический слой толщиной до 20.30 мкм. Скорость формирования (наращивания) слоя пропорциональна локальным вспышкам температуры и давлению на пятнах фактического контакта. Формируется этот слой в первую очередь на изношенных участках сопряженных поверхностей, в результате чего происходит восстановление размеров и формы деталей. На этой особенности поведения ГМТ в трибосопряжениях основана ремонтно-восста-навливающая технология (РВС-технология), позволяющая производить ремонт деталей без разборки машин и без вывода их из эксплуатации [1, 2, 3].
Однако до настоящего времени недостаточно изучено влияние качества СМ (или масляных фракций), в которые добавляется ГМТ, на работоспособность трибосопряжений. Вместе с тем, известно [4] положительное влияние окисленных масляных фракций на смазывающую способность СМ. Объясняется это тем, что в про-
Контактная информация: 8(347)273-08-66
цессе окисления масла содержащиеся в нем соединения сульфидов превращаются в более термоустойчивые соединения - сульфоны [4].
Данная работа посвящена исследованию влияния добавок ГМТ в окисленные СМ на работоспособность трибосопряжений.
МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЯ
Исследования проводили на четырехшариковой машине трения ЧМТ-1 (ГОСТ 9490-75) и на установке «демонстратор трения» [5], которая представляет собой переносную машину трения вращательного действия, содержащую пару трения «обойма-ролик» (рис. 1). На ЧМТ-1 определяли все показатели трения согласно международному стандарту Л8ТМ Б2782. На демонстраторе трения при изменяющейся нагрузке на рычаг 0,5-2,5 кг определяли износ обоймы и ролика, температуру СМ и величину тока, потребляемую электродвигателем привода установки.
Рис. 1. Схема работа демонстратора трения: 1 - ролик; 2 - обойма;
3 - смазочный материал;
4 - смазочная ванна; N - сила прижима
В качестве СМ для испытаний использовали два вида масел - И-40 и КС-19. Данные масла являются базовыми основами многих моторных масел. В исследовании сравнивали результаты, полученные при использовании окисленных и не окисленных СМ.
Для приготовления ГМТ использовали природный минерал - серпентин, добываемый в республике Башкортостан. Подготовка серпентина к применению включала в себя: предварительное удаление абразивных и фрикционных составляющих (намагничиванием); сушку в печи; домол частиц серпентина в ступке до размеров 10.20 мкм. Затем подготовленный серпентин тщательно перемешивали с имеющимися окисленными образцами СМ, соблюдая требуемую концентрацию. Образовалась суспензия - ремонтно-восстановительный состав (РВС). На основании проведенных лабораторных экспериментов определены оптимальные значения концентрации компонентов состава (масс. %): серпентин - 0,3; кристаллизатор Мп02 - 0,05; СМ - остальное.
Исследовано 8 образцов: И-40; И-40 окисленное; И-40 окисленное + серпен. (0,3 %); И-40 окисленное + серпен. (0,3 %) + Мп02 (0,05 %); КС-19; КС-19 окисленное; КС-19 окисленное + серпен. (0,3 %); КС-19 окисленное + серпен. (0,3 %) + Мп02 (0,05 %).
РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТОВ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
Результаты испытаний образцов смазочных материалов на трибометрической установке приведены в табл. 1.
Из табл. 1 видно, что лучший результат по противоизносным свойствам для масляных основ у И-40 окисленное и КС-19 окисленное. Поэтому использовали эти масляные основы для приготовления ремонтно-восстановительных
составов при проведении экспериментов.
На рис. 2 представлено изменение площади пятна износа от нагрузки в узле трения для различных смазочных материалов, из которого видно, что противоизносные свойства ремонтно-восстановительных составов значительно лучше, чем у масляных основ. С увеличением нагрузки наилучшие свойства показал ремонтно-восстановительный состав: масло КС-19
окисленное + серпентин (0,3 %) + Мп02 (0,05 %). Это свидетельствует о благоприятном влиянии рецептуры активных компонентов на эксплуатационные свойства ремонтно-восстановительного состава. Наилучший эффект от применения серпентина наблюдался при нагрузке
2 кг в узле трения (видна наибольшая разница в значениях между испытуемыми образцам), при большей нагрузке происходит заклинивание узла трения, поэтому дальнейшее испытания выполняли при нагрузке 2 кг.
Таблица 1
Результаты испытаний образцов смазочных материалов на трибометрической установке
Образцы смазочных материалов Площадь пятна износа (5И) мм2 после 15 мин работы
Нагрузка 0,5 кг Нагрузка 1 кг Нагрузка 1,5 кг Нагрузка 2 кг Нагрузка 2,5 кг
И-40 3,20 за- кли- нило - - -
И-40 окисл. 1,60 2,20 2,80 3,10 за- кли- нило
И-40 окисл.+сер пен.(0,3 %) 1,40 2,05 2,60 2,80 за- кли- нило
И-40 окисл.+ серпен. (0,3 %) + Мп02 (0,05 %) 1,30 1,95 2,30 2,50 2,90
КС-19 2,85 3,10 за- кли- нило - -
КС-19 окисл. 1,45 1,95 2,65 2,90 за- кли- нило
КС-19 окисл.+ серпен. (0,3 %) 1,21 1,65 1,85 2,10 за- кли- нило
КС-19 окисл. + серпен. (0,3%)+Мп 02 (0,05 %) 1,00 1,45 1,75 1,80 2,10
На рис. 3 представлено изменение температуры смазочного материала от времени испытания при нагрузке 2 кг в узле трения «обойма-ролик». При испытании масляной основы КС-19 окисленное без добавки наблюдали значительное повышение температуры данного смазочного материала.
При испытаниях с помощью амперметра, подключенного к сети электродвигателя, определяли величину тока в обмотке статора электродвигателя, которая пропорциональна силе трения в месте контакта обоймы и ролика [6].
Снижение потребляемого электродвигателем тока свидетельствует о снижении силы трения в узле трения (рис. 4). На первых минутах испытаний характерно увеличение величины тока, что, очевидно, связанно с приработкой контактных поверхностей. Увеличение величины тока в обмотке электродвигателя между 7 мин и 15 мин работы связано с угаром масла КС-19 окисленное без добавки и перегрев пары трения из-за отсутствия какого-либо защитного слоя на поверхностях трения.
Площадь пятна износа, мм 2
Нагрузка, кг
Площадь пятна износа, мм
Нагрузка, кг
6
Рис. 2. Изменение площади пятна износа от нагрузки в узле трения (время каждого испытания 15 мин): 1 - И-40; 2 - И-40 окисл.; 3 - И-40 окисл.+серпен. (0,3%); 4 -И-40 окисл. + серпен. (0,3%) + Мп02 (0,05%); 1 - КС-19; 2 - КС-19 окисл.; 3 - КС-19 окисл. + серпен. (0,3 %); 4 - КС-19 окисл. + серпен. (0,3 %) + Мп02 (0,05 %)
Испытания ремонтно-восстановительных
составов показали иную картину, подтверждающую образование модифицирующего слоя на поверхностях трения, обладающего антифрикционными и противоизносными свойствами, что подтверждается снижением температу-
ры смазочного материала и силы трения, а также снижением износа ролика.
Рис. 3. Изменение температуры смазочного материала от времени испытания (нагрузка 2 кг): 1 - КС-19 окисл.; 2 - КС-19 окисл. + серпен. (0,3 %); 3 - КС-19 окисл. + серпен. (0,3 %) + Мп02 (0,05 %)
Сила тока А
0.9
0.8
0.7
0.6
0.5
0.4
0.3
0.2
0.1
О
1
1 ?
!
3
0 12 3 4 5 6 7
9 10 11 12 13 14 15 Время испытания мин
Рис. 4. Изменение величины тока в обмотке электродвигателя от времени испытания (нагрузка 2 кг): 1 - КС-19 окисл.; 2 - КС-19 окисл. + серпен. (0,3 %); 3 - КС-19 окисл. +
+ серпен. (0,3 %)
Замер микротвердости поверхности ролика проводили с помощью микротвердомера ПМТ-3 (по методу Виккерса ГОСТ 2999-75) до и после проведения испытаний образцов смазочных материалов на трибометрической установке «демонстратор износа» (нагрузка на пару трения «обойма-ролик» - 2 кг; время испытания -15 мин). Исходя из предыдущих опытов, выбрали лучший РВС (окисленные СМ И-40 и КС-19 с серпентинитом и с катализатором) и для сравнения окисленные СМ без ГМТ (которые не образуют металлокерамическое покрытие).
Результаты испытаний на микротвердость приведены в табл. 2.
Т аблица 2 Результаты испытаний на микротвердость
Образцы смазоч- ных материа- лов Микротвердомер ПМТ-3
до испытаний после испытаний
Число твер- дости, НУ Число твер- дости, ЖС Число твер- дости, НУ Число твер- дости, ЖС
И-40 окисл. 694 58 649 56
КС-19 окисл. 694 58 694 58
И-40 окисл. + серпен. (0,3 %) + Мп02 (0,05 %) 694 58 746 59
КС-19 окисл. + серпен. (0,3 %) + Мп02 (0,05 %) 694 58 803 61
Из табл. 2 видно увеличение микротвердости трущейся поверхности ролика при использовании образцов окисленных СМ с добавками ГМТ.
Так же для подтверждения образования металлокерамической пленки (покрытия) на поверхности трущихся пар при использовании СМ с добавками ГМТ выполнены испытания с определением изменения веса обоймы и ролика. Эти испытания проводили с заранее изношенными роликами для того, чтобы трение образцов происходило по площадке (во избежание точечного или линейного контакта). Для измерений использовали весы аналитические лабораторные 4 класса точности. Результаты испытаний приведены в табл. 3.
Для подтверждения того что, измененные веса обоймы и ролика связаны с образованием металлокерамического покрытия (пленки) дополнительные испытания проводили следующим образом: в начале пара трения работала в течение 15 мин со смазкой, затем с трущихся поверхностей она удалялась и работа узла трения осуществлялась без смазочного материала. Результаты испытаний приведены в табл. 4.
Увеличение веса обоймы и ролика (табл. 2), а также длительная работа узла трения без сма-
зочного материала (табл. 3) при использовании ремонтно-восстановительных составов с окисленным СМ и добавками ГМТ подтверждают образование металлокерамического покрытия (пленки) на поверхностях трения, повышающего износостойкость узла трения.
Таблица 3
Изменение веса обоймы и ролика после проведения испытаний различных смазочных материалов (время испытания 15 мин)
Смазочный материал Изменение веса обоймы, гр. Изменение веса ролика, гр.
И-40 окисл. -0,25 -0,15
КС-19 окисл. -0,18 -0,10
И-40 окисл.+ сер-пен. (0,3%) + Мп02 (0,05 %) +0,10 +0,02
КС-19 окисл. + серпен. (0,3 %) + Мп02 (0,05 %) +0,15 +0,04
Таблица 4
Результаты работы узла трения «обойма-ролик» без смазочного материала после 15 минут работы со смазкой
Смазочный материал, Время работа узла
Использованный трения
при предварительной без смазочного
работе узла трения материала
И-40 окисл. 32 сек
КС-19 окисл. 45 сек
И-40 окисл. + серпен. (0,3 %) + Мп02 (0,05 %) 3 мин 43 сек
КС-19 окисл. + серпен. (0,3 %) + Мп02 (0,05 %) 4 мин 19 сек
Результаты испытаний образцов смазочных материалов на четырехшариковой машине трения ЧМТ-1 приведены в табл. 5.
Гистограммы нагрузки сваривания и индекса задира для различных смазочных материалов представлены на рис. 5 и рис. 6 соответственно.
Полученные результаты подтверждают, что у окисленных СМ И-40 и КС-19 значительно лучше смазывающие свойства по сравнению с обычными масляными основами. Поэтому ремонтно-восстановительные составы, приготовленные на основе окисленных масел, показывают более высокие показатели качества работ узла трения. Кроме того, приведенные выше результаты испытаний свидетельствуют, что трибологические показатели ремонтно-восстановительных составов значительно лучше, чем у обычных СМ.
Таблица 5
Результаты испытаний на четырехшариковой машине трения ЧМТ-1
Образцы смазочных материалов ЧМТ-1
Нагрузка сваривания (Рс), Н Показатель износа (Ди), мм (1000 Н; 10 сек) Показатель износа (Ди), мм (400 Н; 1 час) Критическая нагрузка (РК), Н Индекс задира (Из)
И-40 1260 2,67 0,90 500-630 20
И-40 окисл. 2370 1,50 0,70 800-1000 31
И-40 окисл.+серпен. (0,3 %) 2660 1,30 0,65 800-1000 34
И-40 окисл. + серпен.(0,3 %) + Мп02 (0,05 %) 2660 1,10 0,60 800-1000 36
КС-19 1880 1,90 0,80 630-800 29
КС-19 окисл. 2990 0,60 0,65 800-1000 40
КС-19 окисл.+сепен. (0,3 %) 3350 0,43 0,55 800-1000 42
КС-19 окисл +серпен. (0,3 %)+ Мп02 (0,05 %) 3550 0,40 0,48 1000-1130 45
Рис. 5. Гистограмма нагрузки сваривания для различных смазочных материалов
Рис. 6. Гистограмма индекса задира для различных смазочных материалов
ВЫВОДЫ
При работе пар трения с применением СМ без добавки не обнаружено образования металлокерамического покрытия (пленки) на поверхностях трения. При работе пар трения с применением ремонтно-восстановительного состава на основе окисленного СМ обнаружено снижение температуры смазочного материала и силы трения, снижение износа, увеличение веса ролика и обоймы, увеличение их микротвердости, а также работой пар трения без смазочного материала значительное время (после предварительной работы с использованием СМ с добавками ГМТ (РВС)). Все это (а в особенности увеличение веса ролика и обоймы и их микротвердости) свидетельствует об образование металлокерамического покрытия (пленки), обладающего антифрикционными и противоизносными свойствами.
Можно сделать вывод, что при добавлении в окисленный СМ серпентина на железосодержащих поверхностях трения образуется самоорганизующееся защитное металлокерамическое покрытие (пленка) характерное для избирательного переноса (эффекта безызносности).
Наибольшую работоспособность трибосоп-ряжений обеспечивает следующий ремонтновосстановительный состав: масло КС-19 окисленное + серпентин (0,3 %) + Мп02 (0,05 %).
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Телух Д. М., Кузьмин В. Н., Усачев В. В.
Использования слоистых гидросиликатов в трибо-сопряжениях // Интернет-журнал «Трения, износ, смазка». 2009. № 3.
2. Евграфов И. В., Дунаев А. В. Новые приемы в безразборном ремонте ДВС полиминеральными серпентиновыми препаратами // Ремонт, восстановление, модернизация. 2006. № 4. С. 21-24.
3. Гаркунов Д. Н. Триботехника (износ и бе-зызносность). М. МСХА, 2001. 616 с.
4. Нигматуллин В. Р. Окислительная десуль-фуризация в производстве базовых масел. Уфа: ГУП ИНХП РБ, 2010. 56 с.
5. Шолом В. Ю., Казаков А. М., Тюле-нев Д. Г. Методы оценки эффективности технологических смазочных материалов для процессов металлообработки // Приводная техника. 2004. № 1. С. 5-12.
6. Жуков С. П. Электронный учебнометодический комплекс «Электротехника и электроника». ФГОУ ВПО Красноярский государственный аграрный университет, 2009. 544 с.
ОБ АВТОРАХ
Нигматуллин Ришат Гаязович, проф. каф. оборудования и технологии сварочн. производства. Дипл. инженер-технолог (Уфимск. нефт. ин-т, 1974). Д-р техн. наук (Уфимск. гос. нефт. техн. ун-т, 1999). Иссл. в обл. химмотологии.
Шолом Владимир Юрьевич, проф. каф. меха-тронных станочных систем. Дипл. инженер-механик (УАИ, 1980). Д-р техн. наук (Российск. гос. ун-т нефти и газа им. И. М. Губкина, 2006). Иссл. в обл. технологическ. смазочных материалов.
Шустер Лёва Шмульевич, проф. каф. основ конструирования механизмов и машин. Дипл. инженер-механик (УАИ, 1962). Д-р техн. наук (Российск. гос. ун-т нефти и газа им. И. М. Губкина, 1990). Иссл. в обл. высокотемпературн. трибологии и механообработки.
Нигматуллин Искандер Мударисович, асп. той же каф. Дипл. инженер-технолог (УГАТУ, 2009). Иссл. в обл. высокотемпературн. трибологии.
