CC BY
41
УДК 621.793
ПРИМЕНЕНИЕ ТРИБОТЕХНИЧЕСКИХ ОРГАНОМИНЕРАЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ — ЭФФЕКТИВНЫЙ МЕТОД ПОВЫШЕНИЯ ТОПЛИВО- И
МАСЛОИСПОЛЬЗОВАНИЯ
Леонтьев Л.Б., д.т.н., профессор кафедры «Сварочное производство», ФГАОУ ВО «Дальневосточный федеральный университет» Шапкин Н.П., д.х.н., профессор кафедры «Общая, неорганическая и элементоорганическая химия», ФГАОУ ВО «Дальневосточный
федеральный университет» Макаров В.Н., старший мастер цеха №19 АО Центр судоремонта «Дальзавод» Кончаков Е.И., д.т.н., профессор кафедры «Судовая энергетика и автоматика», ФГАОУ ВО «Дальневосточный федеральный
университет»
Большое влияние на расход топлива и масла оказывает техническое состояние дизеля и, в первую очередь, топливной аппаратуры и деталей цилиндропоршневой группы. Одним из наиболее перспективных путей повышение эффективности использования топлива и смазочных масел является увеличение износостойкости поверхностей трения деталей двигателей. Радикальное повышение износостойкости узлов трения судовых дизелей может быть решено путем формирования износостойкого металлокерамического покрытия при использовании природных слоистых силикатов или их композиций для трибомодифицирования рабочих поверхностей. В статье приведены триботехнические и механические свойства, а также параметры шероховатости металлокерамических покрытий. На примере изменения величины цикловой подачи плунжерными парами топливных насосов высокого давления судовых дизелей показано, что формирование металлокерамического покрытия на плунжере позволяет в несколько раз снизить потери топлива, особенно в момент пуска двигателя, благодаря повышению износостойкости и созданию оптимальной топографии поверхности.
Ключевые слова: органоминеральные материалы, топливо, смазочное масло, эффективность, износостойкость.
APPLICATION OF TRIBOTECHNICAL ORGANOMINERAL MATERIALS -EFFECTIVE METHOD OF IMPROVEMENT FUEL AND OIL USE
Leontev L., Doctor of Technical Sciences, professor of the Welding Production chair, FSAEIHPE «Far Eastern Federal University» Shapkin N.P., Doctor of chemical sciences, professor of the General, inorganic and organoelemental chemistry chair, FSAEI HPE «Far Eastern
Federal University»
Makarov V., senior workshop master № 19, Joint Stock Company Ship Repair Center «Dalzavod» Konchakov E., Doctor of Technical Sciences, professor of the Ship Power and Automation chair, FSAEI HPE «Far Eastern Federal University»
A great influence on fuel and oil consumption is provided by the technical condition of the diesel engine and, first of all, the fuel equipment and parts of the cylinder-piston group. One of the most promising ways to increase the efficiency of using fuel and lubricating oils is to increase the wear resistance of friction surfaces of engine parts. Radical increase in wear resistance of friction units of marine diesel engines can be solved by forming a wear-resistant metal-ceramic coating using natural layered silicates or their compositions for tribomodification of working surfaces. The paper presents tribotechnical and mechanical properties, as well as parameters of roughness of metal-ceramic coatings. On the example of the change in the cyclic delivery rate by plunger pairs of high-pressure fuel pumps for marine diesel engines, it has been shown that the formation of a metal-ceramic coating on the plunger allows several times to reduce fuel losses, especially at the time of engine start-up, due to an increase in wear resistance and the creation of an optimal surface topography.
Keywords: organomineral materials, fuel, lubricating oil, efficiency, wear resistance.
Введение. Повышение эффективности использования топлива и смазочных масел является одной из важнейших проблем в различных отраслях народного хозяйства. Большое влияние на расход топлива и масла оказывает техническое состояние дизеля и, в первую очередь, топливной аппаратуры и деталей цилиндропоршневой группы (ЦПГ).
Установлено, что 70-90 % судовых дизелей имеют заниженную мощность при повышенном удельном расходе топлива из-за нестабильной работы топливной аппаратуры, что приводит к значительному перерасходу топлива. При эксплуатации дизелей происходит износ прецизионных деталей топливных насосов высокого давления (ТНВД) и форсунки. Износ этих деталей приводит к увеличению зазоров в сопряжении и как следствие — к потере гидроплотности, снижению мощности судовых дизелей и перерасходу топлива [1, 2].
Надежность и экономичность дизелей во многом зависят от качества эксплуатационных свойств применяемых моторных масел, которые в процессе транспортировки, хранения и использования ухудшаются, что влечет за собой повышение скорости изнашивания основных деталей двигателей. Низкая эффективность маслоисполь-зования на судах также вызвана тем, что в процессе эксплуатации дизелей из-за применения низкосортных масел возрастает изнашивание их основных деталей. Интенсивное изнашивание ЦПГ двигателей приводит к значительной величине угара масла, которая на большинстве ДВС равна 3-7 г/(кВт^ч). Для судовых дизелей в настоящее время общие затраты на смазочные масла составляют около 10 % стоимости производимой мощности. В том числе, расход на замену отработанного масла колеблется от 10 до 40 % его общего расхода [3]. Также многими авторами [3, 4 и др.] отмечается, что
несвоевременная смена масла приводит к повышенному расходу сменно-запасных частей из-за повышенных скоростей изнашивания. Поэтому переходя к смене масла по фактическому состоянию надо не просто ориентироваться на достижение одного из показателей браковочного показателя работающего масла, а рассматривать этот вопрос комплексно с учетом интенсивности изнашивания пар трения, которая оценивается по содержанию продуктов износа в работающем моторном масле.
Следовательно, одним из наиболее перспективных путей повышение эффективности использования топлива и смазочных масел является увеличение износостойкости поверхностей трения деталей двигателей. Износостойкость трибосопряжения определяется физическими параметрами процесса и механическими свойствами материалов. Так как на физические параметры процесса изнашивания нет возможности оказывать существенное влияние, управлять этим процессом можно путем получения оптимальных параметров физико-механических свойств и топографии поверхностей трения.
В настоящее время радикальное повышение износостойкости узлов трения машин, механизмов и оборудования может быть решено путем формирования износостойкого металлокерамиче-ского покрытия. В качестве триботехнических материалов для трибомодифицирования поверхностей трения наиболее часто применяют природные слоистые силикаты или их композиции [5-8]. Наиболее перспективными триботехническими материалами для большинства пар трения являются композиты и композиции на основе вермикулита [7].
Материалы и методика испытаний. Для исследования были взяты серпентинит и вермикулит и композиции на их основе [9]. Для уменьшения абразивных свойств вермикулита его подвергали
модифицированию соляной кислотой. Композиции материалов получали путем механической активации в кавитационном дис-пергаторе в смазке.
Триботехнические испытания проводили на универсальной машине трения модели УМТВК в условиях граничного трения при постоянной скорости скольжения 0,63 м/с. Схема испытаний зависела от условий работы конкретной пары трения.
Основной вид изнашивания плунжерной пары — абразивный, поэтому испытания проводили с искусственным загрязнителем в смазке. В качестве искусственного загрязнителя использовалась кварцевая пыль дисперсностью 1-5 мкм. Концентрация загрязнителя в топливе составляла 1%. Смазку пары трения осуществляли капельным способом (50-55 капель в минуту). Для смазки применялось дизельное топливо марки Л-0,5 по ГОСТ 305 82. Для триботехнических испытаний образцы изготавливали из стали ХВГ в форме роликов диаметром 45 мм [2], часть образцов покрывали гальваническим хромом толщиной 12 15 мкм. В качестве неподвижного образца использовался ролик из стали ХВГ твердостью 60-61 НЯО. Время испытаний каждой пары трения составляло четыре часа. Нагрузка изменяли от 100 до 500 Н. Испытания проводили по схеме «ролик - ролик».
Триботехнические испытания для пары трения «вал - вкладыш подшипника» проводили по схеме «ролик - колодка». В качестве неподвижного образца использовались колодки, вырезанные из вкладыша типа «ЯШеп^ег» («М1Ъа» 33), который имеет регулярный микрорельеф в виде винтовой канавки глубиной 16-40 мкм и шагом около 0,15 мм на всей поверхности трения, что обеспечивает высокую усталостную прочность и способность выдерживать высокие удельные нагрузки. Ролики для упрочнения изготавливали из стали 40Х твердостью 230 НВ, так как свыше 80% коленчатых валов судовых дизелей имеют твердость шеек в диапазоне 201-230 НВ. Смазку пары трения осуществляли капельным способом (5-6 капель в минуту). Для смазки применялось работающее дизельное масло марки М-14-Д2(цл 30) [7].
Триботехнические испытания для пары трения «сталь + покрытие - сталь + покрытие» проводили по схеме «ролик - ролик». Ролики для упрочнения изготавливали из стали 40Х твердостью 230 НВ.
Морфологию и локальные свойства покрытий исследовали на сканирующем зондовом атомно-силовом микроскопе ВРМ-9600 (АСМ) фирмы 8Ышаёш (Япония) с высоким пространственным разрешением.
Определение механических свойств тонкопленочных покрытий осуществляли путем наноиндентирования. Для исследования механических свойств покрытий на наноуровне использовали ультра-микротестер для динамических испытаний твердости материалов БиН-2118 фирмы ВЫшасСги.
Для выявления характера и динамики износа плунжерных пар с различными видами покрытий проведены сравнительные ускоренные испытаний на универсальном стенде для испытаний и регулировки топливных насосов высокого давления (ТНВД) дизелей типа СДТ-4.
Для исследований были взяты следующие опытные плунжерные пары:
- новая плунжерная пара;
- плунжерная пара с хромированным плунжером;
- плунжерная пара с хромированным плунжером и последующим упрочнением композицией 90% серпентинита + 10% вермикулита;
- плунжерная пара с хромированным плунжером и последующим упрочнением композицией 90% серпентинита + 10% вермикулита, модифицированного хитозаном.
Результаты эксперимента и их обсуждение.
Модифицирование поверхностей трения осуществляли фрикционным методом. Модифицирующий состав, состоящий из модифицирующего материала и масла, наносится на упрочняемую поверхность. В процессе упрочнения данная смесь подается в зону трения каждые 15-20 с капельным методом. При модифицировании конструкционных сталей (например. 45, 40Х и др.) предпочтительным является режим ступенчатого увеличения усилия прижатия индентора к упрочняемой поверхности: с интервалом 100 Н, минимальная величина усилия 100 Н, максимальная - 400 Н, время воздействия при каждой нагрузке 1 минута [7].
Установлено (табл. 1), что формирование тонкопленочных покрытий в результате модифицирования органоминеральными три-ботехническими материалами позволяет в несколько раз уменьшить скорость изнашивания трибосопряжения и коэффициент трения. Причем для повышения износостойкости покрытия необходимо, чтобы состав покрытия обеспечивал формирование механических и триботехнических свойств поверхностного слоя, обладающего максимальной твердостью при минимальных модуле упругости и коэффициенте трения.
Наиболее оптимальные эксплуатационные характеристики при модифицировании гальванического хрома обеспечивает композиция, состоящая из 90% серпентинита + 10% вермикулита, модифицированного хитозаном.
Модифицирование гальванического хрома органоминеральными материалами позволяет получить металлокерамический или метал-лоорганокерамический слой толщиной около 3 мкм [2]. Исследование композиционных покрытий с помощью рентгено-электронной спектроскопии позволило установить состав металлокерамической пленки на глубине до 100 нм при упрочнении хрома композицией 90% серпентинита + 10% вермикулита, модифицированного хито-
Таблица 1. Механические и триботехнические свойства износостойких покрытий
Триботехнический материал для формирования покрытия Модуль упругости покрытия, Е 105, МПА Динамическая нанотвердость покрытия, HV Коэффициент трения Скорость изнашивания диска, мг/ч Скорость изнашивания котртела, мг/ч
Пара трения «сталь ХВГ - сталь ХВГ + покрытие»
Гальванический хром 2,40 1043 0,209 1,8 7,2
Хром + композиция (90% серпентинита + 10% вермикулита) 2,26 1137 0,137 0,6 2,1
Хром + композиция (90% серпентинита + 10% вермикулита, модифицированного хитозаном) 2,11 1067 0,122 0,2 2,0
Пара трения «сталь 40Х + покрытие - вкладыш подшипника»
Сталь после шлифования 10,32 356 - - -
Сталь после трибои-спытаний 22,63 588 0,085 2,7 10,5
Серпентинит 6,22 489 0,005 1,4 2,5
Вермикулит + HCl 1,79 699 0,036 0,3 2,1
Трибоникс 1,73 481 0,022 0,6 1,7
Пара трения «сталь 40Х + покрытие - сталь 40Х + покрытие»
Трибоникс 1,61 334 0,014 0,4 0,1
Примечание Значения триботехнических свойств приведены при нагрузке 400 Н.
Рис. 1. Топография поверхностей плунжеров ТНВД: а - после хромирования; б - упрочнения композицией 90% серпентинита + 10% вермикулита, модифицированного хитозаном
заном (в атомных процентах): C = 56.23, O = 21.83, Cr = 10.89, Si = 3.78, Al = 4.93, Na = 1.78, Mn =0.33, Fe = 0.23.
Для пара трения «сталь 40Х - вкладыш подшипника» наиболее перспективными триботехническими материалами являются вермикулит, модифицированный кислотой и композиция «Трибоникс» на основе вермикулита.
Пара трения «металлокерамика - металлокерамика» в процессе формирования покрытия, как правило, имеет более низкий коэффициент трения чем пара «металлокерамика - вкладыш подшипника» (табл. 1). Следовательно, введение триботехнических материалов в смазку для пар трения «сталь - сталь», «сталь - чугун» и «сталь -вкладыш подшипника» весьма перспективно.
Для определения изменений параметров шероховатости в микроповерхностях ограниченного масштаба вследствие модифицирования поверхности и формирования тонкопленочного покрытия, а также в процессе триботехнических испытаний были проведены сравнительные исследования на атомно-силовом микроскопе (АСМ).
Анализ параметров шероховатости и топографии поверхностей трения плунжерных пар и образцов позволил установить значительную анизотропию геометрических характеристик по направлениям (рис. 1, табл. 2). Исключение составляют гальванические хромовые покрытия вследствие наличия пор и микротрещин на поверхности, которые распределены на поверхности примерно одинаково. Минимальные параметры шероховатости по направлению обработки поверхности получаются после модифицирования гальванического хрома материалами на основе серпентинита. Причем для всех поверхностей трения минимальные величины микронеровностей совпадают с направлением механической или упрочняющей обработок. Оптимальной топографией, обеспечивающей минимальную удельную нагрузку на поверхность вследствие увеличения опорной
длины профиля, обладает поверхность хрома после ее упрочнения композицией 90% серпентинита + 10% вермикулита, модифицированного хитозаном (рис. 2, б).
Анализ параметров шероховатости и топографии поверхностей трения стальных неупрочненных образцов и после их модифицирования триботехническими материалами позволил установить также значительную анизотропию геометрических характеристик по направлениям (табл. 2 и рис. 2).
Параметры шероховатости поверхностей трения стальных неупрочненных образцов в процессе испытаний в условиях трения при граничной смазке существенно изменяются, а именно: происходит увеличение параметров шероховатости только в направлении перпендикулярном направлению вращения образца вследствие образования царапин и рисок на поверхности (рис. 2) из-за наличия механических примесей в циркуляционном масле СОД, средний шаг неровностей профиля возрастает в обоих направлениях более чем в 5 раз.
Максимальные величины параметров шероховатости из исследованных образцов (табл. 2) образуются при модифицировании стали серпентинитом (Ra и Rz), которые превышают даже параметры неупрочненной стали. Минимальные параметры шероховатости получаются после модифицирования стали композитом: вермикулит + HCl + хитозан + карбонат магния. Следует отметить, что по направлению обработки поверхности органонеорганическими материалами параметры шероховатости намного меньше. Модифицирование стали композитами позволяет получить топографию поверхности, близкую к идеальную, которая обеспечивает высокую фактическую площадь контакта и минимальную удельную нагрузку на поверхность вследствие увеличения опорной длины профиля при хорошей маслоудерживающей способности благодаря большому количеству микровпадин с плавными краями и, соответственно, высокую износостойкость сопряжения.
Таблица 2. Параметры шероховатости образцов из стали 45 и 40Х с различными типами тонкопленочных износостойких покрытий, полученные на АСМ
Вид обработки стали или материал для модифицирования Параметры шероховатости, мкм
Среднее арифметическое отклонение профиля Ra Высота неровностей профиля по десяти точкам Rz, Средний шаг неровностей профиля Sm,
Хром гальванический 0,050 /0,063 0,290 / 0,364 2,27 / 3,74
Хром + композиция 90% серпентинита + 10% вермикулита, модифицированного хитозаном 0,026 / 0,147 0,190 / 0,630 7,93 / 10,9
Сталь после шлифования 0,045 / 0,067 0,265 / 0,346 2,5 / 3,9
Сталь неупрочненная после триботехнических испытаний 0,057 / 0,323 0,248 / 1,302 13,5 / 23,4
Серпентинит 0,179 / 0,419 0,811 / 1,980 1,07 / 12,42
Вермикулит 0,048 / 0,045 0,254 / 0,370 0,64 / 2,08
Композит: вермикулит + HCl + хитозан + карбонат магния 0,036 / 0,053 0,176 / 0,357 1,6 / 3,6
Примечание. В числителе приведено значение параметра по направлению вращения образца, в знаменателе — перпендикулярно направлению вращения образца.
Рис. .2. Топография поверхностей образцов из стали: а - без покрытия после триботехнических испытаний; после упрочнения: б -серпентинитом; в - вермикулитом; г - композитом: вермикулит + HCl + хитозан + карбонат магния
Анализ результатов стендовых испытаний серийной плунжерной пары и пар с различными износостойкими покрытиями позволил установить:
- минимальный износ наблюдается у плунжерных пар, восстановленных с использованием композиционных покрытий: износ пары с покрытием плунжера хромом, упрочненным композицией 90% серпентинита + 10% вермикулита, модифицированного хитоза-ном примерно в 2,6 раза меньше, чем у серийных и 2,1 раза меньше, чем хромированных; износ пары с покрытием плунжера хромом, упрочненным композицией 90% серпентинита + 10% вермикулита примерно в 2,4 раза меньше, чем у серийных и 1,9 раза меньше, чем хромированных;
- плунжерные пары, восстановленные хромированием, имеют износ в 1,25 раза меньше, чем серийные.
Основным критерием работоспособности плунжерных пар является цикловая подача топлива насосом на пусковых оборотах (для СОД это 1,67 с—1 (100 мин-1)). Поэтому анализ долговечности плунжерных пар проводили как по изменениям цикловой пусковой подачи топлива и давления топлива в топливопроводе высокого давления на пусковых оборотах.
Цикловая подача серийных плунжерных пар ТНВД по окончании сравнительных испытаний на стенде снизилась в 2,65 раза, восстановленных хромированием - в 2,25 раза, в то время как восстановленных с применением композиционного покрытия - на 31,1% (модифицирующий состав — 90% серпентинита + 10% (вермикулит + хитозан) и на 35,5% (композиция 90% серпентинита + 10% вермикулита) вследствие высокой износостойкости покрытия и, соответственно, минимальной величины износа в верхней части сопряжения «плунжер - втулка».
Таким образом, повышение износостойкости узлов трения судовых дизелей путем использования триботехнических органоми-неральных материалов в смазке для формирования тонкопленочных
металлокерамических покрытий позволяет значительно увеличить эффективность использования топлива и смазочных масел.
Литература:
1. Бахтиаров Н.И., Логинов В.Е., Лихачев И.И. Повышение надежности работы прецизионных пар топливной аппаратуры дизелей. М.: Машиностроение, 1972. 200 с.
2. Леонтьев Л.Б., Леонтьев А.Л., Шапкин Н.П. Разработка композиционных износостойких покрытий для пар трения «плунжер - втулка» топливных насосов высокого давления дизелей : монография. - Владивосток: Издательский дом ДВФУ, 2012. - 103 с.
3. Кича Г.П., Перминов Б.Н., Надежкин А.В. Ресурсосберегающее маслоиспользование в судовых дизелях. - Владивосток: Мор. гос. ун-т, 2011. - 372 с.
4. Большаков В.Ф., Фомин Ю.Я., Павленко В.Н. Эксплуатация судовых среднеоборотных дизелей. М.: Транспорт, 1983. 160 с.
5. Погодаев Л.И. Влияние геомодификаторов трения на работоспособность трибосопряжений // Проблемы машиностроения и надежности машин, 2005, № 1. - С. 58-66.
6. Погодаев Л.И., Крюков Е.Ю., Усачев В.В. К механизму взаимодействия природных слоистых гидросиликатов с поверхностями трения // Проблемы машиностроения и надежности машин. - 2009. № 5. С. 71-81.
7. Леонтьев Л.Б., Шапкин Н.П., Леонтьев А.Л. Формирование износостойких покрытий на прецизионных узлах трения // Металлообработка. 2011. № 3. С. 14-17.
8. Jaber M., Miehe-Brenble J., Roux M. A new Al- Mg-organoclay // New J. Chem. 2000, pp. 1597-1600.
9. Леонтьев Л.Б., Шапкин Н.П., Леонтьев А.Л., Макаров В.Н. Особенности формирования износостойкого металлокерамического покрытия на поверхностях трения стальных деталей // Металлообработка. 2014, №6(84). С. 41-51.
