CC BY
17
УДК 621.895 (075)
ВЛИЯНИЕ СТАЛИ ШХ15 НА ПРОЦЕССЫ ТЕМПЕРАТУРНОЙ ДЕСТРУКЦИИ МИНЕРАЛЬНОГО МАСЛА М10-Г2К И ЕГО ТРИБОТЕХНИЧЕСКИЕ ПАРАМЕТРЫ В УСЛОВИЯХ ГРАНИЧНОГО ТРЕНИЯ СКОЛЬЖЕНИЯ
©Б.И. Ковальский1, В.Г. Шрам2, Ю.Н. Безбородов3, А.А. Метелица4
Сибирский федеральный университет, Институт нефти и газа,
660041, Россия, г. Красноярск, пр. Свободный, 82/6.
Целью исследования является определение триботехнических параметров стали ШХ15 при ее термостатирова-нии в объеме минерального моторного масла в диапазоне температур от 140 до 240 °С.Представлены результаты испытания на термоокислительную стабильность. Установлен критерий каталитического влияния стали ШХ15 на окислительные процессы минерального масла и износостойкость стали. Ил. 8. Библиогр. 4 назв.
Ключевые слова: коэффициенты поглощения светового потока; электропроводности и интенсивности ме-ханохимических процессов; критерий противоизносных свойств; коэффициент каталитического влияния стали.
EFFECTS OF ШХ15 STEEL ON TEMPERATURE DESTRUCTION OF М10-Г2К MINERAL OIL AND ITS TRIBO-TECHNICAL PARAMETERS UNDER BOUNDARY SLIDING FRICTION B.I. Kovalsky, V.G. Shram, Yu.N. Bezborodov, A.A. Metelitsa
Siberian Federal University, Institute of Oil and Gas,
82/6, Svobodny Av., Krasnoyarsk, Russia, 660041.
The goal of the study is to determine the tribotechnical parameters of ШХ15 steel under its thermostating in the volume of mineral motor oil within the temperature range from 140 to 240 °C. The results of testing for thermal -oxidative stability are presented. A criterion of ШХ15 steel catalytic effect on the oxidative processes of mineral oil and wear resistance of steel is determined. 8 figures. 4 sources.
Key words: luminous flux absorption coefficients; electroconductivity and intensity of mechanochemical processes; anti-wear criterion; coefficient of steel catalytic effect.
Сталь ШХ15 находит широкое применение при изготовлении подшипников качения, однако научное обоснование причин их работоспособности с различными смазочными материалами исследовано недостаточно. Можно констатировать, что поверхности тел качения при работе подшипников качения разделены эластогидродинамическим слоем смазочного материала. Кроме того, на поверхностях тел качения могут формироваться физические адсорбционные слои молекул смазочного материала, хемосорбционные и химически модифицированные слои [1]. Интенсивность формирования этих слоев зависит от поверхностной энергии твердого тела, химической активности приса-
док, продуктов окисления и деструкции, а также температурных условий.
Известно [2], что в трибосистемах с граничным трением особую роль играют координационные соединения, образующиеся на поверхности трущихся тел и в объеме смазочного материала, повышающих нагрузку схватывания. Поэтому на интенсивность этих процессов оказывают влияние не только внешние воздействия, но и взаимное влияние материалов пар трения, смазка и ее продукты окисления и температурной деструкции.
В работе [3] установлено влияние стали ШХ15 на ускорение окислительных процессов моторных масел
1 Ковальский Болеслав Иванович, доктор технических наук, профессор кафедры топливообеспечения и горючесмазочных материалов, тел.: (391) 2062931, e-mail: [email protected]
Kovalsky Boleslav, Doctor of technical sciences, Professor of the Department of Fuel Supply and Lubricants, tel.: (391) 2062931, email: [email protected]
2Шрам Вячеслав Геннадьевич, аспирант, тел.: 89504014163, e-mail: [email protected] Shram Vyacheslav, Postgraduate, tel.: 89504014163, e-mail: [email protected]
3Безбородов Юрий Николаевич, доктор технических наук, профессор кафедры топливообеспечения и горючесмазочных материалов, тел.:89029820488, e-mail: [email protected]
Bezborodov Yuri, Doctor of technical sciences, Professor of the Department of Fuel Supply and Lubricants, tel.: 89029820488, e-mail: [email protected]
"Метелица Артем Александрович, кандидат технических наук, старший преподаватель кафедры проектирования и эксплуатации газонефтепроводов, тел.: 89135198908, e-mail: [email protected]
Metelitsa Artem, Candidate of technical sciences, Senior Lecturer of the Department of Design and Exploitation of Oil and Gas Pipelines, tel.: 89135198908, e-mail: [email protected]
различной базовой основы, однако влияние продуктов окисления на износостойкость стали не рассмотрено. В этой связи важное научное и практическое значение приобретают исследования по выявлению зависимости взаимного влияния смазочного материала и стали ШХ15 на триботехнические параметры от высоких температур.
Целью настоящих исследований является определение триботехнических параметров стали ШХ15 при ее термостатировании в объеме минерального моторного масла в диапазоне температур то 140 до 240 °С.
Для достижения поставленной цели разработан прибор для термостатирования стали ШХ15 в объеме смазочного материала. Проба масла массой 100 г заливалась в термостойкий стакан, на наружной поверхности которого установлен нагревательный элемент, изолированный термоизоляцией и помещенный в металлический корпус. В центр стакана помещена термопара "хром-капель" для измерения температуры масла в объеме. Температура задавалась дискретно; в процессе термостатирования поддерживалась автоматически с точностью ±1 °С. В стакан с маслом помещалась обойма роликового подшипника №7208 (ГОСТ 8338-75). Температура испытания увеличивалась от 140 до 240 °С через 20 °С. Время испытания составляло 8 часов. После каждых 8-ми часов отбирались пробы термостатированного масла для фото-метрирования, определения оптических свойств масла (коэффициент поглощения светового потока) и испытания на трехшариковой машине трения со схемой трения "шар-цилиндр". Особенностью трехшариковой машины трения является взаимодействие трех шаров по индивидуальным дорожкам трения, причем через один из шаров пропускался постоянный ток (100 мкА) от внешнего стабилизированного источника питания (3В) [4], что позволяло исследовать электропроводность фрикционного контакта. В качестве образцов применялись шары диаметром 9,5 мм от шарикоподшипника №204 (ГОСТ 8338-75) и обойма роликового подшипника №7208 диаметром 80 мм.
Параметры трения составляли: нагрузка 13 Н, скорость скольжения 0,68 м/с, температура масла в объеме 80 °С, время испытания 2 часа. Противоиз-носные свойства термостатированных масел оценивались на обоймах, не участвовавших в термостати-ровании, и обоймах, участвовавших в термостатиро-вании совместно с маслом. Исследования проводились на дизельном моторном масле М10-Г2К.
Ток, пропускаемый через фрикционный контакт, через преобразователь записывался на компьютере в виде диаграммы, по которой определялось суммарное время пластической и упругопластической деформаций и величина тока, протекающего через фрикционный контакт, что позволило оценить влияние температуры на противоизносные свойства масла и износостойкость стали при термостатировании ее совместно с маслом.
На рис. 1 представлена зависимость изменения оптических свойств, выраженных коэффициентом поглощения светового потока, от температуры испыта-
ния моторного масла М10-Г2К совместно со сталью ШХ15. Установлено три температурных области (140160 °С, 160-220 °С и 220-240 °С), где оптические свойства масла изменяются с разной скоростью из-за различной концентрации и состава продуктов температурной деструкции, что влияет на свойства граничных слоев при трении скольжения. Причем при температуре 240 °С процессы деструкции протекают со скоростью больше в два раза, чем при температуре 220 °С.
Противоизносные свойства термостатированных масел (рис. 2) определялись в сравнении при его испытании на машине трения с обоймой, не подвергшейся термостатированию (кривая 1), и с обоймой, подвергшейся термостатированию в среде масла (кривая 2). Установлено, что при испытании термостатированных масел в диапазоне температур от 140 до 240 °С на не термостатированной обойме (кривая 1) износ колеблется от 0,26 до 0,33 мм, а на термостатированной обойме (кривая 2) износ увеличивается от температуры 180 °С и составляет от 0,44 до 0,54 мм; это происходит при значениях коэффициента поглощения светового потока кП > 0,25 ед. (рис. 2б).
Рис. 1. Зависимость коэффициента поглощения светового потока от температуры испытания минерального моторного масла М10-Ггк со сталью ШХ15
Поскольку оптические свойства термостатированного масла при испытании разных обойм одинаковы, то на параметр износа оказывают влияние изменения механических свойств стали ШХ15, термостатированной совместно с маслом. Изменение этих свойств начинается при температуре 180 °С (рис. 2а).
В работе предложен критерий противоизносных свойств П термостатированных масел, определяемый отношением
П =
Кп и
где КП - коэффициент поглощения светового потока; и - параметр износа (среднеарифметическое значение на трех шарах), мм.
Рис. 2. Зависимости диаметра пятна износа от температуры испытания (а) и коэффициента поглощения светового потока (б) при термостатировании минерального моторного масла М10-Ггк'-1 - обойма без термостатирования в масле; 2 - обойма с термостатированием в масле
Зависимость критерия П от температуры термостатирования и коэффициента поглощения светового потока представлена на рис. 3. Он характеризует условную концентрацию продуктов температурной деструкции на номинальной площади фрикционного контакта. Установлено, что условная концентрация продуктов деструкции на фрикционном контакте при увеличении температуры испытания выше при испытании масла на не термостатированной обойме (рис. 3а) за счет уменьшения параметра износа. Более того, зависимость критерия от концентрации продуктов деструкции (кП ) (рис. 3б) имеет линейный характер, а при испытании масла с термостатированной обой-
мой (кривая 2) зависимость П = /(КП) имеет изгиб при кП = 0,22 ед. и температуре 160 °С, то есть изменяется механизм изнашивания за счет износостойкости стали. При этом угол наклона зависимости П = /(КП) (кривая 2) к оси абсцисс уменьшается,
что свидетельствует о снижении противоизносных свойств масла. В этом случае при изменении механических свойств стали смазочный материал не может обеспечить низкий уровень параметра износа. С этой целью исследуем изменение электропроводности фрикционного контакта от температуры испытания (рис. 4).
Рис. 3. Зависимость критерия противоизносных свойств от температуры (а) и коэффициента поглощения светового потока (б) при термостатировании минерального моторного масла М10-Ггк (усл. обозн. см. на рис. 2)
Рис. 4. Зависимость коэффициента электропроводности фрикционного контакта от температуры испытания
минерального моторного масла М10-Ггк
Электропроводность фрикционного контакта определялась безразмерным коэффициентом Кэ :
=
'фк
где /ФК - ток, протекающий через фрикционный контакт при трении; 1З - заданный ток (100мкА) при статическом положении образцов.
Установлено, что в температурной области от 140 до 180 °С коэффициенты электропроводности при испытании термостатированного масла на обоймах независимо от их термостатирования имеют одинаковую тенденцию изменения (возрастают), однако в температурной области от 180 до 240 °С имеют существенное различие. Так, для не термостатированной обоймы коэффициент КЭ уменьшается, а для термостатированной он стабилизируется в диапазоне температур от 180 до 220 °С, а затем увеличивается. Этим и объясняется увеличение параметра износа, так как на поверхностях трения отсутствует защитная граничная пленка. В этой связи можно предполагать, что в диапазоне температур от 140 до 180 °С независимо от термостатирования обоймы на поверхностях трения формируются адсорбционные граничные слои, а в диапазоне температур от 180 до 240 °С на не термостатированной обойме и шарах формируются хе-мосорбционные слои, представляющие химические соединения продуктов деструкции с металлическими поверхностями, поэтому коэффициент КЭ уменьшается. В случае применения термостатированной обоймы (рис. 4, кривая 2) на ее поверхности уже сформирован хемосорбционный слой при термоста-тировании в масляной среде, который при трении изнашивается, обнажая чистые поверхности, вызывающие в начале стабилизацию коэффициента КЭ, а
затем его увеличение. Это подтверждается интенсивностью механохимических процессов, протекающих на фрикционном контакте и определяющих коэффициент Кмхп (рис. 5).
кмхп = и • Кэ , где и - параметр износа, мм; Кэ - коэффициент электропроводности фрикционного контакта.
Как видно, зависимости коэффициента интенсивности механохимических процессов имеют аналогичный характер изменения от температуры испытания, как и коэффициент Кэ .
Время формирования номинальной площади фрикционного контакта также зависит от температуры испытания и термостатирования обоймы в среде масла (рис. 6), однако оно для не термостатированной обоймы уменьшается в области формирования адсорбционных слоев, а в области хемосорбционных слоев время колеблется от 5 до 15 мин. Для термостатированной обоймы в области формирования адсорбционных слоев время увеличивается, а в области формирования хемосорбционных слоев - уменьшается.
Рис. 5. Зависимость коэффициента интенсивности
механохимических процессов от температуры испытания минерального моторного масла М10-Ггк
Таким образом, зависимостями Кэ = /(Т), КМХП = /(Т) и /ФПК = /(Т) установлены температурные области формирования адсорбционных (140180 °С) и хемосорбционных (180-240 °С) граничных слоев. В этой связи исследуем зависимость параметра износа от коэффициента электропроводности и времени формирования фрикционного контакта для выяснения характера изменения параметра износа в температурных областях формирования адсорбционных и хемосорбционных (рис. 7) граничных слоев. Показано, что в области формирования адсорбционных слоев при испытании не термостатированной обоймы (кривая 1) износ практически не изменяется при увеличении коэффициента электропроводности и температуры испытания (обозначено стрелкой), а при формировании хемосорбционных слоев (кривая 1') -уменьшается коэффициент КЭ , но увеличивается параметр износа (рис. 7а) с ростом температуры испытания от 180 до 240 °С.
Рис. 6. Зависимость продолжительности формирования номинальной площади фрикционного контакта от температуры испытания минерального моторного масла М10-Ггк
Для термостатированной обоймы в объеме масла в области формирования адсорбционных слоев (кривая 2) с увеличением коэффициента Кэ увеличивается параметр износа. Аналогичная картина наблюдается в температурной области формирования хемосорбционных слоев на поверхностях трения (кривая
з
Рис. 7. Зависимость диаметра пятна износа от коэффициента электропроводности (а) и времени формирования номинальной площади фрикционного контакта (б) при испытании минерального моторного масла М10-Ггк: 1 и 1' - соответственно температурные области формирования адсорбционных и хемосорбционных граничных слоев при испытании на не термостатированной обойме; 2 и 2' - при испытании
термостатированной обоймы
2'). Однако при переходе адсорбционных граничных слоев в хемосорбционные при испытании не термостатированной обойме установлено резкое уменьшение коэффициента электропроводности КЭ и увеличение параметра износа, чего не наблюдается при испытании термостатированной обоймы.
Время формирования номинальной площади фрикционного контакта гФПК (рис. 7б) в температурной области формирования адсорбционных граничных слоев (кривая 1) при испытании не термостатированной обоймы уменьшается с увеличением температуры от 140 до 180 °С, а в области формирования хемо-сорбционных слоев оно вначале увеличивается, а затем уменьшается (кривая 1'), однако износ при этом колеблется от 0,24 до 0,3 мм.
При испытании термостатированной обоймы в области формирования адсорбционных граничных слоев время формирования номинальной площади фрикционного контакта (кривая 2) и параметр износа увеличиваются. В области формирования хемосорбционных граничных слоев (кривая 2') время /ФПК и параметр
износа также увеличиваются с ростом температуры от 180 до 240 °С.
Для оценки влияния термостатирования стали ШХ15 на ее противоизносные свойства введен коэффициент КВТС, определяемый отношением
ботоспособности подшипников качения на данном масле.
К
втс
и ПТ
где и и иТ - параметры износа соответственно при испытании не термостатированной и термостатированной обойм, мм.
Зависимость коэффициента влияния термостатирования стали ШХ15 от температуры термостатирования представлена на рис. 8. Согласно данным в температурном диапазоне от 140 до 200 °С, коэффициент к
ВТС уменьшается за счет увеличения износа термостатированной обоймы, однако при температуре 140 °С износ термостатированной обоймы меньше износа не термостатированной обоймы. Поэтому температура 140 °С может являться критической для ра-
Рис. 8. Зависимость коэффициента влияния термостатирования стали ШХ15 на ее
износостойкость от температуры испытания минерального моторного масла М10-Г2к
В диапазоне температур от 200 до 240 °С коэффициент КВТС имеет тенденцию к увеличению за счет более интенсивного увеличения износа не термостатированной обоймы по сравнению с термостатированной обоймой.
На основании полученных результатов исследования можно сделать следующие выводы:
1. Установлено резкое увеличение коэффициента поглощения светового потока при термостатировании минерального моторного масла М10-Г2К совместно со сталью ШХ15 при температуре 240 °С. Кроме того, определено три характерных температурных области с различной интенсивностью процессов деструкции.
2. Износостойкость не термостатированной стали ШХ15 в масляной среде выше термостатированной на 48%, причем износостойкость термостатированной стали ШХ15 понижается при значении коэффициента поглощения светового потока, равного « 0,22 ед.
3. Предложен критерий противоизносных свойств термостатированного масла, определяемого отношением концентрации продуктов температурной де-
струкции к параметру износа. Установлено, что при испытании не термостатированной обоймы зависимость критерия противоизносных свойств от коэффициента поглощения светового потока имеет линейный характер, а при испытании термостатированной обоймы зависимость имеет изгиб при коэффициенте поглощения светового потока, равного « 0,22 ед., что указывает на понижение износостойкости термостатированной стали. Это позволяет устанавливать предельную температуру работоспособности сталей в трибосопряжениях.
4. Установлены температурные области формирования адсорбционных и хемосорбционных граничных слоев на поверхностях трения, где изменяются коэффициенты электропроводности и интенсивности
механохимических процессов, протекающих на фрикционном контакте, и время его формирования. Показана связь параметра износа с коэффициентом электропроводности и временем формирования номинальной площади фрикционного контакта в областях формирования адсорбционных и хемосорбционных граничных слоев, указывающих на изменение механизма изнашивания.
5. Предложен коэффициент влияния термостатирования стали ШХ15 на ее износостойкость, определяемый отношением параметров износа не термостатированной стали к термостатированной, позволяющий количественно установить изменение износостойкости стали при увеличении температуры термо-статирования.
Библиографический список
1. Кончиц В.В., Короткевич С.В., Саутин С.Д. Смазочные свойства органических отложений на поверхности трения при повышенной температуре // Трение и износ. 2002. № 2. С. 170-175.
2. Молекулярные механизмы самоорганизации при трении / А.С. Кужаров, С.Б. Булгаревич, А.А. Кужаров, А.В. Кравчик // Трение и износ. 2002. Т. 23. № 6. С. 645-651.
3. Ковальский Б.И. Методология контроля и диагностики смазочных материалов, как элементов систем проводов многокомпонентных машин: дис. ... докт. техн. наук. Красноярск, 2005. 418 с.
4. А.С. 1054732 ССР МКИ3 301 №3156. Способ определения смазывающей способности масел / Б.И. Ковальский, Г.М. Сорокин, А.П. Ефремов. 1983. Биол. № 42.
УДК 656.135
К ВОПРОСУ УПРАВЛЕНИЯ ТРАНСПОРТНЫМИ ПОТОКАМИ В УСЛОВИЯХ ПЛОТНОГО ГОРОДСКОГО ДВИЖЕНИЯ
© Р.Ю. Лагерев1, С.Ю. Лагерев2, И.Г. Карпов3
Иркутский государственный технический университет, 664074, Россия, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83.
Приведен анализ общих вопросов управления сетью городских улиц в условиях их повышенной загрузки. Представлены зарубежные подходы к управлению транспортными потоками в заторовых и предзаторовых ситуациях, основанные на замерах длин очередей транспортных средств. Установлено, что в качестве инструмента для разработки алгоритма управления насыщенными сетями можно использовать алгоритмы генетической оптимизации.
Ил. 7. Табл. 2. Библиогр. 4 назв.
Ключевые слова: транспортный затор; насыщенные сети; насыщенный перекресток; длина очереди транспортных средств.
TO TRAFFIC FLOW CONTROL UNDER HEAVY CITY TRAFFIC R.Yu. Lagerev, S.Yu. Lagerev, I.G. Karpov
Irkutsk State Technical University, 83 Lermontov St., Irkutsk, Russia, 664074.
The paper analyzes general issues to control the network of city streets under their increased loading. It discusses foreign approaches to traffic flow management in the cases of congestion and pre-congestion, which are based on the measurements of traffic queue lengths. It is specified, that genetic optimization algorithms can be used as tools for de-
1Лагерев Роман Юрьевич, кандидат технических наук, доцент кафедры менеджмента и логистики на транспорте, тел.: (3952) 405694, e-mail: [email protected]
Lagerev Roman, Candidate of technical sciences, Associate Professor of the Department of Management and Logistics on Transport, tel.: (3952) 405694, e-mail: [email protected]
2Лагерев Сергей Юрьевич, кандидат технических наук, доцент кафедры менеджмента и логистики на транспорте, тел.: (3952) 405694, e-mail: [email protected]
Lagerev Sergey, Candidate of technical sciences, Associate Professor of the Department of Management and Logistics on Transpo rt, tel.: (3952) 405694, e-mail: [email protected]
3Карпов Иван Геннадьевич, кандидат технических наук, доцент кафедры менеджмента и логистики на транспорте, тел.: (3952) 405694, e-mail: [email protected]
Karpov Ivan, Candidate of technical sciences, Associate Professor of the Department of Management and Logistics on Transport, tel.: (3952) 405694, e-mail: [email protected]
