Метод контроля влияния продуктов деструкции смазочных масел и электрического потенциала на противоизносные свойства

Надежность механизмов, агрегатов и машин закладывается при проектировании, учитывается при изготовлении и подтверждается при эксплуатации. На показатели надежности существенно влияет смазочный материал. Основное требование, которое предъявляется к смазочным материалам — это снижение износа материалов пар трения в большом диапазоне температур, скоростей и нагрузок. Решение данной проблемы направлено на установление связей между механизмом старения смазочного материала и процессом изнашивания конструкционных материалов. Большая роль в исследованиях этих процессов принадлежит Б. И. Кос-тецкому, Р. М. Матвеевскому, Н. А. Буше, И. А. Буяновскому, В. Е. Панину, И. В. Крагельскому, С. В. Венцелю, Ю. А. Розенбергу, Д. Н. Гаркунову, К. И. Климову, М. Финку, П. А. Ребиндеру и др.

Смазочные материалы при эксплуатации подвергаются резким перепадам механических и тепловых нагрузок. Основной фактор, который влияет на изменение свойств смазочного материала — это температура, влияющая на процессы деструкции цепочек молекул, как базовой основы смазочного материала, так и добавляемых присадок, поэтому температурная стойкость является важнейшим показателем смазочного материала для узлов, работающих при высоких температурах.

Около 80% узлов агрегатов и машин работают в условиях граничного трения, но процессы, которые протекают в граничном слое, разделяющем поверхности трения, остаются недостаточно изученными. На поверхностях трения, в условиях граничной смазки, могут формироваться: слои физически адсорбированных молекул смазочного материала, за счет сил Ван-дер-Ваальса и относительно слабо связанные с поверхностью твердого тела, хемосорбционные слои, в случае химических реакций между молекулами твердого тела и адсорбента, так же возможно образование и химически модифицированных слоев, однако это уже за счет более глубоких химических реакций.

Таким образом, температурная стойкость является одним из основных эксплуатационных показателей, определяющим температурные области работоспособности масел, предельные температуры схватывания, сопротивление температурным воздействиям и применяется при классификации смазочных масел. В настоящее время существуют различные методики определения температурной стойкости, позволяющие определить температуры начала деструкции, критические температуры, оценить изменение фрикционных свойств смазочного материала при изменении температуры, однако механизм деструкции, механизм защиты от схватывания не изучены, и данные методики не учитывают влияние продуктов деструкции на процессы, протекающие на фрикционном контакте и изменяющие противоизносные свойства масел.

При работе в каком-либо механизме, масло подвергается воздействию электрических полей, вызванных межфазными электрическими потенциалами, возникающими на границах раздела «металл — масло». В работах Г. И. Шора, А. С. Ахматова приведены методики, приборы и результаты оценки влияния электрического потенциала на различные функциональные свойства масел, однако методов и приборов контроля влияния электрического потенциала на противоизносные свойства масел и процессы, протекающие на фрикционном контакте, не существует.

На основании вышесказанного можно сделать вывод, что необходима разработка новых методов и средств контроля влияния продуктов температурной деструкции, величины и полярности тока на противоизносные свойства смазочных материалов, направленной на создание условий снижения износа материалов пар трения.

Актуальность диссертационной работы определяется тем, что предложен метод и средства контроля влияния продуктов температурной деструкции и электрического потенциала на противоизносные свойства смазочных материалов, позволяющие решать проблемы управления износостойкостью материалов пар трения.

Объект исследования — смазочные материалы, как элементы систем приводов машин и агрегатов.

Предмет исследования — контроль влияния продуктов температурной деструкции смазочных материалов, полярности и величины тока, пропускаемого через фрикционный контакт от внешнего стабилизированного источника питания на процессы формирования защитных граничных слоев.

Степень разработанности темы.

Степень разработанности и рекомендации, выявленные в процессе исследований, выполненных авторами P.M. Матвеевским, Б. И. Костецким, H.A. Буше, И. А. Буяновским, И. В. Крагельским, Ю. А. Розенбергом и др., по определению температурной стойкости смазочных масел не могут быть использованы для определения качества масел, поскольку этот показатель эксплуатационных свойств в основном исследовался применительно к граничному трению (ГОСТ 23.221−84). В области исследований граничного трения и процессов, протекающих на фрикционном контакте, следует отметить работы A.C. Ахматова, Г. И. Шора, В. Е. Панина и др., однако процессы, протекающие в объеме смазочного материала при высоких температурах и влияние продуктов температурной деструкции, величины и полярности тока на процессы, протекающие на фрикционном контакте и изменяющие противоизносные свойства, изучены недостаточно. Поэтому, разработка новых методов и средств контроля влияния продуктов температурной деструкции, величины и полярности тока на противоизносные свойства смазочных материалов, является актуальной задачей, позволяющей создать условия снижения износа материалов пар трения, совершенствовать систему классификации и идентификации смазочных материалов группам эксплуатационных свойств, а также обоснованно осуществлять выбор смазочного материала для эффективной работы в конкретных условиях.

Цель диссертационной работы. Разработка методов и приборов исследования смазочных масел и оценки влияния продуктов температурной деструкции и электрического потенциала в зоне фрикционного контакта на противоизносные свойства смазочных масел.

Задачи исследования.

1. Разработать прибор и комплексный метод исследования смазочных масел, включающего испытания на температурную стойкость и противоизносные свойства.

2. Обосновать критерии контроля температурной стойкости и противоиз-носных свойств смазочных масел.

3. Исследовать влияние концентрации продуктов температурной деструкции на противоизносные свойства смазочных масел под воздействием электрического потенциала на фрикционном контакте.

4. Разработать практические рекомендации по контролю температурной стойкости моторных масел, противоизносных свойств, рациональному выбору смазочных материалов и управлению износом пар трения.

Методы исследования. Решение поставленных задач осуществлялось с применением теории надежности, применительно к системам приводов и агрегатов, теории трения, износа и смазки, оптики и положений триботехники, электрометрических методов и теплотехники.

При выполнении работы применялись поверенные стандартные и специально разработанные сертифицированные приборы, теория планирования и обработки результатов экспериментальных исследований, методы математической статистики и регрессионного анализа.

Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций, подтверждается теоретически и экспериментально. Научные положения аргументированы, теоретические результаты работы получены с использованием положений трибологии, оптики, теплотехники, выводы подтверждены проведенными экспериментальными исследованиями, их воспроизводимостью и результатами математической обработки с использованием сертифицированных программ для обработки экспериментальных данных в соответствии с постановкой и планированием экспериментальных исследований.

На защиту выносятся:

1. Трехшариковая машина и комплексный метод контроля температурной стойкости и противоизносных свойств термостатированных моторных масел.

2. Результаты исследования минеральных моторных масел на температурную стойкость и регрессионный анализ процесса температурной деструкции в диапазоне температур испытания от 140 до 300 °C и критерии оценки.

3. Метод и результаты испытания товарных и термостатированных моторных масел на противоизносные свойства и критерии оценки.

4. Метод и результаты исследования влияния электрического потенциала на фрикционном контакте на противоизносные свойства термостатированных масел и критерии оценки.

5. Практические рекомендации по определению влияния продуктов температурной деструкции и электрического потенциала на противоизносные свойства моторных масел.

Научная новизна работы:

1. Разработан комплексный метод исследования смазочных масел, включающий испытания на температурную стойкость и противоизносные свойства термостатированных масел, и позволяющий оценить влияние продуктов деструкции, полярности и величины тока, пропускаемого через фрикционный контакт на свойства граничных слоев и обосновать критерии оценки.

2. Разработана испытательная трехшариковая машина трения со схемой трения «шар-цилиндр», позволяющая определить противоизносные свойства как товарных, так и работавших масел различного назначения и базовых основ, получить дополнительную информацию о процессах, протекающих на фрикционном контакте.

3. Получены функциональные зависимости и регрессионные уравнения процесса деструкции минеральных моторных масел, позволяющие определить механизм деструкции, получить дополнительную информацию по изменению оптических свойств, вязкости и летучести, обосновать критерий температурной стойкости, установить температурную область работоспособности и сравнивать масла различных групп эксплуатационных свойств.

4. Предложен критерий противоизносных свойств термостатированных масел, характеризующий условную концентрацию продуктов температурной деструкции на номинальной площади фрикционного контакта, что позволяет сравнивать смазочные масла различных групп эксплуатационных свойств и оценить влияние величины и полярности тока, пропускаемого через фрикционный контакт на формирование и разрушение граничных слоев.

Практическая значимость работы. На базе теоретических и экспериментальных исследований разработаны практические рекомендации по технологиям определения температурной стойкости смазочных масел и оценки влияния продуктов деструкции на противоизносные свойства, рекомендации по выбору смазочных материалов их классификации и созданию системы повышения износостойкости трибосистем.

Автор выражает признательность за помощь и поддержку научному руководителю — д.т.н., профессору, Безбородову Ю.Н.- научному консультантуд.т.н., профессору Б. И. Ковальскомуи сотрудникам кафедры «Топливообеспече-ние и горюче-смазочные материалы» Института нефти и газа Сибирского федерального университета.

Реализация результатов работы. Результаты исследований внедрены на автотранспортном предприятии ООО АТП «Терминалнефтегаз», автотранспортном предприятии ИП АТП Сидоров В. М., и в учебный процесс кафедры «Топли-вообеспечение и ГСМ» Института нефти и газа Сибирского федерального университета, что подтверждено соответствующими актами.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались на: XIII научно-технической конференции молодежи ОАО «Транссибнефть» (Омск 2012 г.) — II Международной научно-практической конференции «Перспективы развития и безопасность автотранспортного комплекса» (Новокузнецк 2012 г) — 10-ой международной конференции «Трибология и Надёжность» (Санкт-Петербург, 2010 г.), научно-технической конференции «Трибология-Машиностроение», посвященная.

120-летию М. М. Хрущева. (Москва, 2010), IV международном симпозиуме по транспортной триботехнике. (Санкт-Петербург, 2010) и научно-технических семинарах Сибирского федерального университета (Красноярск, 2010).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 17 научных работ, включая 7 работ в издании, рекомендованном перечнем ВАК, получено 4 патента РФ, написана монография.

Объем и структура диссертации. Диссертация содержит 134 страницы машинописного текста, включая 55 рисунков и 14 таблиц. Работа состоит из введения, 4 разделов, основных выводов, библиографического списка из 97 наименований и приложения.

ОСНОВНЫЕ НАУЧНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ.

1. Разработана комплексная методика исследования смазочных материалов, включающая испытания на температурную стойкость, противоизносные свойства и механохимические процессы, при изменении электрического потенциала в зоне фрикционного контакта. Патенты РФ № 2 409 814, № 2 415 422, № 2 419 791.

2 Разработана трехшариковая машина трения со схемой трения «шар-цилиндр», позволяющая определить противоизносные свойства как товарных, так и работавших масел различного назначения и базовых основ, получить дополнительную информацию о процессах, протекающих на фрикционном контакте (патент РФ № 2 428 677).

3. Получены функциональные зависимости изменения оптических свойств, вязкости, летучести, коэффициента температурной стойкости и противоизносных свойств от температуры испытания минеральных моторных масел, что позволило установить механизм температурной деструкции и обосновать критерии противоизносных свойств и влияние тока и его полярности на эти свойства и механизм формирования на поверхностях трения защитных граничных слоев.

4. Установлен механизм температурной деструкции моторных масел, заключающийся в образовании двух видов продуктов деструкции, различающихся оптическими свойствами, что позволило определить температуры начала их образования, температуру предельно-допустимого значения вязкости и температурную область работоспособности моторных масел.

5. Коэффициент температурной стойкости предложен в качестве интегрального показателя температурной стойкости, учитывающего изменение оптических свойств и летучести масел при термостатировании, что позволяет сравнивать различные масла и идентифицировать на соответствие группам эксплуатационных свойств.

6. Предложен критерий противоизносных свойств Я, который позволяет прогнозировать противоизносные свойства масел и оценить влияние величины и полярности тока на противоизносные свойства масел.

7. Коэффициент влияния тока и его полярности предложен в качестве критерия влияния тока на противоизносные свойства термостатированных моторных масел, определяемый отношением критериев противоизносных свойств масел испытанных без пропускания тока через фрикционный контакт и с током, позволяющий определить значения коэффициента и его зависимость от величины и полярности тока, пропускаемого через фрикционный контакт от внешнего источника питания. Установлена линейная зависимость коэффициента влияния тока от его величины и полярности.

8. Разработаны практические рекомендации, включающие технологии определения температурной стойкости моторных маселвлияния продуктов деструкции на противоизносные свойства и предложения по управлению износостойкостью материалов пар трения.