Разработка энергосберегающих масел на смешанной основе для червячных передач

Одной из важнейших проблем современности является защита окружающей среды от вредных выбросов топливно-энергетическими установками. Тепловые электростанции, котельные и автомашины являются крупными потребителями твердого, жидкого и газообразного топлива. В ближайшие 20 лет нефть, уголь, природный газ и атомная энергия будут, как и сегодня, покрывать 98% потребности в энергии. Использование высокосернистых соединений, жидких, твердых и газообразных топлив, а также низкокачественных смазочных материалов приводят к загрязнению воздушного бассейна сернистым и серным ангидридами, летучей золой, оксидами азота, соединениями ванадия и солями натрия [1].

В последнее время вновь появился интерес к техническому использованию в производстве товарных масел растительных и животных жиров. Это обусловлено, прежде всего, экологическими проблемами, сокращением разведанных запасов и объемов добычи нефти.

Возрастание угрозы глобального экологического кризиса требует принципиально нового подхода к решению проблем предотвращения загрязнения окружающей среды и создания замкнутого кругооборота диоксида углерода. Смазочные материалы, как свежие, так и отработанные, являются одним из основных источников загрязнения био гидро-, литои атмосферы. Одна из главных причин этого — низкая биоразлагаемость масел и смазок, особенно из нефтяного сырья и на основе синтетических углеводородов. Некоторые нефтяные и синтетические смазочные материалы и их компоненты являются экотоксичными продуктами.

В настоящее время в странах Западной Европы потребляют около пяти миллионов тонн смазочных масел. Примерно половина, этого количества теряется в процессе эксплуатации и около 1,05 миллионов тонн масел попадает в окружающую среду вследствие проливов и утечек масел в гаражах, на промышленных предприятиях и автострадах. Сжигание отработанных масел также приводит к серьезному загрязнению биосферы [2].

Альтернативой в этом случае могут служить масла растительного и синтетического происхождения, а также их смеси, обладающие высокой биоразлагаемостью и не токсичные. Использование этих продуктов возможно для производства практически всех видов смазочных материалов — масел, пластичных смазок, смазочно-охлаждающих технологических средств и технологических смазок. Важным аргументом в пользу применения растительных масел и их смесей с синтетическими маслами является также ограниченность ресурсов нефти, газа и угля и необходимость поиска новых источников сырья.

Возобновляемость сырьевых ресурсов и относительная их дешевизна по сравнению с биоразлагаемыми, экологобезопасыми синтетическими продуктами обусловливают в настоящее время целесообразность расширения работ по применению жиров в технике. Высокая стоимость и дефицитность синтетических полигликолевых масел с высоким уровнем биоразлагаемости (близким к растительным маслам — 85−90%) существенно сдерживает их применение.

Проблема применения растительных масел представляет практический интерес как для развитых, так и для развивающихся стран. Последние в этом случае имеют возможность вместо импорта нефтяных и синтетических смазочных материалов использовать собственную сельскохозяйственную продукцию. Для получения растительных масел используют масличные растения, принадлежащие к различным ботаническим семействам. Ведущее место в мировом земледелии занимают такие травянистые масличные культуры, как соя, подсолнечник, хлопчатник, арахис, лен и кукуруза. В производстве смазочных материалов наиболее часто применяют масла полувысыхающие (рапсовое, подсолнечное, хлопковое) и касторовое, а также кокосовое и пальмовое.

Касторовое масло, благодаря уникальности своих свойствневысыханию, высокой вязкости и сравнительно низкой температуре застывания — издавна используется в производстве смазочных материалов. Одновременно оно является единственным источником промышленного получения 12-оксистеариновой кислоты — важнейшего компонента в производстве литиевых смазок.

С современной точки зрения в качестве основы или компонента смазочного материала оптимальным вариантом по доступности, стоимости и физико-химическим характеристикам является рапсовое масло [2]. За рубежом этот продукт уже давно используют как масло специального назначения или добавку к смазочным материалам, а в Европе используется и как базовое масло. В обозримом будущем рапсовое масло может вытеснить до 40−50% нефтяных моторных и трансмиссионных масел. Мировое производство рапсового масла составляет около 8 миллионов тонн в год (1989г). Для достижения оптимальных эксплуатационных свойств (прежде всего трибологических) рапсовое масло должно быть очищено от ряда компонентов, снижающих стабильность продукта при хранении, придающих ему неприятный запах и темный цвет.

Основными техническими преимуществами растительных масел в сравнении с нефтяными являются лучшие вязкостные и трибологические свойства. Это обстоятельство существенно повышает благоприятность их использования с экологических позиций, поскольку в ряде случаев дает возможность ограничить использование химически активных присадок, а иногда и совсем отказаться от их применения. К основным недостаткам растительных масел следует отнести низкую стабильность и в большинстве случаев плохие низкотемпературные характеристики. Указанные недостатки частично устраняются смешением растительных масел с нефтяными маслами, хотя при этом ухудшаются экологические свойства смазочного материала. Все более широкое применение в настоящее время получают и синтетические масла. Значение их быстро растет, что определяется высокими требованиями современной техники к смазочным материалам. В общем случае, синтетические смазочные масла превосходят масла на нефтяной основе по следующим показателям — температуре застывания, термоокислительной стабильности, индексу вязкости, испаряемости, температуре вспышки, противоизносным свойствам и экологическим показателям [3].

Наиболее эффективно преимущества растительных и синтетических (полигликолевых) масел проявляются при применении их в качестве смазочной среды в червячных передачах. В этом случае наблюдается значительное снижение потерь энергии в передачах, но, вместе с тем, в полной мере проявляются и основные недостатки растительных и синтетических масел, описанные выше.

Цель и задачи исследования

Цель работы — создание высокоэффективных энергосберегающих смазочных масел для червячных передач на базе обоснованного подбора смесей нефтяных, растительных и синтетических компонентов.

Основные задачи работы: подобрать оптимальные по составу нефтяной, растительный и синтетический компоненты для разрабатываемых масел используя данные литературы и проведенных лабораторных исследований. провести лабораторные исследования антифрикционных, противоизносных и реологических характеристик смесей масел нефтяного, растительного и синтетического происхождения при варьировании в широких пределах содержания указанных компонентов. Показать преимущества этих смесей по эксплуатационным свойствам, а также по экологическим и экономическим критериям в сравнении с раздельным применением нефтяйых, растительных и синтетических масел. Разработать математическую модель и вывести уравнения, описывающие зависимости исследуемых характеристик этих смесей от их состава. найти область концентраций компонентов исследуемых смесей, в которой обеспечиваются одновременно наилучшие антифрикционные, противоизносные и вязкостно-температурные свойства. провести стендовые испытания разработанных масел в червячных редукторах с целью подтверждения результатов исследования и установленных закономерностей.

Научная новизна. Впервые показана возможность регулирования физико-химических и эксплуатационных свойств масел для червячных передач на основе смесей компонентов нефтяного, растительного и синтетического происхождения путем изменения их состава и соотношения компонентов.

Методами математического моделирования решена задача оптимизации состава масел для червячных передач путем нахождения области концентраций компонентов, в которой обеспечиваются наименьшие величины коэффициентов трения и износа и наибольший индекс вязкости.

Установлено, что масла на смесях компонентов различного происхождения при оптимальном их сочетании заметно превосходят по антифрикционным, противоизносным, вязкостно-температурным и экономическим показателям отдельно используемые нефтяные, растительные и синтетические масла.

Практические результаты работы. При участии автора разработан состав смазочных композиций на основе оптимального сочетания смесей нефтяного, растительного и синтетического масел, и показано, что по результатам лабораторных и стендовых испытаний они превосходят по смазочным и вязкостно-температурным свойствам нефтяные масла.

Разработан алгоритм оптимизации составов трехкомпонентных смазочных композиций по их антифрикционным, противоизносным и вязкостно — температурным характеристикам.

Разработаны программы для ПЭВМ, позволяющие обрабатывать результаты трехфакторного эксперимента и оптимизировать составы трехкомпонентных композиций (симплексно-центроидный план).

Продукты на смешанной основе прошли с положительными результатами испытания на Карачаровском механическом заводе и рекомендованы в качестве масел для червячных редукторов.

ВЫВОДЫ.

1. Установлена возможность улучшения антифрикционных и противоизносных свойств нефтяных масел, используемых в червячных передачах, путем их смешения с растительным рапсовым маслом и синтетическим (полипропиленгликоль) компонентами.

2. Методом построения диаграмм «состав — свойства» найдены области оптимальных значений трибологических и реологических свойств для определенного соотношения смесей нефтяного (до 80%), растительного (до 40%) и синтетических (до 100%) компонентов.

3. Впервые на основе лабораторных испытаний изучены, разработаны и оптимизированы составы трехкомпонентных масел на смешанной основе, позволяющие значительно улучшить эксплуатационные показатели червячных передач.

4. По модифицированной методике РД 50−531−85, разработанной в ИМАШ РАН, оценена кинетика изнашивания бронзовых образцов и противозадирные свойства лучших композиций масел и показано, что по изученным характеристикам разработанные масла существенно превосходят нефтяное масло И-40А.

5. Результаты оценки антифрикционных свойств масел, полученные методами математического моделирования весьма точно коррелируют с результатами лабораторных и стендовых испытаний на полноразмерных редукторах.

6. Разработаны энергосберегающие масла на смешанной основе для червячных передач, содержащие масло нефтяное И-40А (74−78%масс.), растительное рапсовое (20−24%масс.) и полипропиленгликоль (до 100%), позволяющее увеличить КПД червячных редукторов на 2−6%.