Eng
Главная Публикации Статьи Применение системы энергосбережения в поршневых ДВС
Последний документ


Патент № 2415176


Научное руководство



Зуев Валерий Владимирович

Доктор геол.-минер. наук, академик РАЕН, автор четырех научных открытий, в которых выявлены новые энергетические подходы к объяснению и предсказанию физико-химических свойств минеральных и других кристаллических веществ

Рекомендательное письмо...


Кто на сайте
Сейчас 33 гостей онлайн
Применение системы энергосбережения в поршневых ДВС

Сборник статей «ТРАНСТРИБО-2005», Санкт-Петербург, 2005

Применение системы энергосбережения в поршневых ДВС

В статье рассмотрена возможность применения геомодификаторов трения – серпентинитов к смазочным материалам с целью продления ресурса и улучшения экономических эксплуатационных показателей ДВС

В ДВС долговечность работы определяется ресурсом работы, который по основным нагруженным механизмам (кривошипно-шатунный механизм, зубчатые передачи) не превышает 2500-5000 часов, при этом определяющим фактором долговечности является режим трения в зоне контакта трущихся поверхностей. При плотном контакте металлов и отсутствии между ними масляной или окисной пленки возникает молекулярное взаимодействие соприкасающихся поверхностей. Кроме того, в местах истинного контакта в зоне срезания микровыступов шероховатости повышается температура, которая при определенных условиях может достигать 900-1200ºС и приводит к изменению кристаллической структуры металла и образованию «мостиков сварки». При сближении и скольжении поверхностей возникают механические и молекулярные взаимодействия, которые вызывают механические, химические и структурные изменения свойств поверхностей трения, а затем разрушения различных видов. Так трущиеся поверхности деталей находятся в условиях неравномерного объемно-напряженного состояния сжатия, при этом даже очень хрупкие материалы (чугун, сталь с высокой степенью закалки) обладают высокой пластичностью. Важной проблемой повышения износостойкости деталей машин является устранение заедания трущихся деталей.

В процессе эксплуатации машин наблюдается интенсивный износ контактирующих поверхностей деталей, а используемые смазочные материалы, даже самые эффективные, не предотвращают в узлах трения контакта «металл-металл». Работа любого узла трения и его износостойкость, прежде всего, определяется химическим составом контактирующих материалов, атомно-кристаллическим строением работающих поверхностей, шероховатостью и режимом эксплуатации механизма.

На работу узла трения и интенсификацию износа влияют нагрузки в точке контакта, а также упругие характеристики материалов соприкасающихся деталей, а также прочность и толщина масляной пленки. Нормальные и тангенциальные силы, действующие в зонах контактирующих поверхностей, вызывают упругопластические деформации микрообъемов материала. Многократное их повторение приводит к ускоренному разрушению поверхностных слоев, а при соответствующей конфигурации микровыступов и твердости поверхностного слоя происходит процесс микрорезания, т. е. отделение микростружки, которая в дальнейшем является загрязнителем и способствует абразивному изнашиванию. Повышение долговечности узлов и деталей машин, например, СЭУ, может быть достигнуто путем применения смазок, содержащих мелкодисперсные порошки меди, медных сплавов или их окислов.

Нами предлагается система повышения износостойкости узлов трения машин, в которой выше описанные механотермохимические процессы износа узлов трения начинают не разрушать поверхность трения, а избирательно восстанавливать геометрию узла трения и номинальные зазоры за счет образования в зонах износа новых металлокерамических защитных слоев с более высокими противоизносными физико-механическими свойствами. Процесс образования серпентинометаллического защитного слоя осуществляется за счет введения в узлы трения серпентино-магниевого состава (СМС) – препарата, созданного на базе минерала группы слоистых силикатов – серпентина.

Слоистые силикаты имеют значимое превосходство по отношению к общеизвестным твердофазным смазкам и другим аналогичным составам и технологиям. В природе слоистые силикаты (в частности серпентиниты) играют роль граничных смазок – зеркал скольжения при тектонических подвижках и смещениях. Возможность технической реализации «зеркал скольжения» аналогичным природным на поверхностях трения в реально действующих механизмах и послужила основой для появления СМС.

При механическом и тепловом воздействии серпентин разлагается, при этом в процессе трения выделяется количество теплоты, достаточное для разогрева и размягчения металла. Этот процесс приводит к возникновению следующих реакций между кристаллами СМС и кристаллами фаз металла:

Mg6[Si4O10](OH)8 + Fe2O3 + H2 → 4(MgFe)SiO4 + 5H2O

При этом происходит внедрение в структуру металла микрочастиц минерала и образование композитной серпентинометаллической структуры (металл-минерал) на поверхности узлов трения. СМС, имея в своем составе специальные компоненты и катализаторы, на уровне локального контакта при срезании неровностей шероховатостей и выделяемой при этом энергии не только не разрушает поверхностный слой основного металла, а наоборот, создает противоизносный защитный слой, восстанавливая при этом зазоры в узле трения и геометрию сечений. Общая химическая формула СМС – Mg6[Si4O10](OH)8 и сопутствующие включения: Fe; Ca; Ni; Ti; Cr; Cu; Pt и др. в виде окислов и других групп.

Образование серпентинометаллического защитного слоя с помощью СМС было опробовано, в частности, на двигателе 8NVD36-A1 в Череповецком порту. Двигатель отработал 60% своего ресурса и требовал очередного среднего ремонта. Для восстановления износов КШМ двигателя было проведено три СМС-обработки. Результаты обработки показали: давление сжатия Pc повысилось на 4,8%; коэффициент трения уменьшился в 3-4 раза, увеличился ресурс работы. Расчет ресурса производился для пары сталь-сталь с некоторым износом по параметру скорости изнашивания:

C = kPVск,

где k – имеющийся коэффициент износа пары трения; Vск – относительная скорость скольжения; P – удельное давление в исследуемой точке.

P = Fnf,

где Fn – нормальная составляющая силы трения; f – коэффициент трения.

Таким образом минимальное уменьшение скорости износа пары трения увеличивает ресурс трущейся пары в 1,8-2 раза.

Результаты проведенной работы экспериментально доказали, что применение СМС позволяет:
  • получить экономию топлива 5-15%;
  • получить экономию электроэнергии на оборудовании с электроприводом – 10-20%;
  • существенно снизить расход масел; полностью восстановить геометрические размеры изношенных деталей трения механизма в режиме штатной эксплуатации;
  • увеличить ресурс КШМ в 1,8-2 раза;
  • уменьшить дымность при работе двигателя на 40%.

Получение значимых практических результатов при применении СМС в различных видах оборудования сегодня неоспоримо и многократно подтверждено различными потребителями во многих странах мира. Основными технико-экономическими эффектами являются: увеличение эффективной мощности двигателя Ne на 20%, снижение удельного расхода топлива ge на 3%, повышение износостойкости в 1,5-3 раза, а также уменьшение шумовых и виброхарактеристик.

Авторы: Шаров Г.И., Ерохин И.А., Осипенко Ю.В.
Санкт-Петербург, ГМТУ