Eng
Главная Публикации Диссертации Диссертация – СПбГПУ, Бреки А.Д., 2011
Главное меню
Технология
Авторизация



Последние редакции:


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 9 гостей онлайн
Диссертация – СПбГПУ, Бреки А.Д., 2011

Санкт-Петербургский Государственный Политехнический Университет (ФГБОУ ВПО «СПбГПУ»)
Санкт-Петербург, 2011

Бреки Александр Джалюльевич

«Триботехнические свойства модифицированных смазочных масел»

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук
Специальность: 05.02.04 – трение и износ в машинах .

(Введение, заключение, оглавление)

ВВЕДЕНИЕ (ЧАСТЬ АВТОРЕФЕРАТА)

Влияние масел на долговечность и надёжность деталей машин определяется их способностью защищать трущиеся поверхности от износа, обеспечивать необходимые характеристики их трения, снижать потери на трение. Поэтому рассматривать влияние масел на долговечность и надёжность деталей машин — это значит обсуждать вопросы их смазочного действия и влияния на износ и трение смазываемых поверхностей конкретных деталей машин.

Смазочная эффективность масла зависит от сочетания многочисленных тесно переплетающихся факторов, определяющих в совокупности характер влияния масла на износ и трение смазываемых поверхностей. Одни из этих факторов зависят от свойств масла, в том числе от их изменений в процессе эксплуатации. Другие — от состояния и свойств трущихся поверхностей, в том числе от их изменений в процессе эксплуатации. Третьи — от характера взаимодействия между компонентами масла, трущимися поверхностями и покрывающими их окисными (и другими) плёнками. Четвёртые — от скорости, нагрузки, температуры и других параметров режима трения [60].

Ещё более усложняет явления и процессы при фрикционном взаимодействии наличие в нефтяных маслах дисперсных компонентов (дисперсный компонент-это множество частиц одинакового состава) различной природы.

Дисперсные компоненты могут находиться в масле в силу ряда причин: образовываться в нефтяном масле и из его компонентов в процессе окисления [47]; попадать в масло в виде отделившихся частиц износа с поверхностей [68]; попадать в масло из внешней среды при нарушении герметичности узла, при износе уплотнений и т.п. [31].

Присутствие данных дисперсных компонентов в нефтяных смазочных маслах имеет место с начала использования этих смазочных материалов в технике до настоящего времени.

Существуют и другие дисперсные компоненты, которые целенаправленно вводятся в масла для улучшения их триботехнических свойств: ультрадисперсные порошки металлов, неметаллов, сплавов, солей металлов, а также их органических соединений, смесей порошков металлов и неметаллов и их различных соединений [19].

Наряду с прогрессом в сфере исследования, создания и применения нефтяных смазочных масел, в этой области имеется ещё много нерешённых вопросов. В настоящее время возникает проблема: уменьшение долговечности смазываемых узлов трения в связи со снижением несущей способности смазочного слоя в условиях интенсификации нагрузок и скоростей в современных машинах. Для повышения несущей способности смазочного слоя предложено много полярно-активных и химически активных веществ, которые, в ряде случаев, не решают проблемы окончательно. Решению данной проблемы посвящено большое количество работ, связанных с целенаправленным введением антифрикционных, противоизносных и восстанавливающих дисперсных компонентов [19, 20, 56, 57, 58, 75 и др.], которые в отличие от срабатывающихся полярно-активных и химически активных веществ не подвергаются десорбции и не приводят к коррозионно-механическим разрушениям поверхностей трения. Кроме того, дисперсные добавки могут быть использованы совместно с поверхностно-активными веществами. Вместе с тем, в большинстве работ не учитывается наличие в триботехнических системах других видов дисперсных компонентов, влияющих на свойства нефтяных смазочных масел и взаимодействующих с дисперсными добавками.

Актуальность работы определяется также недостаточным объёмом информации о том: какие дисперсные компоненты потенциально могут содержаться в нефтяных смазочных маслах; какие варианты взаимодействия могут возникнуть между целенаправленно вводимыми и стихийно образующимися дисперсными компонентами; насколько устойчивыми к седиментации и агрегированию являются смазочные композиции с дисперсными добавками; как влияют дисперсные добавки на несущую способность смазочного слоя, в котором содержатся и (или) образуются другие дисперсные компоненты; как дисперсные компоненты влияют на энергетические потери при граничном и жидкостном трении.

Сегодня в процессе инновационного развития экономики для практического использования требуются смазочные композиции с высокой несущей способностью. Возрастает роль дисперсных добавок в нефтяные смазочные масла при следующих условиях:

  • в условиях интенсификации нагрузок и скоростей в узлах трения современных машин и механизмов: в частности перегрузка машин;
  • в условиях использования деталей машин и запасных частей низкого качества (дефекты и другие отклонения от нормы): различные производители выпускают одни и те же детали с разной себестоимостью, долговечностью и другими показателями.

Основное внимание в работе уделено исследованию влияния множества взаимодействующих дисперсных компонентов на свойства масел, на поверхности трения и фрикционное взаимодействие деталей машин. Выявление закономерностей в данной области способствует в итоге: развитию теоретических основ технологии изготовления жидких смазочных композиций с дисперсными добавками; развитию теоретических основ контроля состояния смазочных масел в узлах машин и механизмов.

Выводы и рекомендации по этому вопросу являются необходимыми для создания эффективных смазочных материалов, повышения долговечности деталей машин (в частности деталей низкого качества) в нормальных условиях и в условиях перегрузок.

Объектом настоящих исследований являются нефтяные смазочные масла, содержащие взаимодействующие дисперсные компоненты.

Предметом данного исследования являются: триботехнические свойства нефтяных смазочных масел, содержащих взаимодействующие дисперсные компоненты; явления и процессы в маслах с дисперсными компонентами, происходящие в работающих и не функционирующих узлах трения и влияющие на их триботехнические свойства.

Целью данного исследования является увеличение несущей способности смазочного слоя, содержащего взаимодействующие дисперсные компоненты, посредством введения в него дополнительных дисперсных добавок.

Для достижения сформулированной цели необходимо решение следующих задач исследования: 1) осуществить аналитический обзор для выявления и систематизации информации о различных видах дисперсных компонентов в нефтяных маслах; 2) провести теоретические исследования, направленные на выявление общих закономерностей влияния масел, содержащих дисперсные компоненты, на фрикционное взаимодействие пар трения; 3) реализовать экспериментальные исследования свойств смазочных масел, содержащих взаимодействующие дисперсные компоненты, в условиях, работающих и не функционирующих узлов трения; 4) сделать рекомендации по практическому использованию результатов проведённых исследований.

Первая глава данной работы посвящена анализу и систематизации информации о дисперсных компонентах, которые потенциально могут содержаться в нефтяных смазочных маслах, и особенностях их взаимодействия.

Во второй главе приведены результаты теоретических исследований нефтяных смазочных масел, содержащих взаимодействующие дисперсные компоненты в условиях хранения и использования в узлах трения.

На основе системного использования ряда литературных источников, результатов аналитического обзора и средств математического анализа: разработаны математические модели изменения вязкости масел; описаны кинетические свойства смазочных масел с дисперсными добавками; приведены феноменологические модели коагуляции суспензий и лиозолей и модели диспергирования; разработаны графические, математические и феноменологические модели взаимодействия дисперсных компонентов с поверхностями трения; разработаны математические модели изменения объёма различных дисперсных компонентов во времени, в том числе с учётом их взаимодействия; составлены математические модели влияния масел с дисперсными компонентами на подшипники скольжения и качения, работающие в условиях жидкостного трения.

В третьей главе данной работы приведены результаты экспериментальных исследований нефтяных смазочных масел, содержащих взаимодействующие дисперсные компоненты.

В результате проведения экспериментов различной направленности: подтверждена справедливость обобщённого уравнения А. Эйнштейна для описания зависимости вязкости смазочной композиции на основе масла МС-20 от объёмной доли дисперсных добавок; установлено, что смазочные композиции на основе масла МС-20, содержащие высокодисперсные добавки в небольшой концентрации, является системами, устойчивыми к агрегированию и седиментации; подтверждено наличие положительного приращения относительной опорной длины профиля поверхности при заполнении микронеровностей частицами добавок; выявлено, что дисперсные добавки способствуют повышению несущей способности смазочного слоя в условиях нормального и недопустимого изнашивания, при наличии и отсутствии других дисперсных компонентов и подавляют образование частиц износа, снижают энергетические потери в режиме граничного трения; подтверждено, что сила и коэффициент жидкостного трения при использовании смазочной композиции с дисперсной добавкой зависят от объёмной доли аналогично вязкости в обобщённом уравнении А. Эйнштейна; разработана модель взаимодействия дисперсных компонентов, использованных в границах данного исследования.

В четвёртой главе работы даны рекомендации по практическому использованию результатов проведённых исследований.

В работе использованы теоретические и экспериментальные методы исследования. Решения задач базируются на экспериментальных данных и известных теоретических положениях трибологии, коллоидной химии, физической химии, химмотологии, гидродинамики, физики и математического моделирования. Достоверность результатов подтверждается корректностью разработанных математических моделей, использованием известных положений фундаментальных наук, сходимостью полученных теоретических результатов с данными эксперимента и с результатами исследований других авторов.

На защиту выносятся. 1. Классификация дисперсных компонентов нефтяных смазочных масел, произведённая по основанию дисперсности и гетерогенности, позволяющая строить прогнозирующие модели для оценки линейного износа, силы и коэффициента трения при различных условиях фрикционного взаимодействия. 2. Впервые полученные модели зависимостей силы и коэффициента жидкостного трения от объёмной доли дисперсных компонентов и их экспериментальное подтверждение. 3. Результаты экспериментальных исследований, состоящие в том, что дисперсные добавки: наноразмерный серпентинит и впервые полученные методом газофазного синтеза наноразмерные дихалько-гениды вольфрама "1-82" повышают предельную нагрузочную способность смазочного слоя соответственно на 11-20%, 20-44%, в 3 раза; уменьшают диаметр пятна износа соответственно на 15-33%, 12-30%, 15%; уменьшают граничное трение соответственно на 26-41%, 41-44%, в 2 раза, относительно масла, не содержащего добавки, что говорит об улучшении антифрикционных свойств и несущей способности смазочного слоя.

Научная новизна работы. 1. Предложена классификация дисперсных компонентов в нефтяных смазочных маслах, которые потенциально могут генерироваться, внедряться или добавляться в данные среды. 2. Разработаны модели взаимодействия различных дисперсных компонентов нефтяных смазочных масел. 3. Разработаны математические модели изменения вязкости смазочных масел, силы и коэффициента жидкостного трения, в зависимости от объёмной доли дисперсных компонентов. 4. Созданы феноменологические модели влияния дисперсных компонентов на характеристики формы неровностей профиля и на фрикционное взаимодействие между деталями в режиме граничной смазки. 5. Обнаружен эффект: повышения несущей способности смазочного слоя в условиях нормального и недопустимого изнашивания при введении дисперсных добавок в масло, в котором отсутствовали или содержались другие дисперсные компоненты; устойчивости высокодисперсных частиц добавок к агрегированию и седиментации в условиях хранения смазочных композиций.

Практическая полезность работы. Разработанные в работе математические модели являются одной из основ: технологии создания жидких смазочных композиций, содержащих высокодисперсные добавки; контроля состояния нефтяных смазочных масел в узлах трения машин. Предложены рекомендации по выбору дисперсности твёрдых добавок, по выбору эффективных смазочных масел с дисперсными компонентами, по предварительной обработке поверхностей трения дисперсным компонентом. Составлена рекомендация по созданию смазочных композиций для подшипников качения при использовании дисперсных добавок и по оценке состояния нефтяного масла с учётом тепловыделения.

Реализация результатов работы. Ряд результатов исследований серпентинита получен совместно с ОАО «Нанопром». Результаты работы использованы в ФГБОУ ВПО «СПбГПУ» в виде элементов учебно-методических комплексов по дисциплине «Механика контактного взаимодействия и разрушения».

Апробация работы. Материалы исследования докладывались и получили положительную оценку (приложения) на следующих научных форумах: научно-методическая конференция «Машиностроение в условиях инновационного развития экономики» (Санкт-Петербург, 2009 г.); 7-я международная научно-техническая конференция «Материалы, технологии и оборудование в производстве, эксплуатации, ремонте и модернизации машин» (Беларусь, Новополоцк, 2009 г.); международная научно-практическая конференция «XXXVIII Неделя науки СПбГПУ» (Санкт-Петербург, 2009 г.); международная научно-практическая конференция «XXXIX Неделя науки СПбГПУ» (Санкт-Петербург, 2010 г.); четвёртый международный симпозиум по транспортной триботехнике «Повышение износостойкости и долговечности машин и механизмов на транспорте. ТРАНСТРИБО-2010» (Санкт-Петербург, 2010 г.); международная научно-практическая конференция «Современное машиностроение. Наука и образование» (Санкт-Петербург, 2011 г.).

Публикации. Основное содержание диссертации отражено в 14 научных работах, из которых 4 работы опубликовано в рецензируемых журналах, рекомендованных ВАК РФ.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, 4 глав, заключения, библиографического списка, включающего 106 наименований, и приложений. Работа изложена на 151 листе машинописного текста, содержит 47 рисунков, 2 таблицы, 130 формул.

4.7 ВЫВОДЫ ПО 4 ГЛАВЕ

Из анализа приведённых выше рекомендаций, ориентированных на практику, следует, что:

1. Разработанная рекомендация по выбору дисперсности твёрдых добавок позволяет реализовать выбор размера частиц, обеспечивающего кинетическую устойчивость не склонных к агрегированию смазочных композиций.

2. Разработанная рекомендация по выбору смазочных масел , с дисперсными компонентами, основанная на системном использовании теоретических и экспериментальных данных, указывает основные принципы и действия, которые необходимы для выбора эффективных смазочных композиций.

3. Разработанная рекомендация по предварительной обработке поверхностей трения дисперсным компонентом позволяет реализовать эксплуатационные мероприятия, способствующие уменьшению адгезионного взаимодействия поверхностей трения деталей.

4. Разработанная рекомендация по созданию смазочных композиций для подшипников качения при использовании различных дисперсных добавок позволяет получить смазочные композиции с вязкостью, равной вязкости минеральных масел в конкретных условиях эксплуатации подшипников качения.

5. Представленные сведения об оценке состояния нефтяного смазочного масла в подшипниковых узлах по тепловыделению могут быть использованы для реализации диагностических мероприятий.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Посредством проведённых теоретических и экспериментальных исследований нефтяных смазочных масел с дисперсными компонентами автором диссертационной работы получены следующие основные результаты:

1. Составлена классификация дисперсных компонентов нефтяных смазочных масел. Выявлены и систематизированы общие свойства различных дисперсных компонентов, содержащихся в нефтяных смазочных маслах.

2. Разработаны модели взаимодействия дисперсных компонентов нефтяных смазочных масел как в результате теоретических, так и в результате экспериментальных исследований.

3. Разработанная математическая модель, выражающая зависимость вязкости масла с несколькими видами дисперсных компонентов от их переменных объёмов и переменного коэффициента формы и взаимодействия, обобщает уравнение Симха-Эйнштейна и может быть использовано для описания изменения вязкости масла в реальных узлах машин. Экспериментально подтверждено, что обобщённое уравнение А. Эйнштейна (Симха-Эйнштейна) справедливо при описании зависимости вязкости нефтяного масла МС-20 с дисперсными добавками ГМТ, "1-52" от их объёмной доли при малых концентрациях. С использованием уравнения Симха-Эйнштейна разработаны рекомендации: по созданию смазочных композиций для подшипников качения при использовании дисперсных добавок; по оценке состояния нефтяного смазочного масла в подшипниковых узлах с учётом тепловыделения.

4. Систематизированные сведения о процессах седиментации и диффузии, коагуляции и диспергирования частиц дисперсных компонентов масел являются элементами теоретических основ для технологии изготовления жидких смазочных композиций. Экспериментально установлено, что в масле МС-20, содержащем высокодисперсные частицы добавок ГМТ, "1-52" устанавливается седиментационно-диффузионное равновесие с небольшим градиентом концентрации при длительном хранении. Таким образом, масло МС-20 с данными дисперсными добавками является устойчивой СК, использование которой возможно в системах, не содержащих фильтров тонкой очистки. Посредством использования уравнения Стокса для седиментации и уравнения Эйнштейна-Смолуховского для диффузии частиц разработана рекомендация по выбору дисперсности твёрдых добавок.

5. Теоретические исследования взаимодействия дисперсных компонентов с поверхностями трения показали, что дисперсные добавки: способны повышать несущую способность смазочного слоя, снижая степень адгезионного изнашивания посредством увеличения относительной опорной длины профиля (площади фактического контакта) и дискретного экранирования поверхностей трения; способны снижать энергетические затраты в условиях граничного трения посредством уменьшения сопротивления сдвигу. Экспериментально подтверждено, что при коагуляции высокодисперсных частиц ГМТ, с поверхностью трения происходит приращение относительной опорной длины профиля. Испытания МС-20 с частицами ГМТ, "1-82" в режиме граничного трения показали, что происходит увеличение несущей способности смазочного слоя при нормальном и недопустимом изнашивании и при наличии в смазочном слое различных взаимодействующих дисперсных компонентов. Происходит снижение энергетических потерь в режиме граничного трения. С учётом полученных результатов разработаны рекомендации по предварительной обработке поверхностей трения дисперсными добавками и по выбору эффективных смазочных масел, содержащих дисперсные добавки.

6. Теоретически выявленные закономерности изменения объёма различных дисперсных компонентов смазочного слоя позволили ввести коэффициент, характеризующий процессы подавления, нейтралитета и стимуляции. Экспериментально установлено, что ГМТ, "1-82" различной дисперсности подавляют образование частиц износа в различной степени.

7. Проведённые теоретические исследования влияния смазочных масел, содержащих дисперсные компоненты, на подшипники скольжения и качения показали, что в режиме жидкостного трения происходит увеличение несущей трения.

ОГЛАВЛЕНИЕ

Введение

1. Дисперсные компоненты в нефтяных смазочных маслах.
1.1. Дисперсные компоненты, генерируемые в узлах трения машин.
1.1.1. Вещества и дисперсные компоненты, образующиеся в процессе окисления нефтяных масел.
1.1.2. Дисперсные компоненты, образующиеся в процессе изнашивания трибосопряжений в механизмах и машинах.
1.2. Дисперсные компоненты, попадающие в узлы трения машин из внешней среды.
1.2.1. Пыль.
1.2.2. Микроорганизмы.
1.3. Дисперсные компоненты, целенаправленно добавляемые в нефтяные масла для улучшения их триботехнических свойств.
1.4. Общие свойства и особенности взаимодействия различных дисперсных компонентов, содержащихся в нефтяных маслах.
1.5. Определение общей цели и постановка задач исследований.
1.6. Выводы по первой главе.
2. Теоретические исследования свойств нефтяных смазочных масел с дисперсными компонентами, находящихся в работающих и не функционирующих узлах трения.
2.1. Вязкость смазочных масел, содержащих дисперсные компоненты.
2.2. Кинетические свойства смазочных масел, содержащих дисперсные компоненты, в условиях не работающего узла трения.
2.3. Коагуляция частиц дисперсного компонента в не функционирующем узле трения.
2.4. Диспергирование дисперсных компонентов в смазочных маслах при приготовлении смазочных композиций и в процессе функционирования узлов трения.
2.5. Взаимодействие дисперсных компонентов смазочного слоя с поверхностями трения в режиме функционирования узлов.
2.6. Закономерности изменения объёма различных дисперсных компонентов смазочного слоя.
2.7. Влияние смазочных масел, содержащих дисперсные компоненты, на гидродинамические подшипники.
2.8. Влияние смазочных масел, содержащих дисперсные компоненты, на подшипники качения.
2.9. Гипотезы в результате проведённых исследований.
2.10. Выводы по второй главе.
3. Экспериментальные исследования свойств нефтяных смазочных масел с дисперсными компонентами, находящихся в работающих и не функционирующих узлах трения.
3.1. Выбор нефтяного масла и дисперсных компонентов для исследований.
3.2. Исследование вязкости нефтяного смазочного масла с дисперсными добавками.
3.3. Оценка устойчивости нефтяного масла с дисперсными добавками в условиях не функционирующего узла трения.
3.4. Влияние дисперсных добавок на относительную опорную длину профиля поверхностей трения.
3.5. Триботехнические свойства масла, содержащего взаимодействующие дисперсные компоненты, в режиме граничного трения.
3.5.1. Оценка несущей способности смазочного слоя с дисперсными компонентами при нормальном и недопустимом изнашивании.
3.5.2. Оценка подавления частиц износа и снижения энергетических затрат при наличии дисперсных добавок в смазочном слое.
3.6. Триботехнические свойства масла, содержащего дисперсные добавки, в режиме жидкостного трения.
3.6.1. Оценка энергетических потерь в подшипнике скольжения.
3.6.2. Оценка энергетических потерь в подшипниках качения.
3.7. Выводы по третьей главе.
4. Рекомендации по практическому использованию результатов исследований.
4.1. Рекомендация по выбору дисперсности твёрдых добавок.
4.2. Рекомендация по выбору эффективных смазочных масел с дисперсными добавками.
4.3. Рекомендация по предварительной обработке поверхностей трения дисперсными добавками.
4.4. Рекомендация по созданию смазочных композиций для подшипников качения при использовании дисперсных добавок.
4.5. Оценка состояния нефтяного смазочного масла в подшипниковых узлах по тепловыделению.
4.6. Возможные применения результатов исследований.
4.7. Выводы по четвёртой главе.