Исследование влияния функциональных добавок к смазочным композициям на работоспособность трибосопряжений

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Автореферат

диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук

Исследование влияния функциональных добавок к смазочным композициям на работоспособность трибосопряжений

Специальность: 05.02.04. - «Трение и износ в машинах».

Усачёв Владислав

Санкт - Петербург 2009

Работа выполнена в ГОУ ВПО «Санкт - Петербургский государственный университет водных коммуникаций»

Научный руководитель

доктор технических наук, профессор Погодаев

Леонгард Иванович

Официальные оппоненты: доктор технических наук

Фадин Юрий Александрович;

кандидат технических наук

Токманев Сергей Борисович

Ведущая организация: ГОУ ВПО Санкт-Петербургский государственный политехнический университет

Введение

Актуальность проблемы.

Актуальность проблемы повышения надёжности различных машин и механизмов с течением времени не только не снижается, а наоборот неуклонно возрастает. На работы по восстановлению изношенных деталей, снижению интенсивности изнашивания различного вида оборудования ежегодно расходуется до 4…5% национального дохода. Такое положение связано не только с ужесточением режимов работы машин, но также с отсутствием во многих случаях расчётных методов обоснованного выбора смазочных материалов, режимов эксплуатации по достаточно объективным критериям для конкретных условий работы трибосопряжений. Изменение характеристик смазочной среды посредством введения дополнительных добавок, даёт возможность увеличить межремонтный период и повысить надёжность трибосопряжений, в некоторых случаях даже восстановить изношенные детали. Поэтому проблема разработки новых смазочным композиций (СК), путём введения дополнительных функциональных добавок, способствующих снижению трения и повышению износостойкости ведущих деталей машин становится особенно актуальной.

Несмотря на глубокие и обстоятельные исследования учёных в области трения и износа различных трибосопряжений существует необходимость в разработке новых подходов при использовании функциональных добавок к СК, а также оценки эффективности существующих СК для повышения эксплуатационных характеристик машин и механизмов.

Цель диссертационной работы. Основной целью исследований, выполненных в работе, является определение влияния функциональных добавок к различным смазочным материалам на износостойкость трибосопряжений. Для достижения цели необходимо решить следующие задачи:

- произвести анализ современных добавок к смазочным материалам (СМ), применяемых в узлах трения;

- предложить гипотезы по улучшению триботехнических и реологических свойств СК;

- определить оптимальную концентрацию добавок в составе СМ;

- провести анализ статистических данных о влиянии условий эксплуатации на скорость изнашивания цилиндровых втулок судовых дизелей при работе на различных базовых маслах с классическими добавками.

- сделать обобщающие выводы.

Объект исследования и методы исследования. Объектом исследования в диссертации являются СК состоящие из базовых масел и многофункциональных добавок, работающие в трибосопряжениях при граничном трении, а также детали цилиндро-поршневой группы (ЦПГ) судовых дизелей 8ЧР24/36, работавших в период навигации на различных смазочных маслах с классическими добавками применяемыми в течении многих лет.

Решения задач базируются на полученных в диссертации экспериментальных данных, известных теоретических положениях теории трения и изнашивания, структурно-энергетической теории изнашивания, теории планирования эксперимента и математической статистики.

Научные положения выносимые на защиту:

- впервые выполненные результаты исследования влияния фуллереновых наномодификаторов (ФНМ) при совместном введении с порошками мягких металлов в пластичный СМ на износ и критическую нагрузку схватывания поверхностей трения;

- впервые выполненные результаты исследования влияния добавок на основе природного геомодификатора трения (ГМТ) при совместном введении в СМ на основе моторного масла;

- методика оценки износостойкости деталей ДВС на основе структурно-энергетического подхода;

- результаты анализа износа цилиндровых втулок судовых дизелей при работе на базовых маслах с классическими добавками.

Научная новизна работы. Впервые установлены зависимости влияния добавок на основе ФНМ при совместном введении с порошками мягких металлов в составе пластичного СМ на работоспособность трибосопряжений, впервые проведены исследования по влиянию добавок на основе ГМТ при совместном введении с порошками мягких металлов в составе моторного масла, впервые выполнены и проанализированы сравнительные испытания смазочных композиций с известными присадками к базовым маслам на износостойкость втулок цилиндров судовых дизелей.

Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и результатов исследований обусловлена:

- высокой эффективностью, использованного в диссертации структурно- энергетического подхода при анализе износостойкости цилидровых втулок судовых дизелей;

- использованием испытательных стендов и методов исследований, достаточно хорошо изученных в исследовательской практике и позволяющих в связи с этим получать воспроизводимые результаты, сопоставимые с накопленными ранее опытными данными, а также результатами исследований других авторов;

- новизна выполненных теоретических решений подтверждается соответствующим техническим актом, приложенным в работе.

Практическая ценность работы:

- сделан обобщающий вывод о том, что использование ГМТ и ФНМ совместно с другими многофункциональными добавками в составе различных СМ представляется наиболее перспективным в решении проблем трения и износа;

- настоящая работа подтверждает необходимость расширения научных исследований по комплексной проблеме повышения надёжности трибосопряжений;

- установлены объективные энергетические модели износостойкости и долговечности цилиндровых втулок судовых дизелей.

Личный вклад автора. В диссертации представлены результаты исследований, полученные автором самостоятельно, а также совместно с сотрудниками НПО «ВМПАВТО» и НПО «НАНОПРОМ».

При этом лично автору принадлежат:

- обоснование направления исследований и постановка задач;

- планирование и проведение экспериментальных исследований, связанных с испытаниями на триботехнических стендах;

- обобщение экспериментальных исследований, построение на их основе моделей и установление основных закономерностей исследуемых процессов.

Апробация работы. Результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на: Научно-методической конференции «Надёжность судовых техничесих средств, конструкционных материалов и покрытий», посвящённой 70-летию Судомеханического факультета СПбГУВК (г. С.-Петербург 2008); 10-ой Международной научно-практической конференции «Ремонт-2008» (г. С.-Петербург 2008); Международной конференции «Плёнки и покрытия» 2007 и 2009 (г. С.-Петербург, РАН).

Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 7 печатных работ. Среди них 3 статьи опубликованы в изданиях рекомендованных ВАК.

Структура и объём диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы из 95 наименований и содержит 173 страницы текста, включая 26 таблиц, 49 рисунков, 56 формул и 4 приложения.

Содержание работы

В введении дана оценка современного состояния сформулированной и решаемой задачи, обоснованна актуальность работы, показана её научная и практическая значимость, сформулированы цель и задачи исследования, представлены основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе приводится обзор функциональных добавок к смазочным материалам (СМ). Рассмотрены основные виды добавок к СМ, существующих в настоящее время в России и за рубежом, из которых наиболее перспективными являются антифрикционные и противоизносные добавки на основе ГМТ, ФНМ и ультрадисперсных порошков цветных металлов. Подробный обзор каждой из добавок в составе различных СМ позволил выявить их преимущества и недостатки.

Для устранения данных недостатков были предложены наиболее перспективные направления по улучшению эффективности использования функциональных добавок для решения триботехнических задач. В соответствии этими сформулированы цель и поставлены задачи исследований.

Во второй главе приводятся методики испытаний СМ, лабораторное оборудование и приборы используемые в данной работе. Для испытаний СК в работе использовалась машина трения СМЦ-2 и четырёхшариковая машина трения (ЧМТ-1). Испытания на машине трения СМЦ-2 проводились по схеме ролик-ролик в условиях граничного трения. Оценка триботехнических характеристик производили с использованием молекулярн-механической теории трения.

Третья глава посвящена экспериментальным исследованиям по оценке влияния фуллереновой сажи в составе пластичной смазки Литол-24 на работоспособность трибосопряжений.

Целью испытаний являлось определить влияние концентрации фуллереновой сажи в составе пластичной смазки и оптимизировать условия нагружения для обеспечения максимальной работоспособности узлов трения

Концентрация фуллереновой сажи в смазке составляла от 0 до 4 % по массе. На первом этапе испытания проводились при частоте вращения n=500 об/мин и постоянной нагрузке 500 Н. Испытываемые образцы были изготовлены из стали 40Х. Результаты испытаний преведены в таблице 1.

Таблица 1

Состав СК	f	А, Дж*10-5	?V, мм3	IA, м3/Дж106
Литол -24	0,117	2,755	1,666	6,045
Литол-24+1%	0,108	2,543	1,218	4,788
Литол-24+2%	0,103	2,426	0,247	1,019
Литол-24+3%	0,107	2,52	0,649	2,576
Литол-24+4%	0,117	2,708	0,866	3,144

Приведённые данные показывают, что добавка фуллереновой сажи улучшает противоизносные свойства пластичной смазки Литол-24 по сравнению с работой без добавок. На поверхности образцов визуально отмечено образование плёнки с хорошей адгезией и стойкой к истиранию (рис. 1). Оптимальная концентрация добавки 2%, так как при дальнейшем увеличении концентрации сажи в СК относительная эффективность добавки снижается по сравнению с меньшими её концентрациями.

Рис. 1. Защитный слой из ФНМ на стали 40Х (Неофот - 22, косой срез, 500)

На втором этапе испытания проводились на машине трения СМЦ-2 и четырёхшариковой машине трения ЧМТ-1. Испытания на машине СМЦ-2 проводились на парах трения сталь 40Х - сталь 45 для двух смазочных композиций: Литол-24 без добавок и с добавлением 2% фуллереновой сажи. В отличие от предыдущих испытаний нагрузка ступенчато изменялась в пределах от 200 Н до 1400 Н. Испытания на машине ЧМТ-1 проводили для пяти вариантов СК: Литол-24 без добавок и Литол-24 с добавлением фуллереновой сажи от 1 до 4% по массе. Результаты испытаний представлены в таблице 2.

Таблица 2

Варианты СК	Нагрузка, Н	toср, С	f	А, Дж *10-4	?V, мм3 *103	IA, мм3/ДЖ *106
1	2	3	4	5	6	7
СМЦ-2
Литол-24 (БВ)	200	49	0,225	3,533	4,143	0,103
	400	53	0,143	4,49	20	0,445
	600	79	0,115	5,417	41	0,754
БВ+ +2%ФС	200	51	0,195	3,062	1,785	0,058
	400	61	0,127	3,988	5,95	0,149
	600	79	0,1	4,71	24	0,517
	800	99	0,098	6,154	33	0,537
	1000	100	0,099	7,771	40	0,51
	1200	128	0,098	9,232	48	0,517
ЧМТ-1
Варианты СК	d	Рк	Рс
Литол - 24	0,53	617	1381
Литол-24 + 1% ФС	0,51	657	1470
Литол-24 + 2% ФС	0,45	735	1646
Литол-24 + 3% ФС	0,45	696	1646
Литол-24 + 4% ФС	0,48	657	1646

Из результатов опытных данных видно, что при испытаниях на машине СМЦ-2 добавление фуллереновой сажи к пластичной смазке Литол-24 не приводит к снижению коэффициента трения, так как он остаётся практически одинаковым. При этом видно, что добавление фуллереновой сажи при испытаниях на машине СМЦ-2 увеличивает несущую способность смазки с 600 Н до 1200 Н и приводит к снижению износа и интенсивности изнашивания в 1,7-2,5 раза. При испытаниях на машине ЧМТ-1 отмечено незначительное увеличение Рк и Рс примерно на 15% и снижение износа на 15%, то есть эффективность фуллереновой сажи с точки зрения увеличения нагрузки сваривания не высока. Концентрация фуллереновой сажи, при которой достигаются наиболее высокие значения Рк и Рс и наименьшие значения износа, составляет 2-3% по массе. Следовательно эффективность добавок фуллереновой сажи в пластичную смазку Литол-24 по сравнению со смазкой без добавок зависит от условий трения. При испытаниях на машине ЧМТ-1 применение смазки Литол-24 без добавок оказалось более эффективным по соотношению «цена-качество». При трении на машине СМЦ-2 применение Литол-24 с добавлением фуллереновой сажи оказалось более предпочтительным.

Исходя из этого можно сделать вывод, что фуллереновая сажа при добавлении к пластичным смазкам улучшает противозадирную стойкость трибосопряжений, однако из-за повышенной жёсткости они не снижают потери мощности на преодоление трения, поэтому для снижения коэффициента трения в СК надо вводить дополнительно добавки в виде, например, маслорастворимых солей диалкилдитиофосфорной кислоты.

Четвёртая глава посвящена экспериментальным исследованиям трибосопряжений в присутствии СМ с различными добавками.

Первый раздел четвёртой главы посвящён исследованию влияния добавок на основе ГМТ типа серпентинит Кольского месторождения на работоспособность трибосопряжений, выполненных из материалов: сталь 45 - ШХ15 и сталь ШХ 15 - СЧ. Испытания проводились в два этапа. Первый этап испытаний проводился по двум вариантам СК: масло ТАД-17И - базовый вариант (БВ) и БВ+4% ГМТ. Результаты испытаний представлены в таблице 3.

Таблица 3

Состав СК	Нагрузка, Н	Мср, Н*м	toср, С	f	?V, мм3	IA, мм3/мин
Вариант 1
БВ	200	0,49	49	0,098	1,44	0,0048
	400	0,48	67	0,048	5,52	0,0184
	600	0,76	69	0,051	4,47	0,0149
	800	____	____	____	____	____
	1000	____	____	____	____	____
БВ+ +4% ГМТ	200	0,33	52	0,066	1,38	0,0046
	400	0,76	64	0,076	2,07	0,0069
	600	1,4	89	0,093	2,415	0,00805
	800	1,75	103	0,088	6,21	0,0207
	1000	1,88	114	0,075	1,2	0,004
Вариант 2
БВ	200	0,54	51	0,108	0,9	0,003
	400	0,97	69	0,097	3,3	0,011
	600	1,32	91	0,088	3,3	0,011
	800	1,7	109	0,085	3,3	0,011
	1000	2,06	127	0,082	3,9	0,013
	1200	2,5	142	0,083	6,6	0,022
	1400	2,76	145	0,079	8,7	0,029
БВ+ +4% ГМТ	200	0,41	57	0,082	1,8	0,006
	400	0,91	62	0,091	3,3	0,011
	600	1,4	83	0,093	4,98	0,0166
	800	1,7	102	0,085	9,12	0,0304
	1000	2,0	116	0,08	16,8	0,056
	1200	2,33	126	0,078	14,1	0,047
	1400	2,5	131	0,071	11,4	0,038

Испытания проводились на машине трения СМЦ-2 при частоте вращения подвижного ролика 500 об/мин. Смазка пары трения осуществляли капельным способом (5-6 капель в минуту). Время испытаний каждой пары трения составляло 5 часов.

Из результатов опытных данных видно, что в варианте 1 при использовании БВ увеличение контактной нагрузки свыше 600 Н приводит к задиру пары трения. При этом добавление к БВ 4% ГМТ повышает нагрузку схватывания с 600 Н до 1000 Н. С ростом нагрузки из-за абразивного действия частиц серпентинита отмечено увеличение коэффициента трения, при 800 Н коэффициент трения достигает максимума, но с дальнейшим увеличением нагрузки он снижается. Износ также достигает максимума при нагрузке 800 Н, но с дальнейшим увеличением нагрузки снижается в диапазоне температур с 64 до 114 оС.

При испытаниях по варианту 2, благодаря антифрикционным свойствам чугуна нагрузка задира значительно увеличивается для обоих вариантов смазки. Отмечена тенденция снижения коэффициента трения с ростом нагрузки. При испытании композиции с ГМТ отмечено увеличение объёмного износа и скорости изнашивания. При нагрузке 1000 Н износ и скорость изнашивания достигают максимума, а затем начинают заметно снижаться для обоих вариантов смазки. Для композиции с ГМТ наблюдается снижение температуры в зоне контакта на 10-15 оС по сравнению с БВ.

На втором этапе испытания были проведены как сравнительные для добавок СУРМ и ГМТ к индустриальному маслу И-20А для пары трения сталь 45-ШХ15. Результаты испытаний представлены в таблице 4.

Таблица 4

Нагрузка, Н	Мср, Н*м	toср, С	f	?V, мм3	IA, мм3/мин
И-20А+4%ГМТ
200	0,45	47	0,09	0,45	0,0015
400	0,7	63	0,07	1,35	0,0045
600	1,25	65	0,083	1,11	0,0037
800	1,55	90	0,078	3,9	0,013
1000	1,8	92	0,072	4,5	0,015
1200	2,25	112	0,075	5,4	0,018
1400	2,54	107	0,073	6,9	0,023
И-20А+1,5%СУРМ
200	0,4	49	0,08	1,56	0,0052
400	0,8	68	0,08	2,64	0,0088
600	1,35	79	0,09	2,64	0,0088
800	1,4	87	0,07	0,87	0,0029
1000	1,85	99	0,074	2,22	0,0074
1200	2,5	116	0,083	4,8	0,016
1400	3	142	0,086	11,1	0,037

Из полученных результатов видно, что добавка ГМТ не имеет преимущества перед добавкой СУРМ. Лишь при нагрузках свыше 1200 Н СК с добавлением ГМТ оказалась более предпочтительной чем СК с добавлением СУРМ, так как при нагрузке 1400 Н видно снижение момента трения, коэффициента трения и температуры приблизительно в 1,25 раза, а скорости изнашивания образцов примерно в 1,5 раза.

Таким образом, можно сделать вывод, что добавки на основе ГМТ целесообразно использовать при больших контактных нагрузках в жестких условиях трения.

Второй раздел четвёртой главы посвящён исследованию влияния различных добавок к моторным маслам на работоспособность трибосопряжений. Испытания проводились как сравнительные. За прототип был взят металлоплакирующий концентрат по патенту № 2202600 известный как «Ресурс», в состав которого входят: металлический наполнитель, диалкилдитиофосфат молибдена, диспергатор-сукцинимид С-5А. В новый испытываемый концентрат были добавлены минеральный наполнитель (серпентинит 0,1-5,0 %, хлорит 0,1-5,0%, стекловолокно 0,5-2%, кварц порошкообразный 0,5-5%), диалкилдитиофосфат олова 1-10%, поверхностно - активные вещества (имидопроизводные янтарной кислоты 1-10%, монокорбоновая жирная кислота 0,5 %), циклогексанол < 1,5%. Испытания проводились по пяти вариантам.

Испытания проводились на машине трения СМЦ-2 для пары трения сталь 45 - СЧ при постоянной нагрузке 588 Н и частоте вращения ролика 500 об/мин. Добавки вводились в моторное масло ESSO 10W40 в количестве 5% по массе. Время испытаний каждой пары трения составляло 5 часов. Результаты испытаний представлены в таблице 5.

Таблица 5

№ варианта	?добавок %	f	to, C	?V, мм3	IA, мм3/мин*103
Прототип патент 2202600
1	11	0,113	92	1,817	7,57
2	21,5	0,109	88	1,27	5,29
3	37	0,103	88	0,634	2,64
4	54,5	0,098	86	0,617	2,57
5	70	0,096	84	0,6	2,5
Испытываемый препарат
1	11	0,089	69	0,757	3,14
2	21,5	0,08	67	0,41	1,71
3	37	0,08	68	0,307	1,28
4	54,5	0,082	67	0,336	1,14
5	70	0,08	67	0,257	1,07

Из результатов опытных данных видно, что введение дополнительных добавок к базовому варианту дополнительно снижает скорость изнашивания трибрсопряжения на 70%, момент трения на 15% и температуру в зоне контакта на 20%. Наиболее высокие показатели были получены при испытаниях СК по вариантам 3, 4 и 5.

Третий раздел четвёртой главы посвящён исследованию влияния различных добавок к пластичным смазкам типа Литол-24 на работоспособность трибосопряжений.

Для улучшения триботехнических и реологических свойств ПСМ Литол-24 необходимо ввести добавки Zn-Cd, ДАДФМ и фуллереновую сажу. Испытания проводились по трём вариантам: 1-Литол-24+Графит 10%; 2-Литол-24+МоS2 10%; 3-Литол-24+ДАДФМ 5%+Zn-Сd+2%+3%+ФНМ 2%. Испытания проводились на машине трения СМЦ-2 и четырёхшариковой машине трения ЧМТ-1.

Испытания на машине трения СМЦ-2 проводили для пары трения сталь 40Х - сталь 45 при постоянной частоте вращения подвижного ролика 500 об/мин и нагрузках в пределах от 200 Н до 1400 Н. Результаты испытаний представлены в таблице 6.

Таблица 6

Вариант состава СК	Нагрузка, Н	f	А, Дж, *10-4	?V, мм3 *103	IA, мм3/мин *106
БВ+10% MoS2	200	0,367	5,762	5,637	0,098
	400	0,259	8,133	26	0,314
	600	0,199	9,373	174	1,856
БВ+10% Графит	200	0,341	5,354	0,103	0,151
	400	0,187	5,872	30	0,503
	600	0,242	11,4	168	1,473
БВ+сплав Zn-Cd+ +ДАДФМ + ФМ	200	0,086	1,35	0,8	0,059
	400	0,043	1,35	5,618	0,416
	600	0,0364	1,719	14	0,829
	800	0,0365	2,292	20	0,859
	1000	0,0345	2,708	20	0,746
	1200	0,039	3,674	23	0,617
ЧМТ-1
	d	Рк	Рс
БВ+сплав Zn-Cd +ДАДФМ + ФМ	0,34	1039	1960

Так как из результатов опытных данных видно, что твёрдые наполнители графит и МоS2 (вар. 1,2) не улучшают триботехнические характеристики узлов трения и не повышают износостойкость сопряжённых деталей. В связи с этим испытания этих добавок на четырёхшариковой машине трения не проводили.

Добавление в ПСМ комплекса, включающего порошок сплава Zn-Cd, ДАТФМ и фуллереновую сажу (вар.3) значительно улучшило все реологические и триботехнические свойства смазки. В сравнении с базовым вариантом (Литол-24) несущая способность смазочного слоя увеличилась с 400Н до 1200Н. Износ снизился примерно в 2 раза при изменении нагрузки на трибосопряжение в диапазоне от 200 Н до 1200 Н, коэффициент трения снизился в 2,4 раза по сравнению с Литол-24 без добавок.

Исходя из вышеизложенного можно сделать вывод, что смазочная композиция, состав и свойства которой соответствуют третьему варианту по триботехническим характеристикам, износостойкости и несущей способности смазочного слоя (по Pкр), значительно превосходит все испытанные пластичные смазочные материалы. Реализация в СК способности металлоплакирования, модифицирования дисперсной среды маслорастворимыми солями металлов и создание прочного и теплостойкого каркаса из фуллеренового наномодификатора в совокупности представляют собой технические решения по созданию в итоге смазочной композиции более высокого класса в сравнении с известными ПСМ.

Пятая глава посвящена анализу статистических данных о влиянии условий эксплуатации на скорость изнашивания цилиндровых втулок двигателей внутреннего сгорания.

В первом разделе представлена методика моделирования износостойкости деталей ДВС на основе структурно-энергетического подхода.

Во втором разделе проведён статистический анализ опытных данных об износах цилиндровых втулок двигателей 8ЧР24/36. В основу анализа легли статистические данные, приведённые в таблице 7, полученные на судах СЗРП об изнашивании втулок цилиндров 36 двигателей 8ЧР24/36. Эти данные представляют собой средние значения износов для всех восьми цилиндров каждого дизеля, определённых при указанных в таблице параметрах, которые во время наблюдений по возможности поддерживались постоянными. В таблице указаны средние значения скоростей изнашивания втулок всех восьми цилиндров каждого двигателя - , мкм/1000ч; среднее значение температуры охлаждающей воды, 0С; среднее эффективное давление, МПа; число оборотов коленвала двигателя, об/мин; период работы двигателя между двумя очередными заменами масла, ч; - содержание серы в топливе, %; продолжительность эксплуатации двигателя, ч. смазочный триботехнический скорость втулка

Износ каждой втулки определялся как среднее арифметическое значение износов, измеренных в трех поясах втулки с использованием метода нарезания лунок. В каждом поясе было по четыре лунки. Смазка ЦПГ 16 двигателей производилась маслом ДСП-II, для смазки деталей остальных 20 двигателей использовали масло М-12В2. Двигатели работали на моторном топливе ДТ (ГОСТ 1667-68) с содержанием серы от 0,3 до 1,0%. Для удобства анализа статистических данных подконтрольные двигатели по убыванию скорости изнашивания втулок были разбиты на три группы (табл. 7).

Таблица 7

Статистические данные об износах цилиндровых втулок и эксплуатационных характеристиках двигателей 8ЧР24/36

№ гр.	Масло								№ диз.
I группа двигателей	Масло ДСП-II	29,5 30,0 31,0 32,0 38,0 38,1 40,1 45,0 45,0 48,0 50,2 55,0	72,6 78,0 75,3 68,1 55,0 61,1 72,5 50,8 60,0 49,1 43,5 47,5	0,522 0,524 0,520 0,540 0,560 0,575 0,568 0,546 0,574 0,561 0,578 0,575	305 290 280 300 360 335 322 315 320 308 298 295	860 1100 860 800 890 940 980 850 920 810 1120 890	0,60 0,45 0,43 0,54 0,87 0,67 0,95 0,40 0,87 0,51 0,59 0,90	1991 1900 1692 1730 1640 1930 1830 1680 1780 1740 1890 1740	6 8 7 5 34 4 20 2 31 1 3 18
II группа двигателей	Масло ДСП-II	18,2 19,0 20,6 24,1	77,0 74,2 76,0 74,7	0,572 0,523 0,570 0,530	330 356 325 325	1770 920 1170 1380	0,59 0,48 0,59 0,35	1770 1760 1770 2520	30 35 29 19
	Масло М-12В2	14,6 15,8 16,0 16,4 17,1 19,0 19,6 21,0 21,8 22,4 24,2 25,0	74,5 70,0 78,0 71,5 59,0 74,8 48,5 64,0 47,0 44,9 49,5 46,3	0,540 0,551 0,569 0,561 0,570 0,570 0,549 0,561 0,568 0,577 0,571 0,574	305 288 297 280 325 315 312 325 305 295 285 315	860 1000 800 860 940 2021 850 975 810 1120 960 1050	0,43 0,57 0,54 0,60 0,67 0,98 0,40 0,88 0,51 0,59 0,80 0,97	1692 2027 1730 1991 1930 1980 1680 1885 1740 1915 1748 1900	16 14 17 15 13 27 11 32 10 9 12 21
Ш группа дизелей	Масло М-12В2	6,6 7,7 8,4 9,0 9,2 10,0 11,0 12,0	69,5 69,5 66,0 73,9 69,9 74,3 74,9 73,2	0,550 0,560 0,572 0,571 0,575 0,557 0,568 0,568	328 305 298 330 290 355 340 327	2009 2190 2137 1870 2171 910 1410 1710	0,40 0,52 0,59 0,99 0,66 0,56 0,75 0,91	2009 2190 2137 1870 2071 1980 2030 1710	22 23 24 28 25 26 36 33

В результате статистического были составлены уравнения для определения предполагаемого удельного износа (математического ожидания) втулок дизелей (1) для масла М-12В2 и (2) для масла ДСП-II.

(1)

с ошибкой

(2)

с ошибкой

Серии, на которые могут быть разбиты данные наблюдений, для всей группы исследуемых ДВС 8ЧР24/36 были подвергнуты дисперсионному анализу, результаты которого приведены в таблице 8. Вычисленные в результате анализа критерии Фишера Fi оказались больше трех (Fi > 3) и свидетельствуют о том, что группировка данных наблюдений по сериям не является случайной, т.е. при исследовании темпа изнашивания, в частности, цилиндровых втулок двигателей 8ЧР24/36 не учитывалось влияние еще каких-то определяющих факторов. Как было выяснено позже, причиной такого «расслоения» опытных данных оказалось наличие в двигателях различных систем охлаждения: замкнутых и незамкнутых. Для последних темп изнашивания цилиндровых втулок оказался выше, т.к. tов была ниже оптимальной при повышенных коэффициентах трения.

Таблица 8

Результаты дисперсионного анализа

Изменчивость	Сумма квадратов	Число степеней свободы	Оценка дисперсии
Общая
Между осями
Остаточная
Критерий Фишера Fi=
Примечание. Над чертой приведены данные для дизелей, работавших на масле ДСП-II а под чертой - на масле М-12В2.

Несмотря на то, что мощность современных двигателей значительно увеличилась за счет их форсирования и для 4 тактных двигателей pе с 0,52…0,65 МПа возросло до 0,75…2,5МПа, средние скорости изнашивания цилиндровых втулок не претерпели скачкообразного изменения. Это обстоятельство позволяет обобщить принципиальную часть методики оперативного прогнозирования втулок и для двигателей с наддувом, а именно: считать отношение мощности трения к эффективной мощности двигателей любых типов основным фактором, обуславливающим существование не менее трех энергетических уровней самоорганизации пар трения как открытых систем, соотношение между которыми подчиняется закономерностям фрактальной механики разрушения. Зависимости на рис. 2 отражают картину изнашивания втулок двигателей без наддува при pe, изменяющимся в узких пределах, от 0,52 до 0,58 МПа. Практика эксплуатации двигателей с наддувом показывает, что наддув обычно приводит к увеличению двигателей ЦПГ. При этом замечено, что для различных типов двигателей, даже при одинаковой степени наддува, относительное изменение узлов трения неодинаково. Можно полагать, что наддув приведет к различному увеличению втулок исследованных двигателей в пределах отдельных групп. Выполненные исследования позволяют определить относительное изменение скоростей изнашивания втулок двигателей 8НФД36АУ при pe=0,79 МПа в сравнении с втулок двигателей без наддува (pe=0,55МПа).

Графо-аналитическое решение поставленной задачи будет состоять из следующих этапов.

Пусть нам известна средняя скорость изнашивания только одной из групп дизелей, например, двигателей III группы Требуется определить средние значения для всех групп двигателей при повышении среднего эффективного давления pe с 0,56 до 0,79 МПа.

По частному соотношению, вытекающему из общей структурно-энергетической модели изнашивания определим втулок после наддува

(3)

В (2) и далее знаком обозначены параметры, относящиеся к двигателям с наддувом.

2. Следуя ряду (4), согласно которому износостойкость цилиндровых втулок и относительные потери на трение при переходе от первой группы дизелей к третьей происходит ступенчато по правилу геометрической прогрессии:

, (4)

где а - коэффициент, равный ; q - знаменатель прогрессии, равный двум, втулок двигателей II и I групп определим путем умножения на q = 2 и q2 = 22 соответственно:

; (5)

(6)

3. На графике зависимости с логарифмическими шкалами, с учетом разброса опытных точек в пределах 30…35% в обе стороны от средних скоростей изнашивания и , нанесем сначала линии 3,2 и 1, а затем по уже известной схеме (см. п. 2) - линии 3', 2' и 1' для двигателей без наддува и с наддувом соответственно. При этом тангенс угла наклона отрезков 1 -3 и 1'-3' к оси абсцисс примем равными 2,6 (1 и 1'); 5,5(2 и 2') и 11(3 и3') (рис. 2 а).

4. Аналогичным способом определим положение частных зависимостей в виде отрезков 1 - 3 и 1' - 3' для двигателей без наддува и с наддувом соответственно на рис. 2 б, при этом наклон отрезков к оси абсцисс в соответствии с установленными зависимостями примем равным трем.

5. По установленным на рис. 2 а, б средним значениям при pe = 0,56 и 0,79 МПа построим зависимости от и для двигателей I - III групп. Указанные зависимости в линейном приближении ~ приведены на рис. 2 в виде линий 1 - 3, соответствующих уравнениям (7) и (8). Значения в (8) даны в столбце 2 таблице 9 (рис. 2 г). Относительные значения констант (столбцы 3 и 4) возрастают от линии 3 (для двигателей III гр.) к линии I (для двигателей I гр.) в соответствии с геометрической прогрессией. Отклонение отношения констант для двигателей I группы (строка 3 таблицы 9) от 4-х до 4,35 связано с влиянием нелинейности зависимости при переходе от одной группы двигателей к другой.

Анализ зависимостей на рис. 2, указывает на неодинаковую степень влияния наддува на втулок двигателей различных групп: наддув приводит к увеличению двигателей I, II и III групп соответственно на 40, 50 и 60%.

в)

г) Таблица 9

при 315 об/мин
Группа дизелей	при		Среднее (окр.)
1	2	3	4
I	1	78,5	4,35	4,0
	По 4'	63,5	3,53
II	97,5	2,08	2,0
III	18,0	1,0	1,0

Рис. 2. Влияние форсирования двигателей по среднему эффективному давлению на скорость изнашивания втулок: а - зависимость : кривые 1-3 для двигателей без наддува; 1'-4' - для двигателей с наддувом; б - , обозначения прежние; в - изменение скорости изнашивания двигателей I-III групп при увеличении ; г - таблица 9 с данными анализа const2 для двигателей I, II и III групп в уравнении (8)

Возвращаясь к рис. 2 а, следует еще раз отметить, что одной из причин группирования опытных точек на нескольких уровнях изнашивания, может оказаться конструкция системы охлаждения, поскольку при проточной системе охлаждения втулок примерно 1,5…2,0 раза превышает втулок двигателей с замкнутой системой охлаждения.

Достоверность расчетно-графической методики оценки скоростей изнашивания цилиндровых втулок двигателей подтверждается фактически полным совпадением расчетных зависимостей 1 и 2 на рис. 2 а и б с зависимостью , нанесенной на эти рисунки по данным измерений износов цилиндровых втулок на 139 действующих двигателях типа 8НФД36АУ (с наддувом), систематизированным Н.В. Запольским.

Достаточно высокая достоверность прогнозирования надежности ответственных пар трения в двигателях оказалась возможной в результате установления количественных характеристик многоуровневой иерархической системы взаимодействия и изнашивания сопряженных деталей. Ступенчатость энергетических уравнений изнашивания, подчиняющаяся соотношениям фрактальной механики разрушения, показана, например, при анализе зависимостей скорости изнашивания втулок от температуры охлаждающей воды, среднего эффективного давления и относительной эффективной мощности двигателей. Выполненные исследования указывают на необходимость учета масштабного фактора, т. е. особенностей изнашивания двигателей как макро, мезо- и микромасштабных уровнях внешнего нагружения.

Третий раздел посвящён оценке антиизносных свойств смазочных композиций. Зависимость скорости изнашивания от условий эксплуатации при работе дизеля на данном сорте масла лучше всего установить статистическими методами. Корреляционные уравнения, определяющие износ цилиндровых втулок судовых двигателей 8ЧР24/36, приведены в таблице 10.

Таблица 10

Множественные корреляционные уравнения, определяющие скорость изнашивания цилиндровых втулок в зависимости от сорта масла и условий эксплуатации дизеля 8ЧР24/36

№ n, п/п	Смазочная композиция	Значение коэффициента корреляции r1(2)(3)(4) (корреляционное уравнение)
1	Масло ДС-II+14% МАСК	r1(2)(3)(4)=0,46е1+1,36е2-1,07е3+0,46е4+0,09е5
2	Масло ДСП-II (ДС-II+3% ЦИАТИМ-399)	r1(2)(3)(4)=-4,08е1+4,52е2+0,56е3+0,95е4+0,95е5
3	Масло ДС-II+7,5% В-360	r1(2)(3)(4)=-0,13е1+1,50е2+1,45е3-0,51е4+0,0002е5
4	Масло ДС-11+4% Monto- 613	r1(2)(3)(4)=-2,99е1+1,91е2+2,29е3+0,07е4-0,007е5
5	Масло М-12В2 (ДС-II+7,5% прис.)	r1(2)(3)(4)=-0,20е1+0,57е2-0,43е3-0,78е4-0,58е5
6	Масло ДС-II+13% БФК-30	r1(2)(3)(4)=-0,92е1+0,42е2+0,72е3+0,00е4+0,13е5
Примечание. В таблице введены обозначения , где - расчётное отклонение; -среднеарифметическое отклонение; - основное (стандартное) отклонение i-ой величины; кроме того, хi =tов, х2=Ре, х3=n, х4=Тсм и х5=S*%.

В таблице 11 приведены характеристики присадок к базовому маслу ДС-II, рекомендуемые сорта масел с этими присадками, концентрация присадок в базовом масле, а также их моющие свойства. Множественные корреляционные уравнения, представленные в таблице 10, являясь строгими, все-таки не очень наглядны при анализе. Поэтому перейдем к физическим величинам, значения которых даны в таблице 11.

Таблица 11

Множественные совокупные уравнения, учитывающие сорт масла и средний режим эксплуатации

Смазочные композиции (базовые масла с присадками)	Фактический средне- арифме-тический износ за навигацию, мкм	Формула для определения предполагаемого износа за навигацию , мкм	Стандарт- ное откло- нение	Относи-тельная износо-стой-кость	Коэффициент трения	(tов)средн оС
Масло ДС-II+ +14% МАСК	36,6		5,90	1,0	0,12…0,13	?55
Масло ДСП-II (ДС-II+3% ЦИАТИМ-339)	35,0		6,20	1,05
Масло ДС-II+ +7,5% В-360	26,5		5,30	1,38
Масло ДС-II+ +4% Monto-613	17,75		2,76	2,06	0,096…0,1	45-75
Масло М-12В2 (ДС-II+ +7,5% присадок)	15,2		2,30	2,4
Масло ДС-II+13% БФК-30	8,4		1,36	4,36	0,076-0,067	68-75

По данным таблицы не трудно установить влияние того или иного параметра, определяющего режима работы дизеля на данном сорте масла, на величину предполагаемого износа . Оказалось, что чем меньше (по модулю) свободный член, тем равномернее износ (масло № 6) и чем больше коэффициент при параметре , тем большее влияние он оказывает на величину износа.

Например, при работе дизеля 8ЧР24/36 на масле №1 (таблица 11) повышение температуры охлаждающей воды приводит к увеличению износа, на других сортах - к уменьшению (наибольшему- при масле ДСП-II). Можно также сделать вывод, что во всех случаях, как и следовало ожидать, увеличение pe приводит к увеличению и особенно при работе на масле ДСП-II.

В таблице 11 сорта масел расположены в порядке уменьшения предполагаемых износов. Большое различие в значениях статистических коэффициентов при параметрах свидетельствует о том, что при работе масла в иных условиях, невыгодное для данного дизеля масло может дать положительные результаты. Поэтому, чтобы в общем случае оценить «хорошее» или «плохое» рассматриваемое масло для данного дизеля, можно ввести, например, такой критерий , где - предполагаемый износ дизеля на эталонном масле, а -то же, на любом сравниваемом сорте. Если , то , значит сравниваемый сорт масла лучше эталонного.

При создании новых СК с присадками следует учитывать то, что практически все современные СК изначально содержат пакет присадок различного функционального назначения, например, масло М-12В2. Поэтому перегружать известные масла новыми добавками следует весьма осторожно, особенно в тех случаях, когда эффективность новых добавок оценивалась не по данным эксплуатации машин и механизмов в натурных условиях и на моторных стендах, а по результатам сравнительных испытаний образцов на различных машинах трения. Наиболее перспективным направлением в настоящее время является разработка ремонтно-восстанавливающих технологий, когда в процессе эксплуатации на поверхности трибосопряжений образуется защитная пленка, компенсирующая износ деталей, например, благодаря использованию СК с добавками-реметаллизантами и ГМТ. Важно отметить, что при использовании новых СК, содержащих добавки в виде тонкодисперсных порошкообразных реметаллизантов и ГМТ на поверхностях трениях сопряженных деталей образуется метало-керамическая пленка, восстанавливающая размеры деталей до номинальных размеров и снижающая потери энергии на трение за счет реализации на пятнах контакта гидродинамического трения.

Заключение

Краткие выводы по результатам диссертационных исследований.

В целом проведённые исследования позволили предложить способы повышения работоспособности и долговечности узлов трения при помощи введения в СК различных дополнительных добавок.

Анализ результатов исследований позволяет сделать следующие выводы.

Изложена актуальность проблемы повышения работоспособности узлов трения при помощи введения в СК многофункциональных добавок.

Сделан подробный обзор антифрикционных и противоизносных добавок.

Выявлены преимущества и недостатки существующих в настоящее время СК на основе различных смазок.

Проведены исследования СМ на основе ФНМ в составе пластичной смазки. Установлено, что ФНМ способствует снижению износа и увеличению несущей способности СК, но при этом коэффициент трения не снижается.

Проведены исследования с целью определения влияния ГМТ на работоспособность трибосопряжений в составе различных СМ. Установлено, что добавки на основе ГМТ для некоторых пар трения увеличивают критическую нагрузку, при больших контактных нагрузках отмечалось снижение коэффициента трения и износа.

Разработаны практические рекомендации по наиболее эффективному использованию данных добавок.

Впервые проведены исследования СМ на основе моторного масла при совместном введении добавок на основе ультрадисперсных порошков мягких металлов и добавок на основе ГМТ. Было отмечено улучшение всех триботехнических характеристик.

Впервые проведены исследования СМ на основе пластичной смазки Литол-24 при совместном введении добавок на основе ультрадисперсных порошков мягких металлов и добавок ФНМ. Было отмечено улучшение всех триботехнических и реологических характеристик. Данные добавки способствуют снижению износа, коэффициента трения, увеличению несущей способности пластичных смазок.

Проведен сравнительный анализ статистических данных о влиянии условий эксплуатации на скорость изнашивания цилиндровых втулок судовых дизелей при работе на базов...