Содержание к диссертации
Введение
Глава 1 Состояние вопроса и задачи исследований. 12
1.1 Рапсовое масло, его состав, свойства и общая оценка рациональности использования в качестве смазочных материалов 12
1.2 Анализ способов улучшения свойств растительных масел за счет их очистки 20
1.3 Оценка методов повышения трибологических характеристик растительных масел введением добавок и присадок 33
1.4 Выводы и задачи исследований 44
Глава 2 Теоретические предпосылки улучшения эксплуатационных свойств смазочных материалов на базе растительного масла ... 48
2.1 Оценка триботехнических характеристик гидравлической системы и трансмиссий тракторов с учетом использования смазочных материалов на основе рапсового масла 48
2.2 Закономерности изменения свойств рапсового масла в процессе удаления загрязнений 52
2.3 Моделирование процесса повышения эффективности удаления загрязнений за счет их предварительной коагуляции 62
2.4 Обоснование процесса обезвоживания масла реактивным центрифугированием 66
2.5 Оценка противоизносных свойств смазочных композиций
на основе рапсового масла 75
2.6 Выводы з
Глава 3 Методы проведения экспериментальных исследований 87
3.1 Методика анализа состава и свойств рапсовых масел и отходов производства масел 87
3.2 Методика определения коагулирующих способностей загрязнений рапсового масла 91
3.3 Методика исследований процессов очистки растительных масел и отходов их производства в поле центробежных сил сепаратора 94
3.4 Методика исследования процессов удаления загрязнений и следов воды реактивным центрифугированием 96
3.5 Методика определения противоизносных свойств очищенных рапсовых масел, гидравлических и трансмиссионных смазочных материалов, полученных на их основе 98
3.6 Методика проведения стендовых испытаний трансмиссионных и гидравлических масел на базе рапсового растительного масла 102
3.7 Методика эксплуатационных испытаний трансмиссионного, гидравлического масел 107
Глава 4 Результаты исследований 109
4.1 Результаты лабораторных исследований составов и физико-химических показателей рапсового масла, отстоев и отходов их производства 109
4.2 Оценка процессов коагуляции загрязнений в рапсовом масле и осадке от его производства 116
4.3 Экспериментальные исследования процессов очистки рапсового масла и отходов производства от загрязнений в поле центробежных сил сепаратора 123
4.4 Определение технологических параметров удаления загрязнений центрифугированием 130
4.5 Исследование процессов удаления воды реактивным центрифугированием 135
4.6 Оценка противоизносных свойств очищенных рапсовых масел и результаты исследований по составлению гидравлических и трансмиссионных масел 139
4.7 Стендовые испытания экспериментального трансмиссионного масла в узлах бортовых редукторов трактора Т-40А 145
4.8 Результаты стендовых испытаний экспериментального гидравлического масла в модельных гидравлических системах 149
4.9 Результаты производственных испытаний экспериментальных масел в гидравлических системах и узлах трансмиссии тракторов 153
Выводы 159
Глава 5 Оценка экономической эффективности использования гидравлических и трансмиссионных масел на основе рапсовых масел взамен масел на нефтяной основе 161
Общие выводы 167
Список используемой литературы
- Анализ способов улучшения свойств растительных масел за счет их очистки
- Моделирование процесса повышения эффективности удаления загрязнений за счет их предварительной коагуляции
- Методика исследования процессов удаления загрязнений и следов воды реактивным центрифугированием
- Экспериментальные исследования процессов очистки рапсового масла и отходов производства от загрязнений в поле центробежных сил сепаратора
Введение к работе
Актуальность темы. В последнее десятилетие во всем мире и нашей стране, в частности, возрастает интерес к получению и использованию в качестве топлив и смазочных материалов биологических продуктов растительного происхождения.
Особо перспективным и стремительно развивающимся направлением замены нефтяных топлив и масел является использование в качестве энергоносителей альтернативных растительных масел и продуктов их переработки.
Среди многообразия рассматриваемой сырьевой базы растительных масел предпочтение отдается рапсовому маслу, по сравнению с другими растительными маслами по своим физико-химическим характеристикам наиболее близкому к основе нефтяных смазочных материалов.
Вместе с тем, нельзя не отметить и ряд недостатков использования рапсового масла взамен минеральных. Это, в первую очередь, низкая антиокислительная стабильность и недостаточные противоизносные характеристики рапсового масла для использования их в качестве рабочих жидкостей гидравлических систем машин и агрегатов трансмиссии.
Выдвигая гипотезу возможности использования рапсового масла в качестве смазочных материалов, следует детально исследовать состав растительного масла, установить параметры процесса его окисления, достичь максимально положительных результатов по разработке способов и технологии удаления примесей растительного происхождения, ограничивающих эффективное использование рапсового масла в гидравлических системах и трансмиссиях тракторов. Необходимо оптимизировать процессы обогащения масла присадками и добавками, сделать технологический процесс приготовления смазочных материалов доступным для использования в сельскохозяйственном производстве.
В общем плане можно констатировать тот факт, что в настоящее время имеют место определенные противоречия между существующими частными, недостаточно эффективными методами, способами использования растительных рапсовых масел в качестве смазочных материалов и требованиями, предъявляемыми к показателям качества смазочных композиций, используемых в гидравлических системах и трансмиссиях тракторов. Решение вопросов очистки рапсовых масел от примесей, ограничивающих их эксплуатационные свойства, и повышение их трибологических характеристик являются первоочередными и актуальными задачами.
Цель работы – совершенствование технологического процесса очистки рапсового масла и улучшение его противоизносных свойств для использования в сельскохозяйственной технике.
Объект исследований – технологические и динамические процессы очистки рапсового масла и жидких отходов производства рапсового масла от загрязнений с улучшением противоизносных свойств для использования в гидравлических системах и трансмиссиях тракторов.
Предмет исследования – закономерности, характеризующие параметры процесса очистки рапсового масла, повышения его противоизносных свойств, для использования в гидравлических системах и трансмиссиях сельскохозяйственной техники.
Методы исследований включали лабораторные, стендовые и эксплуатационные испытания исследуемых рапсовых масел и, приготавливаемые на их основе, гидравлические и трансмиссионные смазочные материалы.
При проведении исследований использовались современные методики и оборудование для оценки физико-химических показателей масел, методики проведения исследований противоизносных свойств основывались на применении испытательного оборудования отечественного и зарубежного производства. Исследование параметров процессов очистки проводились по специальным методикам на оборудовании, моделирующим процессы очистки. Стендовые испытания масел проводились в гидравлических и трансмиссионных стендах, моделирующих работу узлов и агрегатов тракторов.
Производственные испытания проводились в сельскохозяйственном предприятии Тамбовской области ФГУП ПЗ «Пригородный» на тракторах марки МТЗ.
Результаты испытаний обрабатывались методами математической статистики с использованием типовых программ на персональной ЭВМ.
Научная новизна заключается:
- в установлении закономерностей и параметров процесса очистки масла от загрязнений реактивным центрифугированием с элементами флотации;
- разработке способа очистки масел от мелкодиспергированных загрязнений (положительное решение о выдаче патента №2010115877/13);
- разработке методов улучшения и оценки противоизносных свойств рапсовых масел, для использования в гидравлических системах и трансмиссиях сельскохозяйственной техники;
- разработке технологического процесса очистки масел и получения гидравлических и трансмиссионных смазочных материалов на основе рапсового масла, в условиях предприятий АПК.
Практическая ценность. Разработанные трансмиссионные и гидравлические смазочные материалы соответствуют требованиям, предъявляемым к товарному трансмиссионному маслу ТЭп-15 ГОСТ 23652-79 и моторному, используемому в качестве гидравлического, М-8В2 ГОСТ 10541-78. Предложен технологический процесс очистки рапсового масла и отходов от его производства и получения на их основе гидравлических и трансмиссионных масел в условиях предприятий АПК. Разработанный аналог гидравлического масла в сравнении с товарным маслом М-8В2 позволяет снизить износ пар трения на 6%, аналог трансмиссионного масла, в сравнении с товарным маслом ТЭп-15, снижает износ на 18%.
Реализация результатов испытаний. Результаты исследований внедрены в условиях хозяйства ФГУП ПЗ «Пригородный» Тамбовского района и на предприятии ООО «Транс Оил» г. Тамбов.
Научные положения и результаты исследований, выносимые на защиту:
- закономерности процессов удаления загрязнений и воды из рапсового масла совокупностью методов центрифугирования с флотацией примесей, зависимости изменения противоизносных свойств смазочного материала от основы, концентрации противоизносных компонентов и их составов;
- обоснование параметров процесса очистки и предварительной коагуляции примесей для укрупнения мелкодисперсных частиц загрязнений специальным реагентом;
- способ очистки рапсового масла и результаты экспериментальных исследований процессов очистки, улучшения их противоизносных свойств, результаты стендовых и противоизносных испытаний масел в гидравлических системах и трансмиссиях тракторов.
- технологический процесс очистки рапсового масла и получение гидравлических и трансмиссионных масел в условиях предприятий АПК.
Апробация работы. Основные положения и результаты работы доложены и получили положительные отзывы на XV международной научно-практической конференции «Повышение эффективности использования ресурсов при производстве сельскохозяйственной продукции - новые технологии и техника нового поколения для растениеводства и животноводства» (Тамбов, 2009); международной научно-практической конференции «Инженерное обеспечение инновационных технологий в АПК» (Мичуринск-наукоград, 2010); Materialiy VII miedzynarodowej naukowi-praktycznej konferencji «Dynamika naukowych badan – 2011». Volume 16. Ekologia.Chemia I chemiczne technologie.: Przemysl. Nauka I studia – 96 str; научных конференциях и годовых отчетах Всероссийского научно-исследовательского института использования техники и нефтепродуктов Россельхозакадемии (ГНУ ВНИИТиН, Тамбов, 2008-2010); XVI международной научно-практической конференции «Повышение эффективности использования ресурсов при производстве сельскохозяйственной продукции - новые технологии и техника нового поколения для растениеводства и животноводства» (Тамбов, 2011).
Публикации. По результатам выполненных исследований опубликовано 18 научных работ в ведущих научных и научно-технических журналах, из них 12 статей в журналах, рекомендованных ВАК (в общей сложности 4,27 п.л., из них 3,18 приходится на долю автора).
Объем работы. Диссертация включает введение, 5 глав, общие выводы и список использованных источников из 123 наименований. Работа изложена на 180 страницах машинописного текста и содержит 21 таблицу, 57 рисунков и 8 приложений.
Анализ способов улучшения свойств растительных масел за счет их очистки
На данный момент можно констатировать самый важный элемент дальнейшей направленности научно-исследовательских работ. Это, в первую очередь, максимальное удаление из базовой основы рапсового масла кислот, белков, жиров, которые провоцируют либо окисление составляемых смазочных композиций, либо образование отложений на деталях машин, а также способствуют повышенному пенообразованию.
Одним из необходимых условий разработки и использования смазочных композиций на базе рапсового масла является адаптированность технологий получения новых смазочных композиций к условиям АПК. А именно, простота, доступность, малозатратность при высокой эффективности.
На первый взгляд, эта совокупность почти нереальна. Тем не менее уже в настоящее время специалистами Самарской государственной сельскохозяйственной академии Едуковым В.А., Болдашевым Г.И., Ленивцевым Г.А., Ефимовым В.В. сделаны достаточно успешные попытки разработки композиции аналогов смазочных материалов для сельскохозяйственной техники [15,16,17,18,19,20,21,22,23].
Достоинства этих работ не вызывает сомнений. Вместе с тем следует отметить, что разработанные композиции, их состав и технологии получения требуют доработки.
Таким образом, из всего вышеизложенного можно сделать вывод, что рассмотрение вопросов и проведение дальнейших исследований по направлению разработки и использования смазочных материалов на основе продуктов растительного происхождения является достаточно актуальным.
Среди многообразия растительного сырья широко производимого в России большая доля приходится на подсолнечные и рапсовые масла, из них рапсовые масла по своим показателям и свойствам наиболее близки по предъявляемым требованиям к смазочным материалам, применяемым в узлах и агрегатах сельскохозяйственной техники. Вместе с тем анализ составляющих компонентов растительных масел и их свойств указывает на необходимость проведения дальнейших исследований в области повышения приспособленности рапсовых масел к работе в узлах трения, повышения сроков их службы, снижения количества некоторых видов природных «загрязнителей», ограничивающих широкое применение рапсовых масел в технических целях.
Учитывая то, что растительные продукты являются биологически более быстро и легко возобновляемыми источниками энергии по сравнению с нефтяным сырьем, а динамика потребления нефтепродуктов ежегодно резко увеличивается, то возможно уже в ближайшее время потенциальные запасы и объемы добычи нефти не смогут удовлетворять потребности в топливах и смазочных материалах быстро растущего парка машин.
Продолжая резюмировать результаты анализа, следует отметить необоснованно недостаточное внимание к отходам производства рапсовых масел (отстоев, осадков), которые также могут быть использованы в технических целях, как дополнительный источник сырья при получении смазочных материалов. Причем, если учитывать то, что данный продукт подлежит утилизации, то его использование в технических целях становится, бесспорно, экономически и экологически выгодным с учетом ограничений использования данных продуктов по другим направлениям. Тем более в последнее время стали появляться примеры того, что в отходах растительных масел находятся канцерогенные вещества и, следовательно, их не желательно использовать на корм скоту. Поэтому, эти отходы возможно преобразовывать в основу, которую в дальнейшем облагораживать добавками и, по возможности, использовать в качестве смазочного материала в трансмиссии и гидросистемах сельскохозяйственной техники [90, 108].
Особенностью рапсового масла является разнообразие «сопутствующих» веществ, состав которых приведен в таблице 1.5 [122]. Содержащиеся в масле пигменты в виде каротиноидов и хлорофиллов обусловливают темную окраску, а тиогликозиды, относящиеся к группе ядовитых веществ, повышают степень риска использования рапсового масла.
Весь этот комплекс сопутствующих веществ ухудшает качество масла, влияет на его хранение, а также затрудняет переработку масла.
Учитывая то, что одной из важнейших характеристик основы для получения смазочных материалов является глубина очистки масел в процессе их производства, требуется рассмотрение существующих на настоящий момент способов очистки с точки зрения их необходимости и достаточности для использования полученных продуктов в качестве смазочного материала и возможности их реализации в условиях АПК.
Как уже отмечалось, растительные масла природного происхождения -это сложные многокомпонентные системы, состоящие, в основном, из сложных эфиров глицерина и жирных кислот (триглицеридов) разнообразного состава и веществ, растворимых в них в различной степени. В растительных маслах содержатся разнообразные примеси - свободные жирные кислоты, которые способствуют окислению масел, фосфолипиды, выпадающие в осадок, в результате чего могут забиваться масляные каналы, оседать на подшипниках, других деталях и препятствовать их нормальной работе. Это, так называемые, сырые масла, то есть не обработанные после выделения из семян и плодов. Для повышения эксплуатационных свойств и последующего использования в технических целях необходимо производить очистку растительных масел от этих примесей.
Все методы очистки растительных масел можно разделить на: физические - отстаивание, центрифугирование, фильтрация, которые используются для удаления механических частиц и коллоидно-растворенных веществ; химические - кислотная и щелочная очистка, гидратация, удаление госипола, которые применяются для удаления примесей, образующих в маслах истинные или коллоидные растворы с участием веществ в химических реакциях; физико-химические - отбеливание, дезодорация, вымораживание, которые используются для удаления примесей, образующих в маслах истинные растворы без химического изменения самих веществ [119,120].
В основном эти методы рассчитаны на очистку и рафинацию масел для пищевых целей и мало приспособлены к применению и очистке, например, рапсовых масел и их отходов для приготовления смазочных материалов, пригодных к использованию в сельскохозяйственной технике АПК.
В то же время существуют способы очистки растительных масел, более простые в плане получения основы смазочных материалов. Рассмотрим некоторые из них.
Одним из способов очистки масла является его адсорбционная очистка преимущественно от фосфорсодержащих соединений, а также пигментов, жирных кислот, белковых молекул, ионов тяжелых металлов и других неполярных молекул. Этот способ включает адсорбцию с добавлением раствора кислоты с последующим отделением масла от осадка примесей [58]. Качество очистки масла при использовании этого способа довольно высокое, но для этого используются дорогостоящие химикаты и приборы, поэтому этот способ является достаточно дорогим, а также за счет большого количества производственных операций еще и сложным.
Способ очистки растительного масла от отстоя (фуза) по патенту №2229502 заключается в следующем. Изготовленное масло помещают в емкость-хранилище, выдерживают не более 30 суток при температуре не выше 15 С до появления на днище гравитационного отстоя. Сливают полученный фуз из нижней части емкости-хранилища масла в емкость-накопитель фуза, выдерживают его в емкости-накопителе не более 180 суток при температуре не выше 15С до расслоения гравитацией на верхний слой из масла и на нижней слой из фуза. Затем масло из верхнего слоя перекачивают насосом через фильтр или центрифугу в емкость-хранилище масла, а фуз из нижнего слоя перекачивают насосом или сливают потребителю и/или на дальнейшую переработку. Установка содержит емкость-хранилище масла и емкость-накопитель отстоя частиц. При этом внутренняя полость емкости/накопителя соединена трубопроводом через запорный кран и насос с нижней частью емкости-хранилища. При этом верхняя часть емкости-хранилища фуза соединена дополнительным трубопроводом через запорные краны, насос, фильтр и/или центрифугу с верхней частью емкости-хранилища масла. А нижняя часть соединена трубопроводом через запорные краны и насос с потребителем фуза. Схема установки представлена на рисунке 1.3 [59].
Недостатком данного способа является низкое качество очистки масла, а процесс очистки занимает очень продолжительный период времени (более полугода) для очистки одной партии масла, также необходимо большое помещение и сложное оборудование. В случае использования фильтров появляются дополнительные расходы на их замену.
Моделирование процесса повышения эффективности удаления загрязнений за счет их предварительной коагуляции
Очищаемое масло, проходя через корпус центрифуги, выходит из сопел (при этом температура его повышается на 2...5С), ударяется о стенку корпуса центрифуги, нагревается еще на 1.. .2С, а так как ротор находится во вращательном движении, то струя масла (температура 93-97С) соприкасается со стенкой корпуса, образуя эффект трения при котором, в соответствии с известной теорией, мгновенно нагревается до температуры выше 100С. Вода, находящаяся в масле, превращается в пар, проталкиваемый напором воздуха в надмаслянное пространство, где соединяется с паром, выделяемым при нагреве масла в емкости, и далее выталкивается в атмосферу.
Для выяснения сути процесса рассмотрим равновесие жидкости с паром, который в таком состоянии является насыщенным паром. Известно, и как нами уже отмечалось, что при нагреве жидкости (масла) с ее поверхности вылетает часть пара или, другими словами, молекулы и при этом, если они преодолевают силы притяжения, то испаряющаяся молекула может покинуть поверхностный слой, то есть совершить работу против этих сил и работу против внешнего давления Рвнд, уже образовавшегося, равную PAV, где AV разность изменения объема, занимаемого данным количеством молекул при переходе из жидкости (масла) в пар.
При этом следует учесть, что в закрытой емкости при испарении воды с поверхности масла наступит момент, когда число частиц, находящихся в жидкости в единицу времени, станет равным числу частиц, оседающих за то же время обратно в масло, то есть наступает равновесное состояние, когда
Рвнд = PHIS этом случае необходимым условием удаления образующегося пара является усилие воздействия на него, а именно отбор (отсасывание) или выталкивание. В нашем случае следует учитывать и тот момент, что часть молекул образуется за счет дополнительной теплоты, образующейся в процессе удара и трения струи масла, выходящей из сопла и соприкасающейся с поверхностью корпуса, образуя деление молекулярной теплоты испарения на молекулярный вес.
В итоге полученную работу, производимую при испарении одного моля жидкости при внесении давления Рвнд можно определить следующим соотношением: = MMeLmu+(PeH-PH)AV, (2.33) где Ар - полная работа при испарении одного моля; jxMB - молекулярная масса испаряющейся воды; Lmu - скрытая удельная теплота испарения; цмв Lmu -доля работы от скрытого испарения; (Рвнд - PH)AV - доля работы от открытого испарения.
Скрытая удельная теплота испарения Lmu определяется из выражения: где QH - количество тепла необходимое для получения насыщенного пара; тж - масса выпаренной воды.
Данное выражение справедливо при давлении насыщенного пара Рн и определенной абсолютной температуре Т.
Однако с повышением температуры (как по нами предлагаемой схеме ударного трения струи в корпусе центрифуги) скрытая теплота испарения убывает и при достижении определенного критического значения станет равной нулю, соответственно, одним из определенных фактов испарения станет упругость насыщенного пара. При этом важнейшим параметром в данном состоянии становится плотность молекул пара, связанная с его давлением.
Число молекул пара (плотность), связанных с реально существующим давлением паров и происходящими тепловыми явлениями, можно определить из выражения: nm = 7 (2.35)
где пмп - число молекул пара при давлении паров, равном Рн; К - постоянная Больцмана; Т - абсолютная температура.
При наших условиях рассматриваемой схемы влагоудаления, когда внешнее давление Рвнд не соответствует давлению насыщенного пара Рн, образующееся дополнительное тепло Qflon за счет трения и удара (микровзрыва) можно записать выражением:
Таким образом, можно сделать предположение, что разделение масла с вработанной водой зависит от температурного состояния системы масло-вода; времени процесса; исходного количества воды в очищенном масле; давления теплотехнических параметров.
Соответственно можно полагать, что процесс удаления воды можно ускорить повышением температуры и принудительным удалением пара из корпуса центрифуги и масляной емкости.
Вместе с этим следует учитывать, что поднятие температуры нагрева общего объема масла до 100С приводит к увеличению кислотного числа масла, а значит, нагрев должен выполняться кратковременно, практически мгновенно, а проталкивание пара должно осуществляться в щадящем режиме воздействия (т.е. не охлаждая образовавшийся пар и достаточно быстро во времени), что должно быть учтено при создании технологического процесса влагоудаления центрифугированием.
Описанные закономерности позволили сделать ряд предположений, получить оценочные зависимости. Далее конкретизируем задачу теоретических исследований для установления зависимостей, упрощающих процесс обезвоживания, при этом внесем уточнения с учетом проводившихся ранее исследований по удалению воды из нефтяных масел и с учетом предполагаемых изменений в конструкции центрифуги, интенсифицирующих процесс влагоудаления из очищаемого масла. По принятой схеме очистки капли, уносимые воздухом, необходимо выделить из потока, собирать и отводить.
Методика исследования процессов удаления загрязнений и следов воды реактивным центрифугированием
Если условие Ткр2 Ts выполняется, то можно предположить, что смазочная композиция адекватна условиям эксплуатации. Если условие не выполняется, необходимо использовать смазочную композицию (смазочный материал), обеспечивающую более высокую вторую критическую температуру Ткр2 за счет обеспечения более высокой Еи (т.е. образования более износостойкого модифицированного слоя) и меньшей энергии активации химического модифицирования Ем (т.е. обеспечения большей скорости образования модифицированного слоя).
Как известно, в присутствии смазочной среды работоспособность узлов трения определяется видом смазки: гидродинамическим, эластогидродина-мическим, граничным или смешанным. Из перечисленных видов смазки наиболее неблагоприятным и опасным для нагруженных узлов трения является граничная смазка [92].
В соответствии с международным стандартом ИСО 4378/3 под граничной смазкой понимается такой вид смазки, которому не могут быть приписаны объемные вязкостные свойства смазочного материала и который определяется свойствами граничных слоев, возникающих при взаимодействии материала поверхности трения и смазочного материала в результате физической адсорбции или химической реакции.
Поверхности многих механизмов работают периодически в режиме граничной смазки. В этих условиях работоспособность узлов трения определяется способностью граничных смазочных слоев разделять поверхности трения, предотвращая непосредственный металлический контакт, повышенный износ.
В жидкости или газообразной внешней среде граничные слои возникают в результате адсорбции. Наиболее прочные адсорбционные слои на металлах образуют поверхностно-активные вещества (ПАВ), такие, как жирные кислоты, их спирты и эфиры, животные и растительные жиры, а также амины и амиды, и их производные. В этом направлении достаточно перспективной может быть разработка и использование биологических смазочных материалов, полученных из жиров, растительных масел или отходов их производства.
Граничные адсорбированные слои на поверхностях обладают большой механической прочностью и способны выдерживать без разрушения давление до 100 Мпа. Увеличение температуры поверхности и граничного слоя оказывает значительное влияние на прочность слоя при трении. Увеличение температуры приводит к резкому возрастанию силы трения и повреждению поверхностей, что свидетельствует о разрушении граничного смазочного слоя. Если в смазочном материале присутствует только ПАВ, такое разрушение связано с дезориентацией и десорбцией молекул ПАВ. В присутствии химически активных добавок в смазочном материале повышение температуры приводит к возникновению на поверхностях трения химически модифицированных слоев, обеспечивающих снижение трения и повышающих работоспособность деталей машин при повышенных температурах. Дальнейшее возрастание температуры может привести к разрушению таких модифицированных слоев, возникновению металлического контакта и быстрому износу деталей. Таким образом, основной причиной разрушения граничных слоев является увеличение температуры в контакте трения выше критических значений для соответствующего сочетания материалов поверхностей и смазочного материала. Смазочный материал на базе продуктов растительного происхождения в условиях эксплуатации способен проявлять как адсорбционную, так и химическую активность к смазываемым поверхностям. Однако возникает вопрос адекватной оценки данной активности.
В результате образования химически модифицированного слоя на поверхностях трения, смазываемого растительным смазывающим материалом, обеспечивается снижение трения, замена интенсивного адгезионного износа более мягким коррозионно-механическим.
Температура, при которой на критической части поверхности трения образуется модифицированный слой достаточной толщины, способствующий устранению металлического контакта и адгезионного износа, называется температурой химической модификации. При повышении температуры имеет место конкуренция двух термически активируемых процессов: образование модифицированных слоев и их изнашивания. При температуре, соответствующей нарушению равновесия между этими процессами в сторону разрушения модифицированного слоя, возникают металлический контакт обнажившихся от модифицированного слоя поверхностей трения, металлические связи между ними, схватывание и заедание. Эта температура называется температурой критической (Ткр2) и представляет собой верхний предел эффективности смазок. При его повышении трение резко усиливается, контактирующие поверхности получают значительные повреждения, приводящие к выходу узла трения из строя. Значение Ткр2 при граничной смазке, постоянных скорости относительного перемещения контактирующих поверхностей и контактной нагрузке, можно рассчитать по уравнению [92]: где Е - суммарная энергия активации процесса реализации Ткр2; R - универсальная газовая постоянная; В - постоянная трибосопряжения и режима трения; п - порядок трибохимического процесса; С - концентрация химически активного компонента смазки в базовом масле.
Значение Ткр2 можно рассчитать, зная экспериментальные значения Е и В. При двух уровнях значений С определяют соответствующие Ткр2, после чего рассчитывают Е и В по уравнениям [92]: где ч кр2Л и V K/ 2/2 - значения второй критической температуры при концентрациях активного компонента в смазочном материале соответственно Сі иС2. Как известно, Ткр2 приблизительно соответствует температуре при реализации нагрузки сваривания Рс по ГОСТ 9490-75. Следовательно, достаточно определить в процессе испытаний на четырехшариковой машине трения значения Рс при двух концентрациях активного компонента, подсчитать соответствующие значения (Ткр2)і и (Ткр2)2, по уравнениям (2.52) и (2.53) рассчитать Е и В и оценить Ткр2 при любых значениях С. Однако для этого необходимо рассчитать температуру при Рс, а существующие методы (уравнения Блока-Арчарда и др.) не позволяют достаточно точно провести такой расчет [75]. Для растительных масел, как химически активного компонента смазочного материала, верхний предел эффективности смазок (Ткр2) можно определить и по диаметру пятна износа на ЧШМТ, оцененному при разных температурах эксперимента, и сравнить с данными, полученным и с использованием для расчета нагрузки сваривания для растительных масел [40].
По диаметру пятна износа на ЧШМТ можно ориентировочно определить и температуру химической модификации Тхм, начиная с которой устанавливается невысокий коэффициент трения (т.е. уменьшение износа, Ди).
Как уже отмечалось, как для масел на растительной основе, так и для минеральных масел нефтяного происхождения наиболее неблагоприятным и опасным для нагруженных узлов трения является граничная смазка. Поэтому описание процессов смазки в этом режиме является наиболее информативным. Основной причиной разрушения граничных слоев минеральных масел является увеличение температуры в контакте трения выше критических значений для соответствующего сочетания материалов поверхностей и смазочного материала. При использовании в качестве смазки растительных масел увеличение температуры в зоне трения приводит к увеличению вязкости растительного масла за счет процессов его быстрой полимеризации, что благоприятно сказывается на смазывающих свойствах растительного масла [55]. Трение в данном случае уменьшается, снижается износ
Экспериментальные исследования процессов очистки рапсового масла и отходов производства от загрязнений в поле центробежных сил сепаратора
В первых двух случаях при смешивании очищенного рапсового масла с зимнем дизельным топливом и с изопропиловым спиртом целью являлось снизить температуру застывания масла, однако, как видно из таблицы 2, при этом ухудшаются противоизносные свойства, следовательно, использование этих компонентов является нецелесообразным. В третьем случае была предпринята попытка полностью предотвратить пенообразование, однако поли-пропиленгликоль не оказал на масло практически никакого действия, а смазывающая способность увеличилась незначительно. В рассмотренном случае для увеличения термоокислительной стабильности масла при введении присадки ДФ-11 получен результат, не удовлетворяющий требованиям эксплуатации.
На третьем этапе проводилось сравнение противоизносных характеристик аналогов трансмиссионного масла, полученного на основе рапсового масла, очищенного водным раствором тиомочевины и с добавлением в него вязкостных и противоизносных присадок (таблица 4.13).
Анализируя таблицу 4.13 можно отметить, что введение в масло присадок КП-20 и ДФ-11 уменьшило диаметр пятна износа шариков, однако полимеризованное масло и добавление полимеризованного масла в качестве присадки показали значительно лучший результат. В случае внесения присадки ДФ-11 к последнему варианту состава масел, противоизносные свойства возрастают незначительно. Поэтому учитывая поставленные задачи, следует использовать биоразлагаемые и наиболее дешевые компоненты, предлагается использовать очищенное рапсовое масло с 20% его же полимеризованного.
Предлагаемый состав масла готовится следующим образом. Очищенное рапсовое масло нагревается в емкости до температуры 250С и выдерживается при этой температуре до получении кинематической вязкости продукта равной 150-160 мм2/с. Время выдержки зависит от объема полимеризую-щегося масла и от площади поверхности емкости в которой происходит процесс. Далее температура масла опускается до 80-100С и добавляется в очищенное рапсовое масла в концентрации 20-22% от массы, при этом смесь тщательно перемешивается. Затем масло охлаждается до температуры окружающей среды [86].
Рассматривая противоизносные свойства разрабатываемых составов гидравлических и трансмиссионных масел подразумевается и улучшение их смазывающих способностей, которые характеризуется также вязкостно-температурными свойствами работающих масел.
В нашем случае, добавляя присадки КП-20, ДФ-11, продукты полимеризации в рапсовое масло помимо повышения противоизносных свойств, мы улучшаем и вязкостные свойства экспериментальных масел, то есть повышаем общую смазывающую способность масел.
Для оценки вязкостно-температурных свойств экспериментальных составов масел определялось изменение значений их вязкостных параметров под действием температуры.
В частности определялись значения изменения вязкости очищенного рапсового масла (по разработанному способу) с добавкой полимеризованного ОРМ в зависимости от температуры их охлаждения и нагрева. Полученные значения сравнивались с результатами исследований по оценке вязкостно-температурных характеристик масел, представленных в разделе 4.1.
Анализируя результаты, представленные в приложении 6, можно отметить, что коэффициенты трения масла М-8В2 (наиболее часто использующегося в гидравлических системах тракторов) и очищенного рапсового масла (аналог гидравлического) близки по значениям. Это свидетельствует о том, что очищенное рапсовое масло пятипроцентным раствором тиомочевины можно использовать в качестве гидравлической жидкости. Также, сравнивая пробы 2 и 3 из приложения 6, следует отметить, что коэффициент трения аналога трансмиссионного масла значительно меньше по сравнению с маслом ТЭп-15. Значительный подъем индентора при испытании чистого масла скорее подтверждает грубое трение и термическое расширение трибосисте 145 мы. Меньший подъем индентора при испытании с трибопрепаратами на основе рапсового масла свидетельствует об их антифрикционном действии.
В приложении 8 представлен технологический процесс и оборудование для приготовления гидравлических и трансмиссионных смазочных материалов.
В результате необходимо отметить, что гидравлические и трансмиссионные масла на основе очищенного рапсового масла не уступают, а иногда и превосходят нефтяные масла по трибологическим характеристикам.
В соответствии с программой и методикой исследований после комплекса лабораторных исследований физико-химических и эксплуатационных свойств были проведены сравнительные стендовые испытания трансмиссионного масла ТЭп-15 и экспериментального трансмиссионного масла, состоящего из смеси очищенного рапсового масла и полимеризованного рапсового масла. Испытания проводились по ранее описанной специальной методике на стенде, имитирующем работу конечных передач трансмиссии трактора Т-40А
