Содержание к диссертации
Введение
1. Анализ состояния вопроса и задачи исследования 10
1.1 Теоретические основы трения и износа в машинах и механизмах 10
1.2 Существующие виды смазки узлов трения машин и механизмов 15
1.3 Способы повышения надежности узлов трения сельскохозяйственных машин и оборудования путемулучшения смазочных материалов 20
1.4 Механизмы действия существующих присадок к серийным смазочным материалам 31
1.5 Актуальность работы и постановка задачи 48
2. Расчетно-теоретический анализ использования пластичных смазочных материалов с присадками в виде жидкокристаллических соединений 51
2.1 Теоретический анализ использования пластичных смазочных материалов с присадками в виде жидкокристаллических соединений 51
2.2 Математические модели влияния пластичных смазочных материалов с присадками на коэффициент трения и износ 57
3. Материалы и методика проведения экспериментов 73
3.1 Выбор материалов для исследований 73
3.2 Методика синтеза присадок и получения смазочных композиций для исследований .
3.3 Методика исследования износостойкости 80
3.4 Методика исследования состава синтезированных карбоксилатов меди и полученных смазочных материалов 87
3.5 Методика определения реологических характеристик полученных смазочных материалов 90
4. Экспериментальная часть 93
4.1 Исследование влияния введения карбоксилатов меди на антифрикционные характеристики смазок на основе кальциевых мыл 93
4.2 Исследование влияния температуры на структуру смазочного материала на основе кальциевых мыл 103
4.3 Исследование влияния введения карбоксилатов меди на основные реологические характеристики смазок на основе кальциевых мыл 110
4.4 Исследование влияния введения карбоксилатов меди на противоизносные характеристики смазок на основе кальциевых мыл 115
4.5 Исследование влияния введения карбоксилатов меди на антифрикционные характеристики смазок на основе литиевых мыл 123
4.6 Исследование влияния введения карбоксилатов меди на основные реологические характеристики смазок на основе литиевых мыл 128
4.7 Исследование влияния введения карбоксилатов меди на противоизносные характеристики смазок на основе литиевых мыл 133
4.8 Исследование изменения структуры смазочного материала на основе литиевых мыл при изменении температуры 141
5. Стендовые и производственные испытания разработанных смазочных материлов 153
Заключение 169
Список литературы
- Существующие виды смазки узлов трения машин и механизмов
- Математические модели влияния пластичных смазочных материалов с присадками на коэффициент трения и износ
- Методика исследования износостойкости
- Исследование влияния температуры на структуру смазочного материала на основе кальциевых мыл
Введение к работе
Актуальность темы. Эффективность ведения сельскохозяйственного производства определяется в основном экономическими показателями, к числу которых относится себестоимость продукции. Себестоимость сельскохозяйственной продукции, во многом зависит от надежности технических средств и затрат на их обслуживание и ремонт.
В соответствии с ГОСТ Р 27.002-2009 «Надежность в технике. Термины и определения» надежность – свойство готовности и влияющие на него свойства безотказности и ремонтопригодности, и поддержка технического обслуживания.
Таким образом, надежность является комплексным свойством определяющим эффективность и безопасность использования сельскохозяйственной техники.
Исследование надежности отдельных агрегатов, узлов и деталей сельскохозяйственной техники является актуальной задачей на современном этапе.
Надежность техники во многом определяется надежностью и долговечностью узлов трения машин. Длительный срок службы узлов трения во многом зависит от триботехнических характеристик применяемых смазочных материалов.
Одним из путей, позволяющих повысить надежность элементов пар трения сельскохозяйственной техники и оборудования, является создание эффективных смазочных материалов, позволяющих обеспечивать гидродинамический режим смазывания при изменяющихся условиях эксплуатации.
В соответствии с ГОСТ 27674-88 «Трение, изнашивание и смазка. Термины и определения» одним из основных свойств смазочного материала является его смазочная способность, определяющая свойство материала снижать износ и силу трения независимо от его вязкости.
Для повышения смазочной способности применяемых смазочных материалов применяются разнообразные присадки и наполнители.
При этом согласно ГОСТ 30480-97 «Обеспечение износостойкости изделий. Методы испытаний на износостойкость. Общие требования» испытания на износостойкость следует проводить для решения одной или нескольких задач: получения триботехнических характеристик конструкционных и смазочных материалов, необходимых для обоснованного выбора материалов и смазок при проектировании узлов трения; задачи оценки надежности и безопасности узлов трения и их элементов по параметрам износостойкости.
Согласно ГОСТ 23.225-99 «Обеспечение износостойкости изделий. Методы подтверждения износостойкости» подтверждение износостойкости допускается проводить в рамках работ по подтверждению надежности или безопасности изделия. А подтверждение износостойкости на стадиях научно-исследовательских работ проводится с целью обоснования выбора оптимального варианта смазки и смазочных материалов.
Таким образом, износостойкость является элементом надежности и, соответственно, повышение износостойкости узлов трения сельскохозяйственных
машин в присутствии смазочных материалов с присадками позволяет исследовать и повышать их надежность.
Одними из перспективных материалов, позволяющих по новому решать вопросы повышения эффективности смазочных материалов, являются жидкокристаллические соединения.
В настоящее время жидкие кристаллы широко используются при создании мониторов, оптических приборов, в медицине, сельскохозяйственном производстве, химической промышленности и т.д.
Имеются данные о применении жидкокристаллических соединений и в машиностроении, а также автотракторной технике в качестве добавок к смазочным материалам и смазочно-охлаждающим технологическим средам.
Решение данного вопроса невозможно без рассмотрения вопросов, связанных с изменением структуры, физико-механических, триботехнических и других свойств данных материалов.
Диссертационная работа выполнена в соответствии с программой
«Концепция развития аграрной науки и научного обеспечения
агропромышленного комплекса Российской Федерации на период до 2025 года» (приказ Министерства сельского хозяйства Российской Федерации № 342 от 25.06.07 г), программой «Государственная программа развития сельского хозяйства и регулирования рынков сельскохозяйственной продукции, сырья и продовольствия на 2013-2020 годы (постановление правительства РФ от 14.07.2012 №717).
Целью диссертационной работы является разработка способа повышения надежности узлов трения сельскохозяйственных машин применением смазочных материалов с присадками.
Объект исследований: надежность узлов трения сельскохозяйственных машин.
Предмет исследований: смазочные материалы с присадками.
Методология и методика исследований. Для решения поставленных задач применялись методы математической статистики, регрессионного анализа, ИК-спектрофотометрия, метод искусственных баз, весовой метод, оптическая микроскопия, поляризационная термомикроскопия. Результаты теоретических и экспериментальных исследований подтверждены стендовыми испытаниями на разработанных лабораторных стендах.
Результаты экспериментальных и стендовых испытаний подтверждены производственными испытаниями на сельскохозяйственной технике. Обработка результатов экспериментальных исследований осуществлялась на ПЭВМ с использованием пакетов программ MathCAD, Excel.
Научная новизна:
– впервые разработана математическая модель влияния пластичных смазок с присадками на износ;
– впервые разработана математическая модель влияния пластичных смазок с присадками на коэффициент трения;
– выявлен характер влияния пластичных смазок с разработанными присадками на повышение наджности узлов трения сельскохозяйственных машин.
Практическая значимость.
Выявлена оптимальная концентрация присадок в пластичных смазках.
Разработаны рекомендации по практическому использованию полученных смазочных материалов в различных парах трения.
Реализация работы.
Разработанные смазочные материалы с карбоксилатами меди внедрены в узлы трения почвообрабатывающей техники СПК ПЗ «Ленинский Путь» Пу-чежского района Ивановской области. По результатам испытаний отмечена перспективность применения разработанных смазочных материалов в узлах трения, как сельскохозяйственной техники, так и технологического оборудования.
На защиту выносятся:
-
способ повышения надежности подшипниковых узлов сельскохозяйственных машин за счет применения пластичных смазок с разработанными присадками;
-
математическая модель влияния пластичных смазок с присадками на износ;
-
математическая модель влияния пластичных смазок с присадками на коэффициент трения;
-
оптимальная концентрация присадок в пластичных смазках;
-
результаты исследований в производственных условиях влияния смазочных материалов на наджность узлов трения сельскохозяйственных машин.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы были доложены на:
межрегиональной научно-методической конференции «Актуальные проблемы и перспективы развития агропромышленного комплекса» Иваново. 2014;
научно-практической конференции с международным участием «Наука и молодежь: новые идеи и решения в АПК». Иваново, 2014;
Всероссийской научно-методической конференции с международным участием, посвященной 85-летию Ивановской государственной сельскохозяйственной академии имени Д.К. Беляева. Иваново, 2015;
VI Всероссийской научно-практической конференции «Надежность и долговечность машин и механизмов». Иваново, 2015;
VII Всероссийской научно-практической конференции «Надежность и долговечность машин и механизмов», посвященной 50-летию со Дня образования учебного заведения и Году пожарной охраны России. Иваново, 2016;
Всероссийской научно-методической конференции с международным участием: «Аграрная наука в условиях модернизации и инновационного развития АПК России, посвященной 100-летию академика Д.К. Беляева». Иваново, 2017;
VIII Всероссийской научно-практической конференции «Надежность и долговечность машин и механизмов». Иваново, 2017;
Международной научно-технической конференции «Улучшение эксплуатационных показателей и технический сервис автомобилей, тракторов и
двигателей» посвященной 80-летию заслуженного деятеля науки и техники, доктора технических наук, профессора Шкрабака Владимира Степановича. СПб-Пушкин, 2017.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 14 печатных работ, в том числе 6 работ в изданиях, рекомендуемых ВАК РФ.
Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы из 137 наименований. Диссертационная работа изложена на 200 страницах машинописного текста, из которых основной текст содержит 187 страниц, 7 таблиц. Он иллюстрирован 116 рисунками, в том числе 10 схемами, 69 графиками и 36 фотографиями.
Существующие виды смазки узлов трения машин и механизмов
Таким образом, введение в смазочный материал добавок, наполнителей и присадок, позволяющих снижать как деформационную, так и адгезионную составляющую позволяет снижать силу трения и повышать износостойкость деталей машин.
Рядом авторов предлагается повышать износостойкость оси и втулки опорных катков экскаваторов ЭО-5126 за счет использования смазочного материала в виде модифицированной смазки Литол-24. В качестве добавки к пластичной смазке Литол-24 использовались смеси порошков MoS2 и графита в соотношении 1:1 при концентрации 15 %, а также композиция порошка MoS2 (15 %) с присадкой в сочетании трикрезилфосфатом (3 %). Во всех случаях в смазки вводился абразив дисперсностью 20–25 мкм в количестве 5 % [33].
Данные работы подтверждают, что ресурс шарнира на смазке Литол-24 составляет 2320 ч, а на смазке Литол-24 с модификаторами — 3400 ч. [33].
Полученные результаты проведенной работы [18] подтверждают возможность и целесообразность использования в опорных катках экскаватора типа ЭО-5126 пластичных смазок, особенно с модификаторами. Ресурс пары ось-втулка при работе на масле М-8 составляет 2000 ч, перевод катка на пластичную смазку литол-24 увеличивает до 2300 ч, а на смазку литол-24 с модификаторами достигает 3400 ч. При этом число ТО в год сокращается с 13 до 9, а ремонтных комплектов сокращается до 3 [18].
Результаты работы [16] показали, что использование смазки Литол-24 с присадкой (15% МоS2 + 3 % трикрезилфосфатом) снижает износ пальца рессоры, шкворня ходовой части автомобиля КаМАЗ на 40-45 % по отношению к смазке без добавок. По предварительной оценке применение смазки Литол-24 с модификатором позволяет увеличить ресурс узлов трения, снизить затраты на проведение ТО, увеличить объем грузоперевозок. Таким образом, создание эффективных противоизносных и антифрикционных присадок и наполнителей к пластичным смазочным материалам, используемым в сельскохозяйственном производстве является одним из перспективных путей повышения работоспособности трибосопряжений сельскохозяйственной техники.
Значительный вклад в науку по разработке и исследованию химических препаратов для повышения эксплуатационных характеристик двигателей различной техники внесли ученые: С.М. Гайдар, Л.И. Погодаев, В.Я. Сковородин, В.И. Цыпцын, В.П. Лялякин, Д.Н. Гаркунов, В.И. Черноиванов, С.В. Венцель, В.Н. Быстров и др.
Исследования электрических свойств граничных смазочных слоев показали, что для последних типичны нелинейные вольт-амперные характеристики (ВАХ) и кулоновольтные характеристики гистерезисного типа, которые характерны для сегнетоэлектриков, имеющих доменную структуру [7].
Таким образом, эффективность смазочных материалов, заключающаяся в способности образовывать на поверхности трения пленки химического и физического происхождения, во многом определяется наличием в базовом смазочном материале различных химических соединений – присадок.
Для жидких и пластичных смазочных материалов выпускаются следующие основные типы присадок: моюще-диспергирующие, ингибиторы окисления и коррозии, вязкостные, депрессорные, противоизносные, противозадирные, противопенные и приработочные. По химическому составу присадки могут быть разделены на несколько групп:алкилфенольные, сульфонатные, алкилсалицилатные, диалкилдитиофосфатные, полимерные и сукцинимиды [7]. Для пластичных смазочных материалов наиболее характерно применение антиокислительных, противоизносных и противозадирных присадок. В основе действия антиокислительных присадок находится обрыв окислительных цепей [7]. Исследования Г.И. Шора с сотрудниками [34] показали, что процесс окисления смазочного материала связан с работой выхода электронов металла на поверхности, которая в свою очередь непрерывно изменяется вследствие воздействия на процесс компонентов смазочного материала и присадок.
Таким образом, присадки, снижающие работу выхода электронов металлической поверхности, влияют на смазочный материал как антиокислители. Отрицательные ионы, возникающие в смазочном материале вследствие электрических взаимодействий с металлической поверхностью трения, тормозят окисление углеводородов.
Противозадирные присадки действуют следующим образом. Между компонентами присадки, содержащей серу, фосфор или хлор, и металлом протекают химические реакции, в результате которых образуются продукты, отличающиеся по свойствам от металла поверхности трения (меньшая твердость, низкая температура плавления). Химические реакции протекают, прежде всего, на вершинах микронеровностей поверхностей, где концентрируется энергия. В результате шероховатости сглаживаются, или нивелируются. Такая химическая полировка облегчает создание масляного клина.
Действие указанных соединений в качестве противоизносных присадок связано с формированием на поверхности трения адсорбционных слоев [7].
Ряд исследователей связывают противоизносное действие присадок с химической модификацией ювенильных, а, соответственно и химически активных поверхностей трения продуктами термического разложения присадок. Ф.П. Боуденом [35] установлено, что при граничном трении помимо физической адсорбции полярных молекул смазочного материала, проявляется химическое взаимодействие с металлами жирных кислот, содержащихся в присадках к смазочным материалам. По способности к реакции с маслом металлы делятся на активные (Sn, Cu, Zn, Pb, Alи др.) и неактивные (Ag, Au, Pt и др.). Первые образуют с жирными кислотами химические соединения типа металлических мыл, являющихся хорошими смазочными материалами. Такие мыла, образованные в результате химической реакции с маслами, способны сохранять граничные пленки до значительно более высоких температур. При этом в отличие от граничных пленок, образованных в результате физической адсорбции, пленки на основе мыла восстанавливаются в процессе их разрушения или износа [36].
Применительно к поведению смазочных материалов и маслорастворимых поверхностно-активных веществ (ПАВ) в узлах трения условно можно выделить три принципиальных случая (на практике они часто сопровождают друг друга и переходят из одного в другой), при которых проявляются антифрикционные (смазывающие), противоизносные и противозадирные свойства нефтепродуктов [37].
Математические модели влияния пластичных смазочных материалов с присадками на коэффициент трения и износ
Объемная вязкость изменяется также и с изменением размеров молекулы. Исследования [104] показывают, что с увеличением длины алкильной цепи наблюдается общий рост объемной вязкости, причем для ряда соединений последующие нечетные гомологи оказываются менее вязкими, чем предыдущие четные.
Минимальный износ элементов пар трения, а также минимальный коэффициент трения соответствуют режиму, когда трущиеся поверхности полностью разделены слоем смазочного материала. При этом надежность разделения поверхностей трения определяется характеристиками слоя смазочного материала.
Согласно [102] вязкость жидкокристаллического раствора зависит от того, в каком направлении происходит течение. В частности, усилие, которое нужно приложить, чтобы протащить твердый шарик через жидкокристаллический раствор, зависит от того, в каком направлении движется этот шарик.
Таким образом, высокие прочностные характеристики адсорбированных смазочных слоев с жидкими кристаллами определяются определенной ориентацией слоев дискотического металлмезогена (в виде стопки дисков) на поверхности трения. Направление преимущественной ориентации молекул жидкого кристалла принято характеризовать единичным вектором, который называется директором [104]. Мерой дальнего ориентационного порядка является степень упорядоченности (или параметр порядка), введенная В.Н. Цветковым [104]: S = (3cos2 - 1), (2.11) где – угол между осью отдельной молекулы и директором жидкого кристалла, а усреднение ведется по всем молекулам в образце. В идеальном кристалле S = 1, в изотропной фазе S=0. В нематической фазе типичные значения S = 0,6-0,8 [104]. В свою очередь в нематической фазе в соответствии с теорией Майера-Заупе температурная зависимость описывается следующим универсальным выражением: S = (1-0,98Т)0,22 . (2.12) Параметр порядка зависит от температуры: чем меньше температура, тем больше параметр порядка. Таким образом, на основании вышеизложенных предпосылок, можно отметить следующее. Для повышения противоизносных характеристик смазочных материалов, необходимо, чтобы металлмезогенные присадки-карбоксилаты меди в смазочных композициях создавали на поверхностях трения упорядоченные жидкокристаллические структуры, имеющие положительный градиент механических свойств в плоскости, перпендикулярной направлению движения элементов трибосопряжения. Для улучшения антифрикционных характеристик такие слои должны иметь низкую прочность сопротивлению среза в плоскости движения элементов пар трения. 2.2 Математические модели влияния пластичных смазочных материалов с присадками на коэффициент трения и износ
Как отмечено выше, на образование таких жидкокристаллических структур одновременно оказывают влияние ряд факторов. Основными из них, оказывающими первостепенной влияние, являются – тип базовой смазки температура, длина углеводородной цепи молекулы, а также концентрация присадки в базовой смазке.
Таким образом, данные вышеуказанные факторы необходимо учитывать при моделировании смазочных материалов с присадками-карбоксилатами меди.
На основании вышеизложенного, составим модель, описывающую процесс трения и изнашивания металлических поверхностей в присутствии пластичных смазочных материалов с присадками-карбоксилатами меди. В качестве входных параметров используем: число свободных углеводородных групп в молекуле присадки (во многом определяющее структуру присадки), концентрацию присадки в базовой смазке; нагрузку на образцы (определяющую влияние нагрузочно-температурного фактора).
Для построения адекватной математической модели процесса трения будем представлять его «чрным ящиком» с тремя входами и одним выходом. Другими словами, имеем следующую кибернетическую модель процесса изнашивания металлических поверхностей в присутствии модифицированных пластичных смазок (рисунок 2.1):
Методика исследования износостойкости
К фланцу электродвигателя 1 (см. рисунок 3.6), который является приводом измельчителя, прикреплен корпус 2 с размещенным в нем ротором 3. На роторе 3 установлены плоские разгонные лопатки 4 с возможностью закрепления их в пазах, Внутри корпуса 2 на его торцевой поверхности закреплены отбойники 5. Со стороны торцевой поверхности разгонных лопаток установлено решето 6. Корпус 2 закрыт крышкой 7 с прикрепленным к ней загрузочным патрубком 8. В нижней части корпуса 2 имеется выгрузочное окно 9 [108].
При механохимическом синтезе в стеклянной емкости смешивались предварительно подготовленные компоненты механической мешалкой в течение 15-20 мин. с частотой вращения 100 мин-1. Далее включался в работу измельчитель, полученная смесь заливалась через загрузочный патрубок в измельчитель.
В результате попадания приготовленной смеси компонентов на лопатки измельчителя происходила механохимическая активация. Полученный продукт собирался через выгрузочное окно в специальную нержавеющую емкость. Далее полученную смесь загружали в двугорлую колбу, подключали к вакууму водоструйного насоса и включали нагрев, контролируя температуру в реакционной колбе. При достижении температуры Т = 120 – 1300С реакционная масса расплавлялась, синтез вели в расплаве, следя за отгонкой воды и поддержании температуры на заданном уровне (Т=1250С). После прекращения отгона воды вакуум и нагрев отключали, реакционную массу охлаждали до Т = 90 – 1000С и вносили в колбу предварительно перегнанный толуол, нагревали массу с обратным холодильником до кипения и горячий раствор фильтровали через двойной бумажный фильтр и слой ваты в коническую колбу. Раствор охлаждали до выпадения кристаллов, которые отфильтровывали и еще трижды перекристаллизовывали из толуола, каждый раз промывая осадок на фильтре холодным толуолом. Целевой продукт высушивали до постоянного веса. В таблице 3.2 представлены сравнительные данные по температурам базовых переходов и мезоморфизме полученных соединений.
При использовании метода сплавления выход готового продукта составлял 33%, при механохимическом синтезе выход готового продукта составил 90%. Далее полученные карбоксилаты добавлялись к пластичным смазкам на кальциевой и литиевой основах, которые использовались в качестве базовых. Приготовление смазочных композиций осуществлялось следующим образом. С помощью весов Digital scale professional-mini с точностью измерений до 0,001 г. отмерялось 1%, 5%, 10%, 20% исследованных карбоксилатов меди от массы базовой пластичной смазки. Далее происходило перемешивание при помощи механической мешалки в течение 0,5 часа. Полученная смесь с присадкой помещалась в кювету и выдерживалась в жидкостном циркуляционном термостате VT-8-02 в течение 10-12 часов при определенной температуре (в зависимости от типа базовой пластичной смазки). Через каждые 60 мин. кювета доставалась, и смазочная композиция тщательно перемешивалась при помощи механической мешалки.
Триботехнические испытания смазочных материалов включают оценку их противоизносных, противозадирных и антифрикционных свойств на лабораторных приборах или установках с испытательными образцами простой геометрической формы. В отличие от испытаний смазочных материалов в условиях эксплуатации и на стендах, лабораторные испытания не требуют больших затрат времени, они в большей степени позволяют изменять условия на поверхности трения и выделять основной параметр, оказывающий влияние на трибологические характеристики смазочных материалов [5, 109].
В работе для оценки и сравнения разработанных присадок были исследованы триботехнические характеристики – зависимости коэффициента трения от приложенной нагрузки, величины износа от пути трения при постоянной нагрузке и зависимость интенсивности изнашивания от приложенной нагрузки при фиксированном пробеге. Эти характеристики определяют границы работоспособности пары трения. Стойкость материалов к изнашиванию в различных режимах трения определяют ресурс и срок службы узлов трения.
В связи с тем, что на трение и износ оказывает влияние большое количество факторов, испытание исследуемых материалов проводилось в несколько этапов, согласно [110, 111]: 1. физико-механические испытания материалов; 2. испытание материалов на трение и износ в лабораторных условиях на установках по определению параметров износостойкости материалов (машины трения СМТ-1; ИИ-5018). Проводилась оценка влияния физико-механических свойств материалов и режимов трения на их триботехнические характеристики; 3. испытания материалов на трение и износ при трении в технологических средах и различных режимах трения; 4. стендовые испытания узлов трения. Исследование триботехнических характеристик проводилось на машинах для испытания материалов на трение и износ моделей СМТ-1; ИИ-5018 (АО «Точприбор» г. Иваново).
Испытания проводились по схеме «диск - частичный вкладыш», представленной на рисунке 3.7.
P Момент трения на валу (вращающегося диска) измерялся с помощью бесконтактного индуктивного датчика. Электрические сигналы с измерительных катушек датчика подаются в электрическую схему сравнения и далее на потенциометр КСП-005, вмонтированный в электрический шкаф управления машиной.
Образцы изготавливались размерами 1 =10 мм, b = 10 мм, h = 10 мм. Все образцы имели поверхности 9-10 класса шероховатости по ГОСТ 2789. Контртелом служили ролики 0 40 мм, толщиной 10 мм, изготовленные из стали 45 (ГОСТ 1050) НRС 25…30 (рисунок 3.8).
Исследование влияния температуры на структуру смазочного материала на основе кальциевых мыл
Анализируя представленные зависимости необходимо отметить, что введение в качестве присадки к синтетическому солидолу разработанных карбоксилатов меди приводит к снижению коэффициента трения в диапазоне исследованных концентраций. При этом максимальное снижение коэффициента трения характерно для значительных нагрузок на образец (свыше 400 Н). Более значительное снижение коэффициента трения в области высоких нагрузок на образец определяется тем, что рост температуры в зоне трения более интенсивный и абсолютное значение температуры достигает температуры перехода присадки в мезофазу.
При нагрузках на образец менее 400 Н давления в паре трения недостаточно для повышения температуры присадки до температуры перехода в мезофазу, вследствие этого введение ряда исследованных присадок (стеарат и бегенат меди) не приводит к снижению коэффициента трения по сравнению с чистым солидолом (рисунки 4.4-4.5).
Известно, что структура смазочного слоя динамична и обуславливается, в частности, самоорганизацией компонентов смазочного материала в пространстве между контактирующими поверхностями [125].
При трении в процессе физико-химического и химического взаимодействия присадки с поверхностным слоем образуется тонкий слой продуктов трения, который обладает пониженной сдвиговой прочностью, что обеспечивает высокие антифрикционные свойства, а также положительный градиент прочности по глубине, что препятствует заеданию сопряжения. При этом влияние на трибологические показатели оказывает химическое строение присадок, определяющее энергию их сорбции на трущихся поверхностях.
Это связано с тем, что молекулы мезогенной присадки при переходе в мезоморфное состояние, собранные в гексагональные домены, ориентируются относительно поверхности трения, сорбируясь на контактируемой поверхности металла своей плоской центральной частью. Таким образом, они создают упорядоченные столбцы, у которых при переходе в мезофазу уменьшается энергия сцепления в направлении действия сдвиговой деформации, но практически не меняется энергетика взаимодействия между столбцами.
Очевидно, что снижение коэффициента трения в сопряжении зависит от процентного содержания дискотического мезогена в базовой смазке. Результаты исследования влияния на антифрикционные свойства пары трения процентного содержания исследованных соединений в солидоле представлены на рисунках 4.6-4.9.
Из представленных зависимостей видно, что увеличение процентного содержания карбоксилатов меди в солидоле не всегда приводит к уменьшению коэффициента трения. При этом закономерность изменения антифрикционных характеристик имеет нелинейный характер.
Можно отметить, что повышение процентного содержания исследованных карбоксилатов свыше 10 % в синтетическом солидоле нецелесообразно, так как не приводит к значительному снижению коэффициента трения. Это характерно практически для всего диапазона исследованных нагрузок на образцы.
Исследованные карбоксилаты меди отличаются длиной углеводородной радикальной цепи. В этой связи было исследовано влияние длины углеводородной цепи на коэффициент трения триботехнического сопряжения. Результаты исследований представлены на рисунках 4.10-4.12.
Таким образом, при значительных нагрузках на образцы (500-600Н) при постепенном увеличении длины углеводородного радикала (с числом звеньев углеводородной цепи 4 - 10) в основном наблюдается снижение коэффициента трения независимо от величины нагрузки, дальнейший рост углеводородной цепи карбоксилата меди приводит к росту коэффициента трения вплоть шестнадцатого гомолога. При дальнейшем росте числа звеньев углеводородной цепи коэффициент трения выравнивается и становится практически не зависимым от величины нагрузки на образец в исследованном диапазоне. Наблюдаемое снижение коэффициента трения у одиннадцатого гомолога объясняется наиболее низкой температурой перехода его в мезофазу и наиболее широким температурным интервалом ее существования (ундецилат меди). Наши объяснения достаточно обоснованы, поскольку на серии других дискотических мезогенов было установлено влияние фазового состояния на процесс трения, которое выражается в тенденции уменьшения коэффициента трения с увеличением температурного интервала существования мезофазы [126].
Данные зависимости характерны для различных концентраций присадки в синтетическом солидоле.
В процессе эксперимента было отмечено (особенно при нагрузках на образец 500-600 Н) разделение чистого солидола на фракции (явление синерезиса). Введение карбоксилатов меди в синтетический солидол приводит к повышению температурной стойкости данного материала.
Кроме того, смеси гомологов с числом звеньев углеводородной цепи равным 10, 13 с синтетическим солидолом обнаруживают мезоморфизм уже при комнатной температуре, что позволяет добиться в процессе трения улучшения трибологических показателей.
Таким образом, улучшение антифрикционных характеристик исследованных смазок можно объяснить проявлением мезоморфизма присадок-карбоксилатов меди при изменении температуры при трении. При этом возможность снижения коэффициента трения обусловлена возможностью смазочного материала образовывать на поверхности трения пленку, имеющую определенную упорядоченную доменную структуру, обладающую низким сопротивлением сдвиговой деформации, но при этом высокой прочностью в плоскости перпендикулярной плоскости трения (позволяет улучшить противоизносные характеристики).