Содержание к диссертации
Введение
1. Состояние вопроса использования растительных масел в технических целях и задачи исследования 10
1.1. Использование растительных масел в качестве альтернативных топлив и смазочных материалов 10
1.2. Состав и свойства рапсового масла 17
1.3. Анализ присадок и добавок, используемых для улучшения свойств масел 23
1.4. Влияние внешних воздействий на улучшение свойств рапсового масла 30
1.5. Цель и задачи исследований 36
2. Теоретические предпосылки формирования растительного смазочного материала для тракторных транс миссий 38
2.1. Анализ триботехнической системы тракторной трансмиссии с учетом использования рапсового масла 38
2.2. Анализ процесса осаждения частиц в гравитационном поле растительного смазочного материала 44
2.3. Условия работы растительного смазочного материала в трансмиссиях сельскохозяйственных тракторов 48
2.4. Аналитическая оценка рациональных размеров частиц добавок растительного смазочного материала 55
3. Программа и методика экспериментальных исследований трансмиссионного растительного смазочного материала 59
3.1. Программа и общая методика исследований 59
3.2. Методика лабораторных исследований 63
3.2.1. Методика подготовки растительных масел и формирования растительных смазочных материалов на их основе 65
3.2.2. Методика многофакторной оценки триботехнических свойств исследуемых масел на машинах трения типа МАСТ-1 и 2070 СМТ-1 70
3.2.3. Методика формирования растительного смазочного материала с улучшенными вязкостно-температурными свойствами 79
3.2.4. Методика комплексной опенки разработанного растительного смазочного материала 89
3.2.5. Градуировка измерительной аппаратуры и оценка точности измерений 94
3.3. Методика сравнительных стендовых испытаний трансмиссионного растительного смазочного материала 101
3.3.1. Методика испытаний на редукторном стенде 101
3.3.2. Методика испытаний на стенде с коробкой передач трактора MT3-S0 105
3.3.3. Методика определения потерь мощности в трансмиссии трактора Т-25А 107
3.4. Методика эксплуатационных испытаний трансмиссионного растительного смазочного материала 110
4. Результаты экспериментальных исследований трансмиссионного растительного смазочного материала 115
4.1. Результаты сравнительных лабораторных исследований растительных и минеральных масел 115
4.2. Улучшение триботехнических свойств растительных масел легированием присадками 121
4.3. Исследование смазочных материалов на основе рапсового масла, легированного 5 % А-22, при увеличении вязкости 125
4.4. Результаты комплексной оценки разработанного растительного смазочного материала 133
4.5. Результаты стендовых испытаний трансмиссионного растительного смазочного материала 138
4.5.1. Результаты испытаний на редукторном стенде 138
4.5.2. Результаты испытаний на стенде с коробками передач трактора МТЗ-80 143
4.5.3. Результаты определения потерь мощности в трансмиссии трактора Т-25А 147
4.6. Результаты эксплуатационных испытаний трансмиссионного растительного смазочного материала 148
5. Предложения по организации центра производства трансмиссионного растительного смазочного материала и экономическая эффективность результатов исследования 167
5.1. Предложения по организации центра производства трансмиссионного растительного смазочного материала 167
5.2. Экономическая эффективность результатов исследования трансмиссионного растительного смазочного материала 171
Общие выводы 177
Литература 179
Приложения 192
- Анализ присадок и добавок, используемых для улучшения свойств масел
- Анализ процесса осаждения частиц в гравитационном поле растительного смазочного материала
- Методика подготовки растительных масел и формирования растительных смазочных материалов на их основе
- Улучшение триботехнических свойств растительных масел легированием присадками
Введение к работе
Смазочные материалы на основе продуктов растительного и животного происхождения широко использовались в технике, начиная с бронзового века и вплоть до середины 40-х годов прошлого века [100, 101, 138]. Использовали топленый и свиной жир (смазка для осей колес железнодорожных вагонов); масла: оливковое (моторные масла), рапсовое (технологическое масло в металлообработке), кокосовое (компонент моторных масел), пальмовое и пальмоядровое (продукты типа железно дорожных пластичных смазок), талловое (компонент цилиндровых масел).
В последние годы растительные масла, в связи с обострившимися экологическими и экономическими проблемами потребления нефтепродуктов, стали заслуживать внимание во многих странах мира. В развитых странах Европы и Америки возрождается интерес к природным маслам и жирам, продуктам и отходам их переработки в качестве основ и компонентов растительный смазочных материалов и биотоплива. Это, прежде всего, связано с экологической безопасностью и возобновляемостью сырьевых ресурсов природных масел и жиров. Наиболее распространенными в Европе культурами для получения природных смазочньгх материалов является рапс, озимая сурепица, а в мировой практике - лен, маслина и т.д.
Триботехняческие свойства смазочных масел являются важными факторами, определяющими долговечность и надежность работы агрегатов трансмиссии и всего трактора в целом. От качества масла зависят моторесурс трактора, расход запасных частей, затраты на ремонт и т.д. Из всех триботехнических свойств, характеризующих работоспособность масел в агрегатах трансмиссии тракторов, наиболее важным является смазывающая способность.
Вопросы формирования и рацио нального использования растительных смазочньгх материалов связаны со сроками его службы. От своевременной замены растительного смазочного материала зависит долговечность работы трансмиссии. Так как в процессе работы ухудшаются триботехнические свойства растительного смазочного материала, то его замена с запозданием приводит к снижению коэффициента полезного действия (КПД), повышению энергетических затрат и износа деталей трансмиссии. Преждевременная замена трансмиссионного растительного смазочного материала вызывает его перерасход и приводит к увеличению затрат.
В настоящее время отсутствие денежных средств у крестьянских, фермерских и т.д. хозяйств, дороговизна минеральных и синтетических масел приводит к замене масел в агрегатах трансмиссии с запозданием или на менее отработавшее масло. В результате этого хозяйства несут большие убытки при замене вышедших из строя деталей и узлов. Снижение запасов нефти приведет к увеличению стоимости минеральных и синтетических масел, а значит, хозяйства будут не в состоянии обеспечить себя необходимым количеством масла, что приведет к катастрофическому снижению работающей техники.
Для устранения вредного воздействия минеральных масел на экологию и улучшения возникшего состояния со смазывающими материалами выдвинута гипотеза о возможности использования растительных смазочных материалов в трансмиссиях сельскохозяйственных тракторов. Из растительных масел самым доступным по стоимости и лучшим триботехническим свойствам является рапсовое масло.
Данные исследования проводились с 2000 г. по 2003 г. по теме НИР Самарской ГСХА "Обоснование и внедрение режимов технологической подготовки и альтернативного использования растительных масел в качестве топливо-смазочных материалов" на 1998...2005 г.г. (ГР № 01.980001759). Экспериментальные исследования проводились в научной лаборатории "Повышение надежности и экономичности механических систем" кафедры "Тракторы и автомобили" ВГОУ ВПО "Самарская ГСХА", а также в условиях хозяйства ООО "Агрофирма КАТО" Хворостянского района и ФГУП "Учебно-опытное хозяйство" Самарская ГСХА Кинельского района Самарской области.
Цель работы - снижение энергетических затрат в тракторных трансмиссиях путем использования легированного рапсового масла.
Объектом исследований принят процесс формирования растительного смазочного материала и его использование в агрегатах трансмиссии сельскохозяйственных тракторов.
Исследования проводились теоретическими и экспериментальными методами. Теоретические исследования направлены на анализ особенностей триботехнической системы трансмиссии при использовании растительного смазочного материала, определение размеров и закономерностей перемещения частиц присадок и добавок, а также на определение рационального состава растительного смазочного материала.
Проверка и подтверждение теоретических разработок осуществлялось в экспериментальных исследованиях. Определялись основные физико-химические показатели растительного смазочного материала, а также изменение показателей качества товарного масла и трансмиссионного растительного смазочного материала в стендовых и эксплуатационных условиях.
Научная новизна заключается в разработке растительного смазочного материала на основе рапсового масла при введении 5 % присадки А-22. 3 % Литол-24 и 5 % стеариновой кислоты (пол. решение о выдаче патента на изобретение), а также методике расчета размеров частиц добавки Литол-24, исходя из условий работы и хранения растительного смазочного материала, его физико-химических показателей и конструктивных особенной агрегатов трансмиссии.
Практическая ценность. Разработанный трансмиссионный растительный смазочный материал соответствует требованиям, предъявляемым к товарному трансмиссионному маслу ТЭп-15 (ТМ-2-18) ГОСТ 23652-79. Предложен технологический процесс формирования трансмиссионного растительного смазочного материала в условиях потребителя с применением специально разработанного смесителя, легирования присадками, введения добавок и стеариновой кислоты, а также с использованием обработки ультразвуковым и комплексным (магнитно-инфракрасно-лазерным) излучениями. Разница в значениях при нормативном ресурсе трансмиссионного растительного смазочного материала и товарного трансмиссионного масла ТЭп-15 (ТМ-2-18) соответственно по износу шестерен и подшипников силовых редукторов тракторов - 8,45...14,9 %; суммарном боковом зазоре между деталями трансмиссии (ТУ 70.0001.959-82) тракторов МТЗ-80 - 15 %, Т-40М - 11 %; содержанию механических примесей в масле (ГОСТ 6370-83) - 0,02 %; изменению кислотного числа масла - 17,1 % (для тракторов МТЗ-80), 15,8 % (для тракторов Т-40М) и щелочного числа (ГОСТ 11362-96) - 15,2 % (для тракторов МТЗ-80), 13,8 % (для тракторов Т-40М).
Достоверность результатов работы подтверждается сравнительными испытаниями, проградуированной контрольно-измерительной аппаратурой, использованием современных методов и технических средств исследования, а также применением теоретических положений по планированию эксперимента.
Реализация результатов исследований. Результаты проведенных исследований внедрены в условиях хозяйства ООО "Агрофирма КАТО"
Хворостяне кого района и ФГУП "Учебно-опытное хозяйство" Самарская ГСХА Кинелъского района Самарской области.
Апробация работы. Основные положения и результаты работы были доложены, обсуждены и одобрены на конференциях и семинарах различного уровня: Поволжской межвузовской конференции "Актуальные агроинженерные проблемы АПК" Самарской ГСХА (2001 г.), Межгосударственном научно-техническом семинаре "Проблемы экономичности и эксплуатации двигателей внутреннего сгорания в АПК СНГ' Саратовского ГАУ имени Н.И. Вавилова (2002 г.), Поволжской межвузовской конференции "Совершенствование машиноиспользования и технологических процессов в АПК" Самарской ГСХА (2002 г.), научно-практической конференции, посвященной 50-летию инженерного факультета Пензенской ГСХА "Проблемы развития машинных технологий и технических средств производства сельскохозяйственной продукции" (2002 г.). Ill Международной научно-практической конференции "Состояние биосферы и здоровье людей" Пензенской ГСХА (2003 г.).
Публикации. По результатам выполненных исследований опубликовано 9 научных статей, один отчет НИР с номером государственной регистрации, пол. решение о выдаче патента на изобретение, в том числе две научные статьи без соавторов и одна статья в центральном журнале.
Научные положения и результаты исследований, выносимые на защиту:
теоретическое обоснование размеров частиц добавок трансмиссионного растительного смазочного материала;
технологический процесс формирования трансмиссионного растительного смазочного материала в условиях потребителя;
состав трансмиссионного растительного смазочного материала;
результаты экспериментальных исследований по влиянию триботехнических свойств растительного смазочного материала на энергетические затраты в тракторных трансмиссиях.
Работа выполнялась в творческом содружестве с кафедрой 'Тракторы, автомобили и теплоэнергетика" ФГОУ ВПО "Пензенская ГСХА". Особую 6j гаго дар ность за ценные предложения и указания по формированию структуры диссертации автор выражает: к.т.н. доценту Гуськову Ю.В., д.т.н, профессору Уханову А.П,, дхн. профессору Власову А.П., д.т.н. профессору Тимохину СВ., д.т.н профессору Кухмазову К.З.
Анализ присадок и добавок, используемых для улучшения свойств масел
Рапсовое масло без присадок не обеспечивает в достаточной мере снижение трения и износа современных узлов трения в течение длительного периода работы. Оно обладает низкой антиокислительной стабильностью и малой вязкостью. Для повышения смазочной способности и антиокислитепьной стабильности рапсового масла необходимо введение комплекса присадок [50, 51, 53, 54, 92, 162, 163].
Присадки - это сложные химические соединения, которые вводятся в смазочные масла в концентрации 1.30 % с целью улучшения их физико-химических и триботехнических свойств [39, 120, 123].
Присадки должны удовлетворять ряду требований: хорошо растворяться в маслах; не выпадать в осадок при изменении температуры и хранении; быть химически стабильными; не изменять свои свойства при эксплуатации.
Происходящие под действием температуры и света окисление и полимеризация рапсового масла ведут к повышению вязкости, кислотного числа, потемнению, образованию шлама, лако - и смолоотложений. Для снижения процессов окисления необходимо ввести аптшжааштепьиые присадки.
Наибольшее распространение в маслах получили алкилфенольные добавки, в числе которых наиболее эффективными являются ионол, соединения типа аминов и соединения, содержащие серу, азот и фосфор, азот и фенолъньтй гидроксил (например, ДФ-11, ДФБ, ИОНОЛ). Антиокислительные присадки вводятся в масло в количестве 0,5...2% [101, 123].
Азотсодержащие присадки в рапсовое масло вводить не желательно, так как они являются низкотемпературными антиокислителями, эффективны до 100...120 С и используются при низких температурных режимах. При этом не могут ни замедлять, ни останавливать процесс окисления, так как при более высоких температурах азотсодержащие соединения сами окисляются.
По данным [101] целесообразно использование в рапсовом масле композиций присадок, состоящих из соединений различных классов, в частности алкилфенолов и аминов. В таких случаях часто наблюдается явление синергизма - взаимного усиления антиокислительного действия совместно применяемых соединений. Органические соединения, содержащие одновременно аминогруппу и фенольный гидроксил, по эффективности превосходят соединения, включающие одну из этих групп. Эффективность сернистых присадок как антиокислителей в рапсовом масле зависит от их способности реагировать с перекисями углеводородов и образовывать сулъфоокиси, вследствие чего происходит обрыв цепи, и прекращаются реакции автоокисления [123].
Снижение коррозия цветных и черных металлов целесообразно произвести антикоррозионными присадками в рапсовом масле. Коррозия антифрикционных сплавов является следствием воздействия на них кислот и продуктов окисления масла в процессе эксплуатации. Процесс коррозии состоит из двух фаз: в первой фазе окисляющий агент, взаимодействуя с металлом, образует оксид; во второй - оксид реагирует с органической кислотой и растворяется в ней. В качестве противокоррозионных присадок к рапсовому маслу возможно использование: трибутил фосфита, трифенил фосфита, о серн енного масла, алкилфенолятов щелочных и щелочноземельных металлов [123].
Использование содержащих серу соединений, как противокоррозионных присадок, практически не даст снижения окисления масла, так как действие их основано на создании защитной пленки на поверхности металла. Пленка препятствует взаимодействию образовавшихся при окислении масел продуктов кислотного характера с металлом.
Возможно использование некоторых органических соединений фосфора, которые являются хорошими противокоррозионными присадками. Они обладают в какой-то мере и антиокислителъными свойствами. Фосфорсодержащие присадки так же, как и содержащие серу присадки, образуют на поверхности металла защитные пленки, которые отличаются высокой прочностью. Фосфиты в рапсовое масло вводить не рекомендуется, так как защитная пленка, создаваемая фосфитом, разрушается, вследствие чего коррозия металлической поверхности даже возрастает.
Противокоррозионными присадками служат, например, В-15/41, БФК, КСК, которые вводятся в количестве до 1 %.
Для снижения износов трущихся деталей в рапсовое масло необходимо ввести противогипоспые присадки. Они содержат поверхностно-активные вещества, которые при повышении температуры способны образовывать пленки, препятствующие схватыванию трущихся поверхностей. К ним относятся соединения, содержащие неактивную серу, эфиры фосфорных кислот, хлор. Эти присадки ведут себя удовлетворительно как при режимах высоких нагрузок, так и при низких нагрузках в трансмиссиях и других энергопередающих механизмах [75, 162, 163].
При трении в условиях больших нагрузок для снижения износа возможно введение органических соединений, содержащих хлор и фосфор. Оба эти элемента отличаются высокой активностью по отношению к металлу, но при совместном присутствии в молекуле присадки определяюшую роль играет хлор, а не фосфор. Среди соединений, содержащих хлор и фосфор, наиболее эффективными в роли присадки являются вещества, содержащие трихлорметильную группу,
Возможно введение сернистых органических соединении как присадок, улучшающих смазывающие свойства масел, что определяется строением этих соединений. Соединения, содержащие прочносвязанную серу, в условиях трения образуют комплексные соединения с металлами. Эти комплексы предотвращают износ и в большинстве случаев обладают также противокоррозионными свойствами.
Улучшение условий трения возможно использованием органических соединений, содержащих серу и хлор. При повышенной температуре такие присадки взаимодействуют с металлами и образуют на поверхности трущихся деталей комбинированную пленку из хлоридов и сульфидов железа. Сульфидная пленка предотвращает заедание, а хлоридная способствует снижению износа и трения.
К противоизносным присадкам относятся; ДФ- ] 1, ЛЗ-23К, ЭФО и другие. Они вводятся в минеральные масла в количестве от 0,5 до 3 % [123, 162, 163].
Для снижения задиров трущихся пар, работающих при очень высоких удельных давлениях (порядка 2500...3000 МПа) возможно введение в рапсовое масло притинозадириых присадок. Продукты разложения присадок химически взаимодействуют с металлом при высоких температурах трения. В этом случае образуются соединения, которые обладают меньшим сопротивлением срезу и более низкой температурой плавления, чем чистые металлы, что и предотвращает заедание трущихся поверхностей. В противозадирные присадки входят сера, фосфор и хлор, в некоторые из них - свинец, сурьма и молибден в сочетании с серой или фосфором [123]. Для предотвращения задира и повышения антиокислительных свойств масла при высоких нагрузках и умеренных режимах трения возможно введение присадок, содержащих серу и фосфор. При высоких температурах трения дитиофосфаты разлагаются с выделением фосфина и сероводорода. При этом фосфин вступает в реакцию с металлом в первую очередь, а сероводород начинает реагировать при более высоких температурах. К таким присадкам относятся различные производные органических кислот фосфора, содержащие серу [123].
Анализ процесса осаждения частиц в гравитационном поле растительного смазочного материала
Проведенные исследования рапсового масла, как основы растительного смазочного материала для характерных трансмиссий, и лабораторная оценка его физико-химических и триботехнических показателей свидетельствуют о необходимости изменения вязкостно-температурной характеристики рапсового масла, повышения его стабильности к окислению и противоизносных свойств [44, 48,50,51,70].
В связи с этим в схему триботехнической системы ресурсоопределяющих сопряжений трансмиссии с учетом использования растительного смазочного материала на основе рапсового масла (М) включены управляющие параметры: КСМ - качество растительного смазочного материала, то есть набор физико-химических свойств, которые обеспечиваются подготовкой рапсового масла; внешними воздействиями; условиями хранения и др.; ССМ состав растительного смазочного материала, обеспечивающий достаточные триботехнические свойства за счет введения стеариновой кислоты и добавок, легирования присадками; У Г - уровень герметичности силового механизма, оіраничивающий доступ воздуха и посторонних примесей во внутренние его полости и снижающий интенсивность процесса окисления рапсового масла. На выходные параметры, по которым можно окончательно судить о триботехнических свойствах растительного смазочного материала, оказывают влияния режимы ее работы (температура, нагрузка, скорость и время работы). Растительный смазочный материал применяется в одинаковых с минеральным маслом узлах и агрегатах трансмиссии при одинаковых режимах работы. Поэтому увеличение работоспособности рапсового масла необходимо вести улучшением показателей качества растительного смазочного материала (параметр КСМ), его состава (параметр ССМ) и снижением влияния внешней среды (параметр А.) улучшением герметичности смазочной системы трансмиссии (параметр У Г).
Использование растительных масел при формировании растительных смазочных материалов для смазывания механизмов трансмиссий сельскохозяйственных тракторов связано с его подготовкой (7и), которая является важным этапом общего процесса: выращивание масличной культуры - получение растительного масла-сырца - технологическая подготовка - использование в смазочных системах машин. В технологической подготовке рапсового масла возможно использование очистных установок, например, УОМ-ЗА и ПОМ-3 СГСХА в зависимости от объемов очистки [49]. При этом происходит удаление из масла механических и органических примесей, воды, а также снижение кислотного числа, Повышенное значение кислотного числа ведет к возрастанию коррозионной агрессивности рапсового масла и увеличению износа деталей [123].
Для увеличения вязкостных, противоизносных, противозадирных и антиокислительных свойств рапсового масла (СМ) необходимо его легирование присадкам {Tip), которые часто используются в минеральных маслах типа ТЭп-15 (ТМ-2-18) и дешевле при производстве масел; ЛЗ-23К (противоизносная и противозадирная), ДФ-11 (противоизносная и антиокислительная), ЭФО (антифрикционная, противоизносная и противозадирная), А-22 (многофункциональная, обладающая противоизносными и антиокислительными свойствами). Для улучшения вязкостно-температурной характеристики необходимо введение вязкостных добавок (Дб): графит, ШРУС-4М и Литол-24. Для увеличения антиокислительных свойств рапсового масла необходимо увеличение концентрации предельных кислот, т.е. введение стеариновой кислоты (параметр Кс) с выявлением концентрации в результате лабораторных исследований. Поэтому параметр ССМ имеет следующую функциональную зависимость (рис. 2.1):
Используемые присадки должны быть растворены в масле или находиться в мелкодисперсном состоянии, при котором их осаждение будет наименьшим. Поэтому, наряду с процессом технологической подготовки рапсового масла, необходимо обосновать технологический процесс легирования (ТПЛ), обеспечивающий растворение присадок в рапсовом масле. Нерастворимые по своей природе в рапсовом масле вязкостные добавки должны быть доведены до высокодисперсного состояния, при котором растительный смазочный материал составляет гомогенную среду. Для осуществления этого возможно использование смесителя, разработанного на кафедре Тракторы и автомобили" ФГОУ ВПО Самарская ГСХА". Так как добавка имеет плотность большую, чем рапсовое масло, то ее частицы с течением времени будут осаждаться. Поэтому необходимо теоретическое определение размеров частиц добавки, обладающих наименьшей скоростью осаждения, а также выявление факторов, влияющих на скорость их осаждения. Рациональный размер компонентов добавки должен быть подтвержден в результате экспериментальных исследований. Полученный размер частиц добавки гн должен удовлетворять условию работы (Ур) и хранения (Ух) растительного смазочного материала, а также конструктивньш особенностям (КО) и режимам работы (РР) используемых сельскохозяйственных тракторов. Наряду с легированием присадками необходимо и изменение структуры молекулярного строения и межмолекулярного взаимодействия в смазочном материале [51, 54], Это возможно за счет внешнего воздействия ультразвуковыми колебаниями (УЗ), которые способствуют созданию высокодисперсного состояния частиц вязкостной добавки. В качестве источника ультразвуковых колебаний можно использовать аппарат "Витафон". В результате ультразвукового воздействия интенсифицируется процесс теплопередачи между поверхностями трения, повышается электропроводность масляных пленок и снижается электростатическая составляющая износа. Обработанное ультразвуком масло обеспечивает меньший коэффициент трения, меньшую температуру и более прочную защитную пленку в зоне трущихся поверхностей. Сочетание внешнего воздействия ультразвуком и комплексным излучением (лазерное, инфракрасное излучение и магнитное поле) вызывает образование свободных ионов, что ведет к усилению метаболических реакций в растительном смазочном материале. В качестве источника комплексного излучения (КИ) возможно использование аппарата "Милта-ОІ". Время внешнего воздействия ультразвуковыми колебаниями и комплексным излучением необходимо определить и проверить в результате лабораторных исследований.
Методика подготовки растительных масел и формирования растительных смазочных материалов на их основе
Лабораторные исследования масел включали в себя следующие этапы: 1) химическая обработка и очистка растительных масел, формирование растительных смазочных материалов на их основе и определение основных физико химических свойств; 2) выявление рациональной концентрации противоизноснъгх присадок для растительных смазочных материалов по результатам испытаний на машинах трения типа МАСТ-1 и 2070 СМТ-1; коррозионной агрессивности; термоокислительной стабильности; кинематической вязкости и температур вспышки и застывания; 3) увеличение вязкости растительного смазочного материала введением добавок и обработкой ультразвуковым и комплексным излучениями, а также определение размеров частиц добавок и скорости их осаждения; выявление рациональной концентрации стеариновой кислоты для растительного смазочного материала; 4) определение противоизносных свойств растительных смазочных материалов по результатам испытаний на машине трения типа 2070 СМТ-1; 5) сравнение растительных смазочных материалов с товарным минеральным маслом ТЭп-15 (ТМ-2-18) и определение состава растительных смазочных материалов для стендовых испытаний. Целью данных исследований было формирование и сравнительная оценка растительных смазочных материалов с минеральными маслами; определение рациональных концентраций присадок, стеариновой кислоты и времени обработки ультразвуковым и комплексным излучениями, улучшение триботехнических свойств растительных смазочных материалов путем снижения влияния абразивных частиц и процесса окисления масел. На первом этапе растительные масла химически обрабатывались и очишались на установках типа УОМ-ЗА, ПОМ-3 СГСХА с целью уменьшения кислотного числа, удаления механических примесей различных размеров и воды. Процесс формирования растительных смазочных материалов производился при помощи специально разработанного смесителя. ; Исходя из требований к смазочному материалу, в качестве основных, в достаточной мере отражающих физико-химические свойства масла, были выбраны следующие показатели и методики их определения: кинематическая вязкость - ГОСТ 33-2000; кислотное число - ГОСТ 11362-96; содержание механических примесей - ГОСТ 6370-83; температура вспышки в открытом тигле - ГОСТ 4333-87; содержание воды - ГОСТ 2477-82. Измерение проводилось в трех параллельных навесках масла. Результат считался достоверным, если разность не превышала значений, допускаемых соответствующими методиками, при уровне значимости а = 0,05. В процессе исследований проводилась градуировка измерительной аппаратуры для определения толщины смазочного слоя по показаниям измерительного прибора относительно минерального масла ТЭп-15 (ТМ-2-18). На втором этапе лабораторных исследований проводились испытания проб масел по ГОСТ 9490-75 на машине трения типа МАСТ-], где определялись рациональные концентрации противоизносных и противозадирных присадок в растительных смазочных материалах по противоизносным свойствам. Противоизносные свойства экспериментальных навесок растительных и минеральных масел, а также растительных смазочных материалов оценивались по диаметру пятна износа нижних шариков на машине трения и толщине смазочного слоя. Также определялись коррозионная агрессивность (ГОСТ 2917-76), термоокислительная стабильность (ГОСТ 11063-77), кинематическая вязкость, температура застывания (ГОСТ 20287-91) и вспышки, время до задира и температура предзадирного состояния (на машине трения типа 2070 СМТ-1) растительных смазочных материалов. По результатам выявлялся лучший растительный смазочный материал с рациональной концентрацией противоизносной присадки. Полученный растительный смазочный материал являлся основой для дальнейших исследований.
На третьем этапе с целью увеличения вязкости выбранного растительного смазочного материала и улучшения вязкостно-температурной характеристики вводили добавки (графит, Литол-24, ШРУС-4М) при воздействии ультразвуком (аппарат "Витафон") и комплексным световым, магнитным и лазерным излучениями (аппарат "Милта-01"). Сравнение осуществляли с товарным минеральным маслом ТЭп-15 (ТМ-2-18) по кинематической вязкости при 100 СС и времени осаждения частиц добавок. При сравнении выявляли растительные смазочные материалы с рациональной концентрацией добавок и временем внешнего воздействия. По результатам испытаний на термоокислительную стабильность определялась рациональная концентрация стеариновой кислоты в выбранных растительных смазочных материалах.
На четвертом этапе проводились износные испытания растительных смазочных материалов на машине трения типа 2070 СМТ-1 по скорости изнашивания роликов. При этом дополнительно фиксировались момент трения и температура в зоне контакта.
На пятом этапе выбирался растительный смазочный материал для стендовых испытаний по результатам четвертого этапа, а также на соответствие требованиям ГОСТ 4.24-84, предъявляемым к трансмиссионному маслу ТЭп-15 (ТМ-2-18).
Альтернативное использование рапсового масла как основы смазочных материалов для смазочных систем трансмиссий сельскохозяйственных тракторов предполагает его технологическую подготовку в условиях потребителя и является важным этапом общего процесса; выращивание масличной культуры - получение рапсового масла (сырца) - технологическая подготовка - технологический процесс легирования - использование в смазочных системах трансмиссий тракторов [48, 49],
По результатам проведенных на кафедре "Тракторы и автомобили" ФГОУ ВПО "Самарская ГСХА" исследований разработан процесс подготовки растительных масел и их легирования присадками при формировании растительных смазочных материалов (рис. 3.2).
Улучшение триботехнических свойств растительных масел легированием присадками
В ходе проведенных расчетов (приложения 2 и 3) установлено, что растительные масла имели значения толщины смазочного слоя меньше, чем товарное масло ТЭп-15 (ТМ-2-18), а значения диаметра пятна износа - больше.
Так, у льняного масла толщина смазочного слоя в среднем в 1,13 раза меньше, чем у ТЭп-15 (ТМ-2-18). У сурепного, соответственно в 1,09 раза, а у рапсового - в 1,07 раза. Толщина смазочного слоя масла у М- ШГ2к и ТАД-17И (ТМ-5-18) примерно в 1,02 и 1,03 раза соответственно больше значения масла ТЭп-15 (ТМ-2-18).
Сравнение значение диаметра пятна износа показало, что у льняного масла этот показатель в среднем в 1,6 раза больше, чем у ТЭп-15 (ТМ-2-18), а у сурепного и рапсового - в 1,2 раза. Значения диаметра пятна износа у М-10Г2к и ТАД-17И (ТМ-5-18) примерно в 1,07 и 1,12 раза соответственно меньше значения масла ТЭп-15 (ТМ-2-18).
Рапсовое и сурепное масло имеют примерно равные значения толщины смазочного слоя и диаметра пятна износа, что, по-видимому, объясняется примерно одинаковым химическим составом и строением молекул масла.
Анализ данных таблиц 4.3 и 4.4 свидетельствуют о том, что использование не легированных растительных масел не обеспечивает достаточных триботехнических свойств, характерных для минеральных масел. Для легированных растительных масел значения толщины смазочного слоя и диаметра пятна износа приведены в приложении 4.
Решение задачи оптимизации триботехнических свойств исследуемых масел характеризуется экстремумом уравнений регрессии, полученных согласно методике 3.2.2, то есть определением наибольшего значения отклика в области значений, ограниченной выбранными интервалами изменения факторов (для значений толщины смазочного слоя). Для значений диаметра пятна износа определяли наименьшее значения отклика. При поиске минимума я максимума уравнений регрессии использовались встроенные функции "Minimize" и "Maximize" соответственно математической программы MathCAD 2000 Pro.
Данные приложения 4 позволяют заключить, что при увеличении концентрации абразива и температуры нагрева масла, используемые присадки не одинаково влияют на толщину смазочного слоя и диаметр пятна износа даже в одном и том же растительном масле. Однако в целом, используемые присадки снизили износ и повысили толщину смазочного слоя. Так, легирование рапсового масла присадкой А-22 снизило износ, однако, он остался в среднем примерно в 1,05 раза больше, чему масла ТЭп-15 (ТМ-2-18), а толщина смазочного слоя меньше, в среднем, в 1,02 раза. У легированного присадкой А-22 сурепного масла износ больше, примерно, в 1,1 раза, толщина смазочного слоя меньше, примерно, в 1,07 раза. У легированного присадкой А-22 льняного масла износ больше, примерно, в 1,08 раза, толщина смазочного слоя меньше в 1,02 раза. Разные значения диаметра пятна износа и толщины смазочного слоя объясняются различиями химических соединения, возникающих в результате реакции растительных масел с присадками,
В ходе проведенных расчетов установлено, что из легированных растительных масел по значениям толщины смазочного слоя и диаметра пятна износа (приложение 4) наиболее приближенными к маслу ТЭп-15 (ТМ-2-18) оказались рапсовое масло, легированное присадкой А-22.
Для нахождения рациональной концентрации присадки А-22, при которой легированное рапсовое масло имеет максимальное значение толщины смазочного слоя и минимальное значение диаметра пятна износа, были построены три математические модели (приложение 5). Каждая математическая модель характеризуется фиксированным значением концентрации присадки, принадлежащим выбранной области значений факторов и соответственно равным 0; 5 и 10 %.
В ходе проведенных расчетов (приложение 6) установлено, что самое максимальное значение отклика при определении толщины смазочного слоя и минимальное при определении диаметра пятна износа наблюдается при концентрации присадки А-22, равной 5 %. Увеличение триботехнических свойств легированного рапсового масла наглядно иллюстрируется в ходе графического определения экстремумов уравнений математических моделей (приложение 5) по графикам линий уровня, построенных с помощью математической программы MathCAD 2000 Pro.
Противозадирные свойства выбранного растительного смазочного материала оценивались на машине трения типа 2070 СМТ-1 (приложение 7). Результаты против о задир ных испытаний растительного смазочного материала представлены в таблице 4.5, где для сравнения представлены значения масла ТЭп-15 (ТМ-2-18) и рапсового масла.
Результаты исследований показывают, что легирование присадками рапсового масла позволило увеличить противозадирные свойства последнего. Увеличилось время до задира, а температура предзадирного состояния практически не увеличилась. Так, у рапсового масла, легированного 5 % А-22, время до задира увеличилось в 1,3 раза, а температура предзадирного состояния на 4 С по сравнению с не легированным рапсовым маслом.
В целом, противозадирные свойства легированного растительного масла остались хуже показателей масла ТЭл-15 (ТМ-2-18). Так, у рапсового масла, легированного 5 % А-22, время до задира меньше в 1,34 раза, чем у ТЭп-15 (ТМ-2-18). Но температура предзадирного состояния осталась ниже в среднем в 1,7 раза, что значительно изменяет характер триботехнических процессов в сопряжении и требует улучшения ттротивозадирных свойств масляного слоя.
Таким образом, триботехнические свойства растительных масел зависят от изменения вязкости, концентрации абразивных частиц, а также от концентрации присадки. При этом установлено, что растительные масла для улучшения их свойств необходимо легировать присадками, что позволило в определенной мере улучшить триботехнические показатели: повысить вязкость на 12...25 %; увеличить толщину смазочного слоя в сопряжениях на 6..,14 %; снизить скорость изнашивания поверхностей трения (по диаметру пятна износа) на 4...9 %. Максимальное значение толщины смазочного слоя и минимальное значение диаметра пятна износа достигается при легировании рапсового масла присадкой А-22 при концентрации, равной 5 %. Противозадирные свойства растительного смазочного материала оказались ниже, чем у масла ТЭп-15 (ТМ-2-18), но несколько выше, чем у рапсового масла. Поэтому в состав растительного смазочного материала необходимо введение некоторого элемента, который бы улучшил противозадирные свойства.
