Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Полужидкие смазки. состав, свойства и области применения (обзор литературы) 8
1.1. Области применения. Преимущества и недостатки полужидких смазочных материалов 8
1.2. Ассортимент отечественных и зарубежных полужидких смазок 9
1.3. Синтетические масла, как компонент полужидких смазок 14
1.4. Требования к уровню качества полужидких смазок 20
ГЛАВА 2. Объекты и методы исследований 3 5
2.1. Сырьевые компоненты и приготовление смазок 38
2.2. Методы исследования свойств масел и полужидких смазок 42
ГЛАВА 3. Влияние состава дисперсионной среды и концентрации загустителя на свойства полужидких смазок
3.1. Влияние состава дисперсионной среды на свойства полужидких смазок 44
3.2. Влияние концентрации загустителя на свойства полужидких смазок 55
ГЛАВА 4. Влияние добавок на свойства полужидких смазок
4.1 .Эффективность действия присадок в дисперсионной среде 64
4.2. Эффективность действия присадок в полужидких смазках 67
4.3. Эффективность действия наполнителей 73
4.4. Трибологические основы эффективности работы ПЖС 76
ГЛАВА 5. Разработка и испытания полужидкой смазки для тяжелонагруженных узлов трения 85
5.1. Лабораторные испытания опытного образца полужидкой смазки по комплексу методов 85
5.2. Стендовые испытания опытного образца полужидкой смазки 88
Выводы 94
Литература
- Синтетические масла, как компонент полужидких смазок
- Методы исследования свойств масел и полужидких смазок
- Влияние концентрации загустителя на свойства полужидких смазок
- Эффективность действия наполнителей
Синтетические масла, как компонент полужидких смазок
Для увеличения нагрузки и КПД зубчатой передачи в тяжелонагруженном трибоконтакте металлических деталей трансмиссий полужидкие смазочные материалы должны обеспечивать легкость подтекания смазки в зону трения (зацепления): обладать хорошими вязкостно-скоростными характеристиками, низкотемпературными и антиокислительными свойствами, термомеханической и коллоидной стабильностью, вязкостью, достаточной для удержания смазки в узлах трения при низких скоростях сдвига. Поверхностная активность полужидких смазок должна обеспечивать требуемый уровень их триботехнических и антикоррозионных свойств. Ниже приводится комплекс требований к объемным (структурно-механическим) и поверхностным (иногда называемым граничными) свойствам полужидких смазок для высоконагруженных узлов трения (в том числе редукторов).
Требования к объемным (структурно-механическим) свойствам
Объемные свойства смазочных материалов характеризуются показателями низкотемпературных, реологических и демпфирующих свойств, а также показателями стабильности против окисления и механической стабильности.
Среди объемных свойств важнейшими являются реологические свойства. Для полужидких смазок важно учитывать изменение их реологических (механических) свойств с возрастанием величины нагрузки или времени ее действия, т. е. знать их уровень деформируемости, характеризуемой в реологии зависимостью деформации от нагрузки. Деформирование систем, будь они с полимерными загустителями, дисперсными или приготовленных на смешанных загустителях, согласно [30-35], подчиняется общим закономерностям, хотя имеются и отличия в реологических свойствах: величина аномалии вязкости, склонности к накоплению обратимых деформаций, величина нормальных напряжений, характер зависимости Ge (Т). Однако, обусловленные сочетанием хрупкости и эластичности структурного каркаса эти отличия не качественные, а количественные и потому внутри каждого класса из упомянутых систем при изменении какого-либо фактора можно получить свойства, присущие не только данному классу. Например, уменьшение концентрации мыла в смазке, как представителя коллоидной дисперсной системы, ниже 12 % масс, придает ей свойства, характерные для полимеров: более низкий предел прочности, уменьшение степени аномалии вязкости как параметров увеличения эластичности и понижения прочности структурного каркаса.
Аналогичный результат может быть получен при введении полимера вместо мыла. Совместным регулированием концентрации мыла и полимера возможно существенно улучшить реологические свойства ПЖС [33].
Оптимизация параметров реологических свойств ПЖС обеспечивается уровнем вязкости дисперсионной среды с учетом таких противоречивых требований, как проникающая способность молекул граничного слоя и его демпфирующая способность, адгезия к металлу и когезия элементов структурного каркаса. Последнее подтверждает преимущество ПЖС в механических системах с импульсивным характером погружения - передачах зацеплением, муфтах и т. п.
Выбор нефтяной основы с оптимальной ВЯЗКОСТЬЮ ("Що = 70 мм /с) в качестве дисперсионной среды ПЖС позволяет повысить нагрузочную способность и КПД тяжелонагруженных червячных редукторов [34].
Низкотемпературные свойства. Легкий запуск механизмов в условиях пониженных температур, минимальные потери энергии на вязкостное трение при высоком уровне смазочных свойств и бесперебойное поступление смазочного материала в зону трения для реализации жидкостного трения поверхностей обеспечиваются соответствующими низкотемпературными свойствами ПЖС, которые определяются, в основном, дисперсионной средой ПЖС. Приготовленные на маловязких нефтяных маслах с мыльным загустителем (особенно литиевым) по низкотемпературным свойствам значительно превосходят углеводородные на дисперсионной среде из вязких остаточных компонентов, что не позволяет их рассматривать в качестве перспективного материала.
Лучшими дисперсионными средами, для полужидких смазок с высоким уровнем низкотемпературных свойств считаются: высокоиндексные маловязкие нефтяные масла нафтено-парафинового основания, выкипающие выше 340 С [35]; синтетические масла, работоспособные в широком интервале температур [30, 36]; смеси нефтяных и синтетических масел [37]. Из отечественного ассортимента ПЖС наилучшими низкотемпературными свойствами обладает Трансол-100, содержащий синтетическое масло Б-ЗВ (эфир пентаэритрита). Однако, эта смазка как и Трансол-200, Трансол-300, а также ЭСМА по низкотемпературным свойствам уступает зарубежным аналогам. Так, вязкость Трансола-200 и Трансола-300 уже при температуре -20С достигает уровня, необходимого при - 40 С. Если еще учесть, что в области низких температур понижение температуры на каждые 10С приводит к трехкратному увеличению вязкости, то становится очевидными, что эти ПЖС далеки от совершенства по уровню необходимых низкотемпературных свойств.
Предпочтительны, по всей видимости, мыльные ПЖС на основе смесей нефтяных и синтетических масел или принципиально новые материалы, для которых в качестве загустителей могут быть опробованы гели и полимеры.
Механическая стабильность ПЖС при повышенных температурах (термомеханическая стабильность). Высокие температуры и интенсивное механическое воздействие (разрушение и перетирание в редукторах) приводит к тому, что смазки, являющиеся дисперсными системами, могут как разжижаться, так и упрочняться. Поскольку и то, и другое ухудшает процесс смазывания передач и способствует выходу их из строя, фактор механической стабильности ПЖС при повышенных температурах как один из определяющих показателей реологических свойств должен учитываться при разработке рецептуры смазки. Известно, что каждый из ее компонентов вносит свой вклад в термомеханическую стабильность смазки. Например, ПЖС, приготовленные на лапролах и пропиленгликоле уступают приготовленным на нефтяных маслах и Б-ЗВ. Предпочтительным загустителем, обеспечивающим лучшие показатели термомеханической стабильности, является 12 - LioSt [38], при этом концетрация загустителя в ПЖС, как слабоструктурированной системе, обуславливает с одной стороны подвижность смазки (ее подтекание в зону контакта), а с другой - прочность и стабильность структурного каркаса при механическом разрушении.
Методы исследования свойств масел и полужидких смазок
Из этих видов повреждений все, кроме первого, непосредственно связаны с составом и структурой смазки. Необходимо было изучить триботехнические свойства полужидкой смазки. Данные, полученные в ходе исследований, представлены в табл.22.
Зависимость триботехнических свойств литиевой смазки от концентрации загустителя Свойства Концентрация LioSt, % 3,0 3,5 4,0 6,0 Нагрузка, кгс: критическая (Рк); сваривания (Рс) 67 141 71 141 67 141 63141 63133 Диаметр пятна износа, мм 0,66 0,71 0,66 0,8 0,83 Как показано в табл. 22, с ростом концентрации мыла происходит возрастание диаметра пятна износа, однако, при концентрации загустителя в 3,5 % мас. противоизносные свойства улучшаются до уровня свойств дисперсионной среды. Противозадирные свойства смазок на всем исследованном отрезке концентраций практически не изменяются. Низкотемпературные свойства Большинство смазок, используемых в тяжелонагруженных узлах трения, в процессе эксплуатации подвергаются воздействию статических и динамических нагрузок, различных по величине, направлению и продолжительности. Такое воздействие, вызывая изменение механических свойств смазок в объеме, оказывает существенное влияние на условия их подвода в зону трения и работу узла в целом.
Смазки относятся к вязкопластичным системам. Их объемно-механические свойства определяются суммой реологических показателей, характеризующих упругие, прочностные и вязкостные свойства.
Смазка имеет сплошной пространственный каркас, который состоит из взаимосвязанных дисперсных частиц загустителя или их агрегатов и удерживает в своих ячейках дисперсионную среду.
Поведение смазки в объеме на различных этапах деформирования и связь между упругими, прочностными и вязкостными свойствами определяются состоянием ее структуры.
На рис. 3 показана зависимость вязкости масла и динамической вязкости приготовленной на нем смазки от скорости деформации.
Отличие между вязкостью масел и динамической вязкостью смазок состоит в том, что при постоянной температуре первая не зависит ни от напряжения сдвига, ни от скорости деформации, а вторая от них зависит. С ростом градиента скорости динамическая вязкость смазки, характеризующая ее сопротивление течению, асимптотически приближается к вязкости дисперсионной среды. 600 і и скорость деформации, с
Наряду с оптимизацией компонентного состава, определяющего уровень объемных и поверхностных свойств, существенным фактором является технология приготовления смазок (и, прежде всего, на мыльных загустителях): максимальная температура нагревания и продолжительность температурного воздействия, режим охлаждения расплава; способ введения добавок и условия гомогенизации высокоструктурированных смазок.
Проведенные исследования показали, что применительно к полужидким смазкам (с низкой концентрацией загустителя или его малым загущающим действием) значительное влияние на образование структуры и объемно-механические свойства литиевых смазок оказывает скорость охлаждения в процессе их приготовления.
Изучение этого важного технологического фактора показало, что при приготовлении образца смазочного материала, загущением полибутенового масла 3,5 % LioSt, при быстром охлаждении не обеспечивается необходимого уровня структурообразования. В случае медленного охлаждения, структура смазки образовывалась. Показатель пенетрации равнялся 400 м 10 и соответствовал классу пенетрации 00 (400 - 430 м 10 ).
Скорость охлаждения нагретого раствора мыла в масле - важный коллоидно-химический и технологический процесс регулирования размера кристалла мыла. С увеличением скорости охлаждения размеры частиц уменьшаются, что объясняется быстрым повышением вязкости масла и соответственно уменьшением скорости поступления молекул масла к растущему зародышу кристалла.
Влияние концентрации загустителя на свойства полужидких смазок
В общем случае введение в ПЖС эффективных функциональных присадок и некоторых ПАВ (в том числе и синтетических масел) приводит к улучшению и стабилизации (минимальной зависимости от внешних воздействий) комплекса показателей триботехнических свойств смазок. На рис. 9 представлены обобщенные данные по изменению антифрикционных и противоизносных свойств смазочных материалов (масел и смазок с добавками и без их введения) в широком диапазоне режимов эксплуатации узлов трения - температур, нагрузок, скоростных характеристик и времени испытания.
Установлено, что для оптимизации процесса образования модифицированных слоев целесообразно совместное использование продуктов различного состава и происхождения. Это обеспечивает расширение диапазона беззадирной работы узла трения в среде полужидкой смазки за счет интенсификации процесса образования сульфида железа на поверхности трения и дальнейшего образования прочного адсорбционного слоя на пленке сульфида. Весьма эффективно также совместное применение маслорастворимых химически активных присадок и нерастворимых кристаллических высокодисперсных добавок (графита, дисульфида молибдена и т.д.). Следует иметь в виду, что ПАВ может поступать в смазочную среду также в составе мыльного загустителя.
2. Создание подслоя мягкого материала в процессе трения путем реализации явления трибополимеризации. Поверхности трения, на которых адсорбируются ПАВ, образуются непосредственно в процессе трения. В смазочную среду вводят или в ней присутствуют определенные соединения (непредельные мономеры и олигомеры — это возможно в случае полибутеновых масел), способные полимеризоваться в процессе трения и образовывать на поверхностях трибополимерные пленки, обеспечивающие расширение диапазона (по температурам и по нагрузкам) работоспособности трибосопряжения, снижение трения и уменьшение износа контактирующих тел. При правильном подборе дисперсионной среды или присадок трибохимические и трибокаталитические процессы приводят к образованию трибополимерной пленки толщиной 1 - 3 мкм, обладающей хорошей адгезией к металлической поверхности. По мере истирания этой пленки возможно ее восстановление.
3. Организация подслоя мягкого материала путем плакирования, за счет присутствия в смазках наполнителей разной природы и происхождения. Например, мягкий металл (или другой наполнитель) вводится в полужидкую смазку в виде высокодисперсного порошка или химического соединения (например, его оксида или соли). Частицы металла, попадая во фрикционный контакт «намазываются» на его поверхность и заполняют впадины между неровностями поверхностей. Образующийся на поверхности слой мягкого металла (материала) толщиной около 1 мкм обладает высокой контактной прочностью и пластичностью и обеспечивает снижение фактических давлений в контакте. При введении мягкого металла в полужидкую смазку в виде оксида, йодида или другого химического соединения смазочная среда должна обладать способностью восстанавливать эти соединения до металлов. Свежевосстановленный металл, взаимодействуя с поверхностями трения, образует прочно связанный с основным металлом подслой. Из плакирующих металлов могут быть применены олово, свинец, некоторые сплавы (например, баббит), в частности заэвтектоидные сплавы на основе цветных металлов (олова, свинца, висмута, кадмия, меди, цинка, сурьмы, индия и т. д.). Эффективным, с точки зрения плакирования и создания на твердой металлической поверхности мягкого подслоя, является введение в смазки высокодисперсных частиц минеральных наполнителей (M0S2, графит и их композиции).
4. Обеспечение процесса двухслойной смазки за счет реализации явления избирательного переноса. Этот процесс реализуется при трении стали по некоторым бронзам или латуням в определенных средах (в глицерине, спиртоглицериновых средах, в маслах с некоторыми видами ПАВ и т. д.) в достаточно узких интервалах изменения условий работы узла трения. Под действием активной среды при трении начинается избирательное анодное растворение легирующих бронзу элементов. Атомы этих элементов переходят в смазочную среду, а поверхность бронзы обогащается медью. В восстановительной среде медь не окисляется и очень активна. Она легко схватывается стальной поверхностью, покрывая ее тонким слоем, так что обе поверхности покрыты слоем меди. В этом слое возникает большое количество вакансий, часть которых образует поры, заполняемые молекулами среды. В результате образуется так называемая «сервовитлая пленка» толщиной 1-2 мкм, которая имеет низкую прочность на сдвиг и не наклёпывается при трении. Она хорошо адсорбирует активные компоненты среды. Каталитическая активность сервовитной пленки приводит к образованию на ней полимерных пленок, образовавшихся из свободных радикалов органических веществ, которые возникают при деструкции смазочного материала. Легко деформируясь, сервовитная пленка обеспечивает значительное снижение фактического давления в контакте, а также минимизирует сдвиговые усилия, защищая от повреждения нижележащие слои металла. Таким образом, при избирательном переносе и мягкий слой, и необходимые ПАВ образуются непосредственно в процессе трения. При этом коэффициент трения снижается до величины 0,01-0,001, а интенсивность изнашивания до 10" - 10" . Наиболее распространенным металлом для обеспечения эффектов избирательного переноса и металлоплакирования является медь, обладающая достаточно хорошей пластичностью, низким предельным напряжением сдвига и невысокой стоимостью.
Эффективность действия наполнителей
Следует отметить, что использование полибутенового масла в качестве дисперсионной среды ПЖС позволяет уменьшить концентрацию добавок по сравнению с применением нефтяных масел. Важно и то обстоятельство, что меньшие концентрации серосодержащих добавок в полибутеновой литиевой смазке (ВСП-40 и MoS2) не потребовало необходимости введения в нее ингибитора коррозии, присутствующего в ПЖС «ЭСМА», приготовленной на смесях нефтяных масел. Исследованиями установлено, что противоизносные свойства, стабильность и адгезионные свойства разработанной «ПЖС - Р» превосходят аналогичные показатели товарной смазки «ЭСМА» и не уступают по уровню реологических и антикоррозионных свойств, что, вероятно, приведет к увеличению ресурса работы тяжелонагруженных узлов трения механизмов и машин, в т.ч. редукторов различных типов. Опытный образец исследовали по комплексу методов квалификационной оценки смазок (табл. 32).
На первом этапе стендовые испытания опытного образца полужидкой смазки проводили на нагрузочно - вибрационном стенде в редукторах РКВ -110-5.
Испытания проводились согласно Программе стендовых испытаний полужидких смазок для тяговых редукторов в объеме 240 часов (60 циклов по 4 часа). Редуктор конический вибростойкий типа РКВ - ПО - 5, заводской номер 479 получен из цеха № 16 29 апреля 2003 года со следующими характеристиками: - свободный ход в зацеплении - 0,87 мм; - температура подшипников входного и выходного валов при работе на масле - эталоне (ТАД-17и) после 1 часа работы при нагрузке 7800 Н м и частоте вращения ведущего вала 18000 мин " составила: tBX = 67 С, t =64 С ВЫХ и э - температура масла- эталона в объеме после 1 часа работы - 112 С, - течи через уплотнения валов после 1 часа работы - отсутствие; - интенсивность виброколебаний корпуса при работе виброгенератора на 80 % мощности в норме (не превышает 5 % от принудительных); - состояние поверхностей зубьев шестерен — в норме, следов сколов, задиров, коррозии, заусенцев не обнаружено.
Перед загрузкой полужидкой смазки в редуктор РКВ - 110-5, масло-эталон из редуктора было слито (объем - 27,8 литра), редуктор промыт керосином ТС-1, продут воздухом в течение 10 минут. В керосине после промывки следов примесей не обнаружено.
После 60-ти циклов редукторов отмечены следующие результаты: 1. Полужидкая смазка обеспечивает понижение температуры в объеме смазочного материала в среднем на 20 С в сравнении с маслом ТАД-17и. 2. Течь полужидкой смазки через уплотнения отсутствует, что свидетельствует о хорошей совместимости с материалом уплотнений. 3. Следов коррозии и усталостного выкрашивания в редукторах не обнаружено. Результаты стендовых испытаний представлены в соответствующем акте (Приложение 1). На втором этапе проводились испытания опытной партии смазки «ПЖС - Р» при смазке зубчатого привода прокатного стана Механического завода. Качество предлагаемой смазки сравнивалось с применяемым в настоящее время смазочным материалом (табл. 33).
Установлено, что полужидкая смазка ПЖС на основе полибутеновых масел позволяет снизить расход смазки более чем в три раза, а также снизить износ зубьев приводной шестерни с 1,2 мм до 0,05 мм в сравнении с применяемым в настоящее время смазочным материалом состоящим из смеси кальциевой смазки «УССа» и мазута. Результаты представлены в акте испытаний (Приложение 2).
Комплексная работа по обоснованию рецептуры и изучению свойств полужидких смазок показала возможность использования для оценки качества товарных продуктов, широко распространенных в настоящее время в Российской Федерации методов, входящих в комплексы методов квалификационной оценки антифрикционных смазок и трансмиссионных масел. Степень целесообразности включения того или иного метода оценки
Данный комплекс методов или его модификация позволит оценить полужидкие смазки по основным физико-химическим и эксплуатационным характеристикам.
Накопленный опыт по производству и применению и исследованию полужидких смазочных систем, многообразные условия их стендовых и эксплуатационных испытаний позволяют сделать следующий принципиальный вывод: решение вопроса о допуске к применению того или иного вновь разработанного или улучшенного полужидкого смазочного материала может быть основано на данных проведенных испытаний по предложенному комплексу методов квалификационной оценки. Комплекс методов квалификационной оценки смазочных материалов включает более 20 методов оценки разных показателей, позволяющих наиболее полно и всесторонне судить об эксплуатационных свойствах этого класса смазочных материалов.
Необходимо отметить, что если подобную работу проводить основываясь на данных стендовых и эксплуатационных испытаний, то она
Определяется в случае мыльного загустителя. может занять от полугода до двух лет, и естественно, потребует значительных материальных затрат.
Наряду с некоторыми традиционными показателями физико-химических свойств комплекс включает определение нескольких показателей триботехнических свойств, в том числе оценку противозадирных свойств на шестереночном стенде IAE. Это позволяет моделировать условия работы высоконагруженнной трансмиссии.
Методы исследования защитных и антикоррозионных свойств, взаимодействия с резинами позволяют достаточно полно судить (и минимизировать) воздействие разрабатываемых полужидких смазок на конструкционные материалы.
Существенную роль при разработке рецептуры производства и применения ПЖС играют их объемные свойства. В комплекс квалификационной оценки включены некоторые стандартные методы исследования реологических свойств полужидких смазок, по результатам которых можно оценить их поведение в широком диапазоне температур в трансмиссиях различных конфигураций.
Включение в комплекс методов оценки стабильности полужидких смазочных материалов позволяет четко контролировать (по существу и предотвращать) такое распространенное явление применительно к полужидким смазкам как их расслаивание в процессе транспортировки, хранения и эксплуатации.
