Самоорганизация присадок в граничном смазочном слое трибосопряжений машин Березина Елена Владимировна

Содержание к диссертации

УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ 8

ВВЕДЕНИЕ 11

1. АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР 17

1.1. Граничный смазочный слой 17

1. Особенности граничного смазочного процесса 17

2. Условия образования граничного смазочного слоя при ограниченном доступе СМ 30

3. Надмолекулярная самоорганизация в смазочном слое 32

1.2. Трибоактивные присадки к СМ 36

4. Классификация 36

5. Поверхностно-активные вещества 37

6. Химически активные присадки 41

7. Присадки твердых порошков 44

8. Мезогенные соединения в качестве трибоактивных присадок45

1.3. Выводы по результатам аналитического обзора, постановка цели и

задач исследования 51

9. Выводы по аналитическому обзору 51

10. Формулирование цели и постановка задач исследования 55

2. ВЫБОР МАТЕРИАЛОВ ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ 57

11. Материалы пар трения 57

12. Твердосмазочные порошкообразные присадки 57

13. Пластичные и масляные смазочные материалы 58

14. Поверхностно-активные вещества 59

15. Низкомолекулярные органические соединения 61

2.7. Производные фталоцианина и его металлокомплексов 63

3. ПРОЦЕСС ФОРМИРОВАНИЯ ФИЗИЧЕСКИ
АДСОРБИРОВАННОГО ГРАНИЧНОГО СМАЗОЧНОГО
ПОЛИМОЛЕКУЛЯРНОГО СЛОЯ 73

16. Описание процесса образования граничного смазочного слоя в межповерхностной капиллярной системе 73

17. Описание кинетики формирования микрокапиллярного граничного

смазочного слоя при трении скольжения 75

3.2. Модель образования структурированного граничного смазочного
слоя 81

4. МЕТОДИКИ ТРИБОТЕХНИЧЕСКИХ ИСПЫТАНИЙ 91

18. Машина трения СМЦ-2 91

19. Стенд для испытаний СОТС при резании 91

20. Трибометр ТАУ-1 95

5. ИССЛЕДОВАНИЕ ТРИБОТЕХНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ПРИСАДОК
ПРИ ТРЕНИИ СКОЛЬЖЕНИЯ 97

5.1. Триботехнические свойства бинарных и тройных водных систем

Гц-соединение-вода и Гц-соединение-ПАВ-вода 97

5.2. Триботехнические свойства масляных суспензий с присадками

производных фталоцианина 101

21. Испытания на трибометре ТАУ-1 101

22. Исследование трибологических свойств СМ на машине трения СМЦ-2 108

5.3. Трибо логические свойства ПСМ с порошкообразными присадками

гетероциклической природы 114

23. Исследование на трибометре ТАУ-1 114

24. Исследование на машине трения СМЦ-2 118

6. ИСПЫТАНИЯ МЕЗОГЕННЫХ ПРИСАДОК ПРИ СВЕРЛЕНИИ И
НАРЕЗАНИИ РЕЗЬБЫ МЕТЧИКАМИ 125

6.1. Сверление в среде водных систем, содержащих производные

фталоцианина 125

6.2. Влияние состава СОТС, содержащих производные фталоцианина, на

процесс стружкообразования 129

6.3. Сверление с применением масляных суспензий 135

25. Ультразвуковое диспергирование присадок 135

26. Влияние режимов обработки на смазочную эффективность масляных суспензий при сверлении 138

6.4. Определение работы резания при сверлении в среде ПСМ 151

27. Сверление углеродистой стали 151

28. Сверление нержавеющей стали 161

29. Сопоставление результатов по влиянию гетероциклических присадок к ПСМ в процессах трения и сверления 166

30. Интенсивность изнашивания инструмента при сверлении с использованием водных составов исследуемых Гц-присадок172

31. Стойкость режущего инструмента при использовании масляных композиций с гетероциклическими присадками 177

32. Стойкость режущего инструмента при использовании ПСМ с гетероциклическими присадками 179

6.5. Влияние присадок к СОТС на операции резьбонарезания 181

33. Особенности процесса нарезания резьбы метчиками 181

34. Работы резания при резьбонарезании с использованием водных СОТС 182

35. Стойкость метчиков 185

36. Влияние режимов обработки на трибологическую эффективность масляных суспензий при резьбонарезании 188

37. Применение ПСМ с присадками при резьбонарезании 195

6.6. Влияние смазочной среды на температуру резания 197

7. ВЗАИМОСВЯЗЬ ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИХ свойств,
НАДМОЛЕКУЛЯРНОЙ САМООРГАНИЗАЦИИ МЕЗОГЕННЫХ И
НЕМЕЗОГЕННЫХ ПРИСАДОК И ТРИБОТЕХНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ
СМАЗОЧНЫХ КОМПОЗИЦИЙ 201

38. Фазовое состояние смазочных композиций 201

39. Исследование поверхностной активности 212

7.2.1. Поверхностное натяжение водных растворов

гетероциклических присадок и их триботехническая
активность 212

3. Поверхностное натяжение и триботехнические характеристики растворов коллоидных ПАВ (неонолы) с присадками Гц-соединений 227

4. Поверхностная активность присадок гетероциклических соединений в минеральном масле 232

7.3. Процессы ассоциации в смазочных композициях 233

1. Исследования электронных спектров поглощения 234

2. Фотометрические исследования водных растворов смазочных композиций 241

3. Взаимосвязь оптических и триботехнических свойств масляных суспензий 246

7.4. Адсорбционное взаимодействие с поверхностью трения присадок —

производных фталоцианина 251

5. Исследования термической стабильности смазочных композиций253

6. Ультразвуковое диспергирование как путь повышения

триботехнической эффективности масляных смазочных
композиций с присадками гетероциклического типа 258

1. Ультразвуковое диспергирование суспензий 258

2. Седиментационный анализ дисперсности суспензий 265

7.7. Электронографические исследования производных фталоцианина в

составе ПСМ 267

7.8. Реология исследуемых смазочных композиций и её связь с

параметрами трения 275

3. Реологические параметры СМ и методы их исследования на ротационном вискозиметре 276

4. Методика измерения вязкости СМ на ротационном вискозиметре Брукфилда 283

5. Вязкость водных растворов присадок различной химической природы (гетероциклические соединения, ПАВ) 285

6. Ньютоновское поведение кривых течения масляных СМ, содержащих мезогенные присадки 305

7. Неньютоновское поведение кривых течения ПСМ, содержащих мезогенные присадки 311

8. КОМПЬЮТЕРНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ СМАЗОЧНОГО ДЕЙСТВИЯ
ТРИБОАКТИВНЫХСМ 329

8.1. Компьютерная реализация микрокапиллярной модели

формирования адсорбционного смазочного слоя 329

8.2. Молекулярное моделирование адсорбции присадки на поверхности

трения 345

8.3. Принципы построения искусственной нейронной сети 359

9. ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ И ОБЩИЕ ВЫВОДЫ 374

9.1. Значение результатов работы для развития научного знания в

области трибологии 374

2. Значение для практики 374

3. Основные выводы 375

ЛИТЕРАТУРА 377

ПРИЛОЖЕНИЕ 1. ДОПОЛНИТЕЛЬНЫЕ

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ 407

ПРИЛОЖЕНИЕ 2. МАТЕРИАЛЫ О ПРАКТИЧЕСКОМ
ИСПОЛЬЗОВАНИИ РЕЗУЛЬТАТОВ РАБОТЫ 421

ПРИЛОЖЕНИЕ 3. КОМПЬЮТЕРНЫЕ ПРОГРАММЫ 434

ПРИЛОЖЕНИЕ 4. РАСЧЕТ ЭКОНОМИЧЕСКОЙ

ЭФФЕКТИВНОСТИ 455

Благодарность

Автор выражает благодарность: научному консультанту проф., д.х.н. Н.В. Усольцевой; д.т.н. проф. В.А. Годлевскому, к.т.н., доц. А.В. Волкову — за полезное и творческое обсуждение теоретических аспектов работы; коллективам преподавателей и сотрудников Проблемной лаборатории жидких кристаллов, научно — образовательного центра по наноматериалам «Жидкие кристаллы» и Кафедры экспериментальной и технической физики ИвГУ — за помощь и постоянную ободряющую поддержку в течение многих лет научных исследований, результатом которых явилась настоящая работа.

Условные обозначения

ВД-присадки — присадки высокого давления; Гц-соединение - гетероциклическое соединение; ЖК — жидкий кристалл; ПАВ — поверхностно-активное вещество; ПСМ — пластичные смазочные материалы; ПСОТС — пластичные СОТС;

СОТС — смазочно-охлаждающая технологическая средство; СК — смазочная композиция; СМ — смазочный материал; ХЖК — холестерический жидкий кристалл; ПГУНФ — пигмент голубой УНФ; А — работа резания;

Ъ — ширина линий эталона в рентгеноструктурном анализе; С — концентрация;

Col, Со2 — производные фталоцианина с центральным атомом кобальта;

d— межплоскостное расстояние;

D — коэффициент диффузии;

DTA — изменение теплосодержания (энтальпии) вещества;

DTG — скорость изменения веса вещества при нагревании;

е — основание натурального логарифма;

f— коэффициент трения;

hkl — кристаллографические индексы;

К — постоянная Больцмана;

h - толщина адсорбционного слоя;

/ - длина капилляра при резании, протяженность единичного контакта при трении;

1_Ж — глубина проникновения жидкой фазы в капилляр до испарения;

М — момент силы; момент трения;

п — поверхностная концентрация адсорбированных молекул на площадках контакта; число повторных экспериментов;

п₀ — поверхностная концентрация свободных активных центров;

п (t) — число соударений молекул с единицей поверхности в единицу времени;

Ратм — Ю Па — атмосферное давление;

Р = p_mRT/ (ц. U) = \1% - число Прандтля;

P(h) - вероятность образования адсорбционного слоя толщины /г;

Р (0) - вероятность формирования первого слоя;

р — начальное давление в устье капилляра при тепловом взрыве микрокапли;

Рравн - равновесное давление;

рН — водородный показатель;

R — универсальная газовая постоянная;

R_a - параметр шероховатости;

г - характерный размер капилляра;

О — начало оси координат;

Т — текущая температура; стойкость инструмента;

TG — абсолютная величина изменения веса вещества в эксперименте на дериватографе;

t — глубина резания;

и — скорость резания;

V — объем атомов;

х, у, z — ортогональные оси координат;

U— внутренняя энергия;

a - коэффициент пропорциональности;

(З - коэффициент пропорциональности, определяющий адсорбционную активность молекул ПАВ; дифракционное уширение линий;

0 — брэгговский угол;

с — стандартное отклонение;

, - феноменологическая константа; коэффициент адсорбционной активности;

т\ — кинематическая вязкость;

т — суммарное время образования смазочного слоя в единичном межповерхностном капилляре;

т_к — время существования единичного капилляра на межфазной границе;

Tj — характерное время протекания отдельных фаз формирования смазочного слоя внутри единичного капилляра;

т_г - время заполнения капилляра газовой фазой при взрыве

т_ж - время существования жидкой фазы в капилляре;

Тзап ^— время заполнения капилляра

Vbh ^_ время установления равновесного давления в капилляре

р_ж - плотность жидкости;

ц - молекулярная масса молекулы адсорбата;

v - кинематическая вязкость жидкости;

(/z) - отношение адсорбционной активности молекулы к пассивности слоя;

X - коэффициент температуропроводности жидкости;

v - скорость относительного скольжения;

v_r0— начальная скорость частиц СМ при взрывообразном испарении

v_c — скорость звука в газовой среде;

у_ж -— скорость проникновения жидкой фазы в капилляр.

Введение к работе

Новый этап научно-технической революции, в который вступили в последние десятилетия все технические отрасли, в значительной мере коснулся трибологии и триботехники. Это проявляется в том, что вводятся в действие новые материалы пар трения; появляются машины, многие узлы трения которых, работают в экстремальных условиях; обновляются и усложняются методы поверхностного упрочнения трущихся деталей; ужесточаются экологические и санитарно-гигиенические требования к трибо-системам; в промышленность и на транспорт приходит новое поколение смазочных материалов (СМ); усложняются смазочные композиции, которые все в большей степени насыщаются присадками разнообразного функционального действия.

Последний аспект является наиболее важным в контексте настоящей работы. Введение в состав СМ трибоактивных присадок часто вступает в противоречие с экологическими и санитарно-гигиеническими требованиями. Так, многие присадки, содержащие хлор, серу и фосфор, становятся нежелательными для использования. При использовании таких присадок в узлах трения встает вопрос об их утилизации, а при их использовании в технологических процессах (при металлообработке), возникает нежелательный контакт этих продуктов с организмом человека. В некоторых случаях затраты на экологически обоснованную утилизацию смазочно-охлаждающих технологических средств (СОТС) сопоставимы с их покупной стоимостью.

Наряду с явным прогрессом в деле создания и применения эффективных СМ, представленным в трудах [29, 57, 63, 74, 93, 96, 114, 117, 124, 146, 154, 164, 233, 235, 240, 241, 242, 245, 251, 260], в этой области имеется еще много нерешенных вопросов, главным образом связанных с созданием на- учных основ разработки новых смазок на базе изучения физико-химических аспектов взаимодействия среды с металлом в зоне контакта.

Проблема формирования оптимального смазочного слоя на металлической поверхности (особенно в условиях ограниченного доступа смазочной среды в контактную область) является задачей высокого уровня сложности (по количеству влияющих факторов, по характеру взаимодействия между ними, по разнообразию протекающих при этом физических, химических и физико-химических процессов), которая вряд ли может быть достаточно полно описана аналитическими методами.

Интересующая нас проблема находится на стыке ряда естественнонаучных направлений, поэтому является необходимым привлечение к ее решению физиков, трибологов, специалистов в области физической, коллоидной, органической химии и электрохимии, а в последнее время — исследователей в области промышленной гигиены и экологии. Исследования в этих смежных областях должны обосновать научную базу для конструирования новых смазочных композиций и позволят перейти от эмпирических к рационально обоснованным методам их создания.

АКТУАЛЬНОСТЬ РАБОТЫ

Создание трибологически эффективных и экологически безопасных СМ позволяет уменьшить энергозатраты, замедлить изнашивание узлов трения и металлорежущего инструмента, повысить производительность технологических процессов, уменьшить вредное влияние на окружающую среду и персонал. Научный аспект актуальности состоит в том, что в работе развиваются новые представления о формировании граничного смазочного слоя с учетом молекулярного строения и надмолекулярной организации трибоактивных компонентов СМ. Кроме того, развиваются методы компьютерного моделирования, позволяющие сделать более эффективной работу по изучению физико-химических основ смазочного действия и целенаправленному созданию новых СМ.

Работа выполнялась в рамках темы Единого заказ-наряда Проблемной лаборатории жидких кристаллов ИвГУ, соответствующей разделу 3 «Химические науки и науки о материалах», подраздел 3.2. «Направленный синтез и выделение и выделение химических соединений с уникальными свойствами и веществ специального назначения. Зависимость структура -свойство», перечня приоритетных направлений, утвержденного Президиумом РАН. Газета «Поиск» № 7 (457) от 7 февраля 1998 г., а также по разделу 4 «Химические науки и науки о материалах», подраздел 4.2. «Синтез и изучение новых веществ, разработка материалов и наноматериалов с заданными свойствами и функциями», «Основные направления фундаментальных исследований», утвержденным Президиумом РАН: Приложение к постановлению « 233 от 1 июля 2003 г. Газета «Поиск», № 35 (745) от 29 августа 2003 г. Отдельные разделы диссертации поддержаны грантами: РФФИ (№№ 01-03-32135, 04-03-32305); Минобразования и науки РФ «Развитие научного потенциала высшей школы» РНП 2.2.1.1.7280.

НАУЧНАЯ НОВИЗНА

1. Разработано математическое описание образования мезогенными трибоактивными компонентами физически адсорбированного граничного нанослоя.

Определена взаимосвязь физико-химических и триботехнических характеристик водных, масляных и пластичных смазочных композиций, содержащих мезогенные и немезогенные присадки гетероциклической природы и их композиции с неионогенными ПАВ.

Предложена вербальная модель смазочного действия водных растворов с присадками мезогенов дискотического типа, основанная на структу- рировании граничного смазочного слоя путем надмолекулярной нанораз-мерной самоорганизации.

Определен принцип действия порошкообразных присадок — производных фталоцианина — в масляной и пластичной основах, связанный с реализацией механизма твердой смазки.

На основе нейросетевого программирования разработан метод прогнозирования триботехнических характеристик смазочных материалов, базирующийся на их физико-химических показателях.

Разработан метод прогнозирования триботехнических характеристик смазочных материалов с использованием молекулярного моделирования процесса адсорбции присадки на твердой поверхности.

ОБОСНОВАННОСТЬ И ДОСТОВЕРНОСТЬ РЕЗУЛЬТАТОВ

Основные результаты и выводы настоящей работы являются обоснованными и достоверными поскольку: положения теоретической части работы хорошо согласуются с экспериментальными данными, полученными отечественными и зарубежными исследователями, касающимися формирования смазочного слоя в межповерхностной капиллярной системе; имеется удовлетворительное согласование теоретических результатов с экспериментальными данными настоящей работы, а также литературными данными о других исследованиях; корректным применением известных методик физико-химических исследований к выбранным классам смазочных материалов; применена статистическая обработка результатов эксперимента, и использованы стохастические модели при построении экспериментальных зависимостей.

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЦЕННОСТЬ

1) Предложены модельные составы эффективных водных, масляных и пластичных СМ для узлов трения и операций обработки резанием, включающих изученные присадки гетероциклических соединений, а также Гц-присадки в композиции с ПАВ.

Предложены методики нейросетевого прогнозирования и молекулярного моделирования для предсказания триботехнических свойств смазочного материала на основе молекулярной природы трибоактивных присадок.

Результаты работы переданы и используются при разработке новых смазочных композиций на промышленных предприятиях: АО «Заволжский химический завод» (Ивановская область), ОАО «Ивхимпром» (г. Иваново), ООО «НПО Янтарь» (г. Иваново), на факультете механики и автоматики Харбинского технического университета (КНР).

Итоги исследования используются в учебном процессе на физическом факультете ИвГУ в лекционных спецкурсах, лабораторных практикумах, при выполнении курсовых и дипломных работ.

АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ

Результаты, изложенные в настоящей диссертации, были представлены автором на следующих научных конференциях, совещаниях и симпозиумах: I^st Balkan Int. Conf. on Tribology «Balkantrib-93», 1-3 October 1993, Sofia, Bulgaria; I^st Int. Symp. on Surfactants. Rovinj, Croatia. May 25 - 27; 1^st Int. Conf. «Eurometalworking-94» Udine, Italy, 28-30 Sept. 1994; Int. Symp. «Insycont'94 - Sloviantribo'94», 14-16 Sept. 1994. Kracow, Poland; Int. Conf. «ICSTFC» 10-11 Oct. 1994. Sofia, Bulgaria; 4^th Yugoslav Conf on Tribology «Yutrib'95». 27 - 29 Sept. 1995, Herzeg Novi, Yugoslavia; 10^th Int. Colloquium on Tribology. 09-11 Jan. 1996. Esslingen, Germany; 1^st Int. Symp. «Self-Assembly of Amphiphilic Systems». Dresden, Sept. 13-16. 1998; Междунар. конф. «Проблемы определения технологических условий обработки по заданным показателям качества изделий», Рыбинск, РГАТА, 2003; 1-е Всес. совещание по лиотропным жидким кристаллам. Иваново, 11-13 дек. 1990; П-я междунар. конф. по лиотропным жидким кристаллам. Иваново, 1993; IV междунар. конф. по лиотропным жидким кристаллам. 25-28 сент. 2000 г. Иваново; Междунар. конф. «Образование через науку». М., МГТУ им. Н.Э.Баумана 2005; Московский междунар. салон инноваций и инвестиций. Москва, ВВЦ. 15-18 февраля 2005 г.; Междунар. конф. «По-ликомтриб - 2005». Гомель. Беларусь. 18-21 июля 2005 г.; Междунар. науч. симп. «Славянтрибо-6», С-Пб, 2004; Междунар. науч. симп. «Славян-трибо-7а» С-Пб-Пушкин. 2006; Int. Symp. «Insycont-06». 14-16 Sept. 2006. Kracow, Poland; VI Московский междунар. салон инноваций и инвестиций. М., ВВЦ, 7-Ю февраля 2006 г.; Междунар. научно-практич. конф.-выставка «Трибология - машиностроению». Москва, «Крокус-Экспо». 19 -22 сентября 2006 г.; «Междунар. выставка научно-технических достижений — Второй форум научно-технического сотрудничества Китая и СНГ на высшем уровне» Харбин, КНР. 21-25 августа 2006 г., 1-й Междунар. науч.-практич. семин. «Техника и технология трибологич. исследований» Иваново, 5-6 окт. 2006г.; Международная школа молодых ученых «IV Чистяковские чтения», семинар НКТ рамочной программа Евросоюза по 3-му приоритету (нанотехнологии и нанонауки), Иваново, 21 июня 2006 г.; II международ, научно-практич. конференции «Пожарная и аварийная безопасность объектов», Иваново, 21-23 декабря 2006 г., Ежегодных научных конференциях ИвГУ 1990 - 2006 гг., Научный семинар Проблемной лаборатории жидких кристаллов ИвГУ 2004-2005 гг.; Научный семинар кафедры общей физики ИвГУ, 1991 - 2007 гг.

Похожие диссертации на Самоорганизация присадок в граничном смазочном слое трибосопряжений машин

Технология уплотнения щебёночного балластного слоя машинами типа ВПО в процессе глубокой очистки щебняАтаманюк Александр Васильевич

Технологическое обеспечение равновесных параметров качества поверхностного слоя деталей машин на основе изучения накопленной энергии в поверхностном слое деталиСутягин Александр Николаевич

Разработка и создание самообучающейся технологической системы с адаптивным управлением параметрами качества поверхностного слоя деталей машинПетрешин, Дмитрий Иванович

Технологическое обеспечение качества поверхностного слоя деталей машин с плазменными бронзовыми покрытиямиФедоров Владислав Анатольевич

Управление структурным и напряженным состоянием поверхностных слоев деталей машин при их упрочнении с использованием концентрированных источников нагрева и финишного шлифованияИванцивский, Владимир Владимирович

Технологическое обеспечение точности и качества поверхностного слоя деталей машин путем управления периодическими погрешностями обработки Прилуцкий Ванцетти Александрович

Повышение качества поверхностного слоя деталей машин путем управления параметрами термических циклов в технологических процессах комбинированной обработкиИванцивский, Владимир Владимирович

Технологическое обеспечение качества поверхностного слоя деталей машин на основе оценки его характеристик с применением теории фракталовГенералова, Александра Александровна

Теоретические и прикладные основы технологического обеспечения защиты от наводороживания поверхностных слоев деталей бытовых машин Пашковский Игорь Эдуардович

Математическое моделирование процесса течения высоковязких жидкостей с маловязким пристенным слоем в шнековых машинахШагарова Анжелика Анатольевна