Повышение надежности силовых установок сельскохозяйственных машин при эксплуатации применением металлоплакирующих присадок

Во введении обоснована актуальность темы, изложена общая
характеристика диссертационной работы, определена цель исследований,
выбраны методы исследований, раскрыта научная новизна и практическая
значимостьработы,структурадиссертации,сформулированынаучные
положения и результаты, выносимые на защиту.
В первой главе «Анализ состояния вопроса и задачи исследования»
представлены существующие теоретические основы трения и износа в узлах
трения. Рассмотрен механизм и роль присадок повышающих смазочную
способность масел при различных условиях трения.
Характер действия присадок, повышающих смазочную способность и
принципыподбораиметодыисследованияэтихвеществпри
полимолекулярной и мономолекулярной граничной смазке. Для решения
практических вопросов подбора присадок не обязательно испытывать их на
реальных механизмах, но важно учитывать толщину слоя масла между
деталями, температуру, скорость сдвига, механические и химические свойства
поверхности твердого тела и состав масла. При сложных режимах трения
может оказаться целесообразным, одновременно применять две или три
присадки с различными механизмами повышения смазочной способности.
Показаннедостаток поверхностно-активных веществ, как присадок
повышающих смазочную способность, заключающейся в том, что образуемые
имиграничные слои обладают низкой температурой «плавления». До
настоящего времени не известны соединения этого типа, которые образовали
бы на металлах граничные слои с температурой дезориентации выше 150°.
Между тем при значительных нагрузках и скоростях сдвига в зоне трения
нередко развиваются более высокие температуры. Вследствие этого граничный
слой смазки полностью или частично разрушается, и на трущейся поверхности
возникают зоны адгезии (сваривания) или заедания.
Наоснованиианализалитературныхисточниковотмечена
перспективность использования металлоплакирующей присадки для улучшения
триботехнических характеристик смазочных материалов.
Наоснованиивышеизложенногобылапоставленацельи
сформулированы основные задачи исследования.
Во второй главе представлен анализ влияния пленок мягких металлов
(ПММ)натрибологическиепроцессывзонахконтактаподвижных
сопряжений.
Если срезаемый металл имеет среднее сопротивление срезу или сдвигу,
то сила необходимая для среза или сдвига.
F=A·τсд
где А – реальная площадь контакта.

а)б)
в)
F=A·τсдF=A·τсдF=A·τсд
А – великоА – малоА и τсд – малы
τсд малоτсд – велико

1 – твердый металл; 2 – мягкий металл; 3 – пленка мягкого металла
Рисунок 1 – Зависимость силы трения от твердости металла.
Трение твердого металла по мягкому должно приводить к росту реальной
площади контакта (рисунок 1 -а). В этом случае должен срезаться более мягкий
металл, для которогоτсдимеет соответственно меньшую величину. Если
твердый металл скользит по твердому (рисунок 1 -б), то площадь реального
касания будет соответственно меньше, но сопротивление сразу больше. В
обоих случаях коэффициент трения будет достаточно высок. Если поверхность
более твердого металла покрыть тонкой пленкой более мягкого металла
(рисунок 1 -в), нагрузка через пленку будет восприниматься подложкой, т.е.
более твердым металлом, что приведет к снижению площади реального
контакта, а слой ПММ претерпевает пластический сдвиг. В этом случае
коэффициент трения определяется по формуле:

,

где τсд – сопротивление сдвигу материала ПММ ;
Рк – контактное давление.
Низкийкоэффициенттренияобеспечиваетсяблагодарянизкому
сопротивлениюсдвигу материала ПММималойвеличине площади
фактическогоконтакта,обусловленнойналичиеммалодеформированной
твердойосновы.Фактическаяплощадьопределяетсяпластической
деформацией наиболее высоких выступов металлической основы, которая течет
без нарушения сплошной пленки мягкого металла.
Знание интенсивности изнашивания деталей позволяет определить
долговечность работы пар трения. Линейная интенсивность изнашивания в
общем случае выражается отношением:

где R – величина (толщина) изношенного слоя (износ);
L- путь трения скольжения;
V- объем материала, удаленный в процессе изнашивания с поверхности
трения;
Aa- номинальная площадь касания.
Износ цилиндро-поршневой пары трения является одной из причин
выхода из строя ДВС. Скорость изнашивания гильз цилиндров и поршневых
колец зависит от напряженного состояния контактирующих тел, величины
смазочного слоя, физико-механических поверхностных процессов, наличия
защитных покрытий, уровня температуры и других факторов.
Структурная формула для определения интенсивности изнашивания
гильз цилиндров с антифрикционным ПММ:
где k – коэффициент, учитывающий особенности условий эксплуатации
ДВС и дополнительные неучтенные факторы, влияющие на износ;
xy , yy , zy , jy, φy, ψy , wy, y – показатели степени, определяемые
экспериментально.
Представлен анализ доступного сырья для синтеза органических
соединений способных образовывать комплексные соединения с ионами меди.
В качестве реагентов были выбраны: олеиновая кислота, аминоспирт.
Синтез присадки был реализован на лабораторной установке рисунок 2.
Технологияполучения
металлоплакирующей присадки (МПП):
1-й этап – в двухгорловую колбу (0,5 л)
загружали, предварительно взвешенные
реагенты: 1 моль олеиновой кислоты и 2
моля диэтаноломана. Включают нагрев и
магнитнуюмешалку,реакция

Рисунок 2 – Лабораторная установка для
поликонденсациипротекаетпо
синтеза лигандаследующей схеме:

В результате получается амид олеиновой кислоты с выходом продукта 95%
время реакции 3 часа.
2-й этап – после окончания конденсации воды выключают нагрев и в
реактор засыпают порошок меди, продолжая перемешивать до приобретения
реакционной массой темно-зеленого цвета (10-20 минут).
Полученный продукт является хелатным комплексом меди. Структурная
формула МПП имеет вид:

ONOH
O
(CH 2)7-CH=CH-(CH 2)7-CH 3
CH3-(CH 2)7-CH=CH-(CH 2)7Cu
O
NO
HO
Для оптимизации состава смазочной композиции использовалась машина
трения типа Амслер – «МИ». Для схемы трения – «колодка- ролик» реализовано
синхронное измерение скорости изнашивания и момента сил трения в течение
всего опыта без разъединения зоны трения.
Испытания проводились при нагрузке P 115,15 кгс и линейной скорости
скольжения V=0,37 м/c. В качестве образцов использовался раствор МПП в
моторном масле с различным содержанием меди
Результаты испытаний представлены в таблице 1.
Таблица 1- Антифрикционные и противоизносные свойства смазочной
композиции
КомпонентМПП, %МаслоСкоростьМоментКоэффициент
меди,И-20,изнашиваниятрениятрения (fтр)
масс.%масс.%(Vизн),(Мтр),
мкм/чкгс∙см
0010015,17,860,046
0,41584,68,74,150,037
0,81584,27,43,560,022
1,21583,86,92,890,021
1,61583,45,32,110,012
2,01583,06,12,170,017
2,41582,66,72,260,019

Результаты испытаний показали оптимальное содержание меди в МПП
1,6%, что позволило снизить скорость изнашивания в 2,9 раза.
Процесс плакирования медью поверхностей подвижных сопряжений
происходит в результате трибодеструкции хелатного комплекса на трущихся
поверхностях, восстановления ионов меди электронами атомов железа,
входящих в состав этих деталей, и последующего осаждения атомов меди на
этой поверхности с образованием сервовитной пленки.
В третьей главе «Программа и методики испытаний» описаны объекты
исследований, а также представлен алгоритм и программа исследований.

Рисунок 3 – Алгоритм исследования.
Программа исследования

Фрикционно-износные:Физико-химические:
– испытания эффективности МПП при- определение количества меди в
влиянии различных факторов (нормальнаякомплексном соединении;
нагрузка, температура, скорость);-оценка антикоррозионных свойств;
– определение оптимальной концентрации- влияние МПП на термоокислительную
МПП в составе базового масла.стабильность базового масла;
– оценка склонности МПП к образованию
высокотемпературных отложений.

Стендовые испытания:
– оценка влияния МПП на эксплуатационные характеристики силовой
установки;
– оценка загрязненности деталей силовой установки;
– анализ состояния поверхностей подвижных трибосопряжений;
– определение времени срабатывания МПП в составе базового масла при
эксплуатации силовой установки.

Рисунок 4 – Программа исследования
Представлены методики исследования на моторном стенде и обработки
результатов испытаний.
Описаны состав и характеристики испытательного оборудования и
средств измерений.
Приведена методика оценки состояния
деталейдвигателяпослеиспытаний,
включающая оценку:
– подвижность поршневых колец;
– степень загрязнения поршня нагаро- и
лакоотложениями.
Рисунок 5 – Стенд электротормозной с
индукторным тормозом FROUDEВчетвертойглаве«Результаты
AG150.экспериментальных исследований влияния
МПП на физико-химические свойства моторных масел и эксплуатационные
характеристики силовых установок» представлены результаты лабораторных и
стендовых исследований.
Результатыфрикционно-износныхсвойствсмазочнойкомпозиции
представлены на рисунках 6-9.
В качестве смазочной композиции было использовано моторное маслоЛукойл
Genesis 5W-30и металлоплакирующая присадка МПП. Базовое моторное
масло было использовано как контрольный образец.
Зонатрения(испытательныйконтакт)образованациклическими
поверхностями ролика Ст. 45 HRс 50 с R=35,0±0,1 мм и колодки, прошедшей
гомогенизацию с R=35,0±0,1 мм и габаритами (в плане) – 2,01 мм (вдоль
скольжения) и 7,27 мм (поперек скольжения), площадь зоны трения
S = 0,1461 см2. Ряд нормальных сил (Р): 73,15; 94,15; 115,15 кгс определен
экспериментально из условия гарантированного отсутствияпризнаков
заедания.
Частота вращения вала – 100 об/мин (линейная скорость – 0,37 м/сек)
выбирается экспериментально из условия гарантированного отсутствия
гидродинамического режима смазки.
Скорость изнашивания, Vизн,
Скорость изнашивания, V мкм/ч
234,1
200181,315014
79,9 28,131,433,6
122,7
мкм/ч

100I
0100
II71,428,1
29,7
73,15
94,15
115,1550
Нормальная сила, Р кгс
73,15
94,15
Рисунок 6 – Значение скорости изнашиванияРисунок 7 – Значение скорости изнашивания 115,15
колодки в зависимости от величины нормальнойот величины
колодки в зависимостиНормальная сила, Р кгс
силы при температуре смазочной среды 40оС: I -нормальной силы при температуре смазочной
контрольный образец, II- смазочная композиция.среды 105оС: I – контрольный образец, II-
смазочная композиция.

Рисунок 8 – Зависимость момента сил трения отРисунок 9 – Зависимость момента сил трения
величины нормальной силы при температуреот величины нормальной силы при
смазочной среды 40оС: I – смазочнаятемпературе 105оС I – смазочная композиция,
композиция., II- контрольный образецII- контрольный образец.

Определениекоррозионнойстойкостиметаллическихобразцов
обработанных смазочной композицией и базовым маслом определяли в
термовлагокамере Г-4 по ГОСТ 9.014-75. Эксперимент был остановлен после
34 цикла испытаний из-за отсутствия следов коррозии на обоих образцах.
Оценка влияния металлоплакирующей присадки на процесс окисления
моторногомаслапометодуВО-4.Методхарактеризуетуровень
антиокислительных свойств моторных масел и присадок. Сущность метода
заключается в окислении масел в лабораторной установке в присутствии
катализатора в течение 15 ч при температуре 180ºС и подаче воздуха 300
см3/мин с последующим определением изменения вязкости и фотометрического
коэффициента загрязненности масел.
Результаты оценки склонности масел к высокотемпературному окислению
представлены на рисунке 10.
Моторное масло с МПП имеет более
15,9высокуютермоокислительную
1512,6стабильность, о чем свидетельствует
уменьшениевязкостина3,3%.
Повышениетермоокислительной
стабильностиможнообъяснить
склонностьМППподавлять

Рисунок 10- Изменение вязкости моторногокаталитический эффект металлов.
масла (1) и моторного масла с МПП (2) за
время испытаний.Припроведениистендовых
испытаний на силовой установке (ДВС ВАЗ-21129) определялись следующие
характеристики: Мк – приведенный крутящий момент, Н.м ; Ne – приведённая
мощность, кВт; Gt – расход топлива, кг/ч; ge – удельный расход топлива, г
/кВт.ч.
Результаты представлены на рисунках 11, 12.

Рисунок 11 – Диаграмма изменения мощности и крутящего момента двигателя.
Крутящий момент (Мк) после добавления присадки в среднем увеличился на
0,33%.
Мощность (Ne) после добавления присадки в среднем увеличилась на 1,5%.
Рисунок 12 – Удельный расход топлива (ge)
Удельный расход топлива (ge) снизился на 3,15 %
Таблица 2 – Замер компрессии на протяжении испытаний
Компрессия (кг/см2)
Время (ч)
1 цилиндр2 цилиндр3 цилиндр4 цилиндр
Без добавления присадки15,815,315,515,5
015,715,515,515,5
5016,315,815,715,7
10015,915,815,815,7
Таблица 3 – Изменение содержания СО, СН и NOx в отработавших газах на
режиме n = 2800 мин – 1 и Мк = 60 Нм при испытаниях
До испытаний
Время (ч)После 5 ч.После 50 ч.После 100 ч.
присадки
Концентрации после нейтрализатора
СО (%)0,145±0,0150,143±0,0150,144±0,0150,151±0,015
СН (млн –1)121±10,0124±10,0130±10,0133±10,0
NOx (млн –1)165±15,0171±15,0173±15175±15

Выбросы вредных веществ в отработавших газах двигателя за период
испытаний изменились незначительно (разница значений в начале и конце
испытаний сопоставима с погрешностью определения) в пределах (1%).
Таблица 4 – Изменение содержания СО, СН, NOx в отработавших газах на
режиме n =4200 мин –1 и Мк = 90 Н·м при испытаниях
До испытаний
Время, чПосле 5 ч.После 50 ч.После 100 ч.
присадки
Концентрации после нейтрализатора
СО (%)0,755±0,1200,725±0,1200,767±0,1200,780±0,120
СН (млн –1)160±25159±25175±25187±25
NOx (млн –1)323±25320±25328±305340±25
Таблица 5- Изменение содержания СО, СН, NOx в отработавших газах на
режиме n =5000 мин –1 и Мк = 60 Нм при испытаниях
До испытаний
Время (ч)После 5 ч.После 50 ч.После 100 ч.
присадки
Концентрации после нейтрализатора
СО (%)0,825±0,1200,865±0,1200,876±0,1200,915±0,120
СН (млн –1)471±30,0470±30,0480±30,0490±30,0
NOx (млн –1)300±15,0280±15,0281±15,0286±15,0

Выбросы вредных веществ в отработавших газах двигателя за период
испытаний изменились незначительно: СО – 1,4%; CH – 1,5%; NOx – 4%.
Двигатель работал устойчиво, его параметры оставались стабильными на
протяжении практически всего периода испытаний.
При осмотре двигателей после испытаний в течение 100 ч на бензине
установлено, что дефекты (задиры, надиры, царапины и др.) на деталях
отсутствуют.Общая загрязненность двигателей (поддон, головка и др.)
отложениями нагаров, лаков и шламов, одинакова.

Состояние стенок блока цилиндровСостояние стенок блока цилиндров
двигателя до начала испытанийдвигателя после испытаний
Рисунок 13 – Внешний вид стенок блока цилиндров двигателя
В пятой главе «Практические рекомендации по применению результатов
исследований и технико-экономическая оценка» представлено устройство для
легирования моторного масла ионами меди.
В предлагаемом устройстве в смазочную композицию, состоящую из
диэтаноламида олеиновой кислоты и смазывающего масла, погружают щуп с
надетым на его конец медной трубкой, которая закрепляется винтом.
Компонент меди в процессе эксплуатации постепенно растворяется в
смазочной композиции и образуется хелатный комплекс.
Устройство может использоваться в различных узлах трения, а именно
в системах подачи смазки в зоны контакта пар трения для уменьшения
износа трущихся поверхностей деталей, в различных режимах и, как
следствие,повышениянадежностимашинидостижениявысоких
экономических показателей.
Схема узла трения: картер-1, поршень-2,
впускнойклапан-3,свечазажигания-4,
выпускнойклапан-5,цилиндр-6,шатун-7,
кривошип-8, поддон-9, щуп-10, медная трубка-
11, винт крепления -12, смазочная композиция –
13.
Дляоптимизациигеометрических
параметровустройствабылпроведен
эксперимент.
В качестве медных элементов были использованы
медные пластины размером 50х50х1,5 мм.
Смазочнаякомпозицияпредставляласобой
Рисунок 14 – Устройство дляраствор лиганда (амид жирной кислоты) в
легирования моторного масла
медьсодержащимимоторном масле при соотношении в масс.%:
элементами
Образец № 1 – 5:95; Образец № 2 – 10:90;
Образец № 3 – 15:85; Образец № 4 – 20:80; Образец № 5 – 25:75; Контрольный
образец 0:100.
Смазочные композиции были приготовлены в количестве 100 мл, которые
были залиты в бюретки для размещения медных образцов.
Образцы размещены в вытяжном шкафу и выдерживались при комнатной
температуре (~20оС) в течение 42 суток. В первые часы эксперимента
смазочная композиция с содержанием лиганда начала приобретать сине-
зеленый цвет, причем интенсивность увеличивалась с ростом концентрации
лиганда.
Извлеченные медные образцы были промыты в неполярном растворителе
и после сушки в термокамере взвешивались на электронных весах, взвешивание
также производилось перед помещением их в смазочную среду.
Полученные результаты представлены в таблице 6 и на рисунке 16.
Таблица 6 – Результаты исследования влияния концентрации лиганда в
моторном масле на скорость растворения меди
КонцентрацияВес меднойВес меднойИзменениеСкорость
лиганда впластины допластинымассыкомплексообразования,
масле, %испытаний, гпослепластин, гг/м2сут
испытаний, г
022,3355—
521,709020,85940,08490,4043
1021,677321,56140,11590,5519
1522,525122,34170,18340,8733
2021,458821,24750,21131,0062
2521,587821,32610,26171,2462
Таким образом, при фиксированном
m, г

2,5
значении площади поверхности образца
1,5итемпературысредыкинетика
0,5
комплексообразованиязависитот
0концентрации лиганда в смазочной
510152025
среде.
С, %
Рисунок 15 – Результаты исследования
Дляопределенияэффективности
влияния концентрации лиганда в моторномсмазочныхкомпозицийвсиловых
масле на скорость растворения меди
установкахивлиянияихна
износостойкость деталей сопряжений приведены сравнительные испытания.
На рисунке 16,17 приведены результаты сравнительных испытаний.
10,8

Износ I, мг
0,5
0,50,10,1 0,1
00,14 0,2
РиМЕТ
650 750МПП
850 950
1050 1150

Нагрузка, N

Рисунок 16 – Зависимость износа ролика (сталь 45) в смазочной среде с
медьсодержащими присадками.

а)

б)
Рисунок 17 – Коррозионная стойкость образцов в смазочных средах
а) 10% й раствор соли двухвалентной меди олеиновой кислоты в базовом масле;
б) 10% й раствор хелатного комплекса меди.
Экономический эффект применения МПП определялся по формуле:

Где C1, C2 – стоимость ремонта силовой установки соответственно и с
использованием МПП;

– удельные капитальные вложения на приобретение
технологического оборудования по базовому и новому вариантам;
P1 ,P2–величиныобратныесрокамслужбысиловыхустановок
отремонтированных силовых установок по базовому варианту и с применением
МПП;
En =0,5 – нормативный коэффициент эффективности капитальных вложений;
At – количество силовых установок.
Учитывая что значения C1~C2 отличаются незначительно, то экономический
эффект увеличится за счет уменьшения интенсивности износа от применения
МПП и как следствие уменьшение затрат на техническое обслуживание и
ремонт.
Заключение
1. Проведен анализ надежности силовых установок сельскохозяйственных
машин и факторов, влияющих на интенсивность износа деталей узлов трения в
условиях сельскохозяйственного производства.
2. По результатам научно-теоретических исследований и анализа механизма
избирательного переноса при трении разработаны требования к новым
высокоэффективным металлоплакирующим присадкам.
3. Осуществлен выбор доступного сырья для синтеза маслорастворимых
органических соединений вступающих в химическую связь с ионами меди и
образующими хелатные комплексы.
4.Разработанатехнологияполученияметаллоплакирующейприсадки,
определена оптимальная концентрация присадки в моторном топливе (при
пересчете на количество меди 0,02÷0,06 масс.%).
5. Выбрана программа и методики исследований позволяющие определить
эффективность металлоплакирующей присадки и оценить ее влияние на
физико-химическиесвойствабазовогомоторногомаславпроцессе
эксплуатации.
6. Лабораторные испытания на образцах из стали Ст.45 показали при
незначительном уменьшении момента трения уменьшение износа в 3-7 раз.
7. Сравнительные испытания физико-химических и эксплуатационных свойств
смазочной композиции (базовое моторное масло с МПП) показали, что
присадка не ухудшает свойств, а в отдельных случаях улучшает:
– коррозионная стойкость стали на уровне базового моторного масла;
– термоокислительная стабильность смазочной композиции выше моторного
масла (уменьшение вязкости на 3,3%).
8. Стендовые испытания позволили оценить влияние металлоплакирующей
присадки на эксплуатационные характеристики силовой установки:
– крутящий момент увеличился на 0,33%;
– удельный расход снизился на 3,15%;
– расход топлива снизился на 3,0%;
– выбросы вредных веществ в отработавших газах уменьшились СО на 1,4%,
СН на 1,5%, NOx на 4%;
– компрессия во всех цилиндрах увеличилась в среднем на 0,275 кг/см2.
Оценка состояния деталей двигателя после испытаний показала отсутствие
задиров и незначительное снижение нагарообразования.
9. Разработана технология и создана экспериментальная установка для
обогащения моторного масла легирующими элементами меди в процессе
эксплуатации.
10. Лабораторные и стендовые испытания разработанной металлоплакирующей
присадки показали их эффективность по сравнению с серийно-выпускаемыми
(уменьшение интенсивности износа по сравнению с РиМЕТ в 5÷8 раз), что
позволяет рекомендовать ее к использованию в узлах трения различных машин
и оборудования.