Прогнозирование фрикционно-износных и эксплуатационных характеристик узлов трения использованием физического моделирования

Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы,
изложена научная новизна, практическая значимость работы и основные положения, выносимые на защиту.
В первой главе представлены теоретические основы трения, износа и смазки в узлах трения машин и механизмов.
Изучением механизма трения и износа, и созданием науки трибологии занимались такие ученые как: А.С. Ахматов; М.В. Райко; К.И. Климов; Г.И. Кличкин; П.А. Ребиндер; М.М. Хрущов; И.В. Крагельский; Б.И. Костецкий; П.Е. Дьяченко; А.А. Липгарт; Б.Я. Гинцбург и др.
Отмечено что одним из направлений повышения износостойкости узлов трения и улучшения их эксплуатационных характеристик является введение в смазочное масло присадок способствующих улучшению условий смазывания.
Как показал анализ, наиболее перспективными на рынке показали себя три группы присадок:
1. Металлоплакирующие – мелкодисперсные порошки или ионы пластичных металлов (медь, олово, цинк, свинец).
2. Маслорастворимые органические соединения с углеводородным радикалом.
3. Органические соединения с фторуглеродным радикалом не растворимые в масле (с маслом образуют эмульсию).
Наряду с положительными моментами металлоплакирующие присадки имеют ограничение в применении, так мелкодисперсная фракция может быть применена только в трансмиссии. Только в трансмиссии, могут быть созданы условия для адгезии мелкодисперсных частиц. В случае применения масел с ионами меди для двигателей, образуется медная пленка вызывающая электрохимическую коррозию.
ПАВ с углеводородным радикалом позволяют влиять не на все виды смазки, только в режиме граничного трения. Следовательно, в режиме
эксплуатации ожидать улучшения эксплуатационных характеристик не приходится.
Особенность имеют ПАВ с фторуглеродным радикалом, за счет придания поверхности лиофобных свойств удается уменьшить гидродинамическое трение, т.е. уменьшить внутреннее трение. Это свойство позволяет улучшать такие характеристики, как удельный расход топлива, мощность, холодный пуск и т.д.
Поэтому задачей данной работы является разработка универсальной присадки к смазочным материалам, позволяющей улучшить как фрикционно- износные, так и эксплуатационные характеристики узлов трения. А также провести оценку эффективности антифрикционной присадки (АП) в режиме эксплуатационных испытаний.
Обзор и анализ доступных литературных источников позволяет поставить следующие задачи:
1. Проанализировать работу трибосопряжений силовых установок и передач в условиях эксплуатации.
2. Провести анализ поверхностно-активных веществ и разработать антифрикционную присадку, позволяющую уменьшать гидродинамическое трение и трение при граничной смазке.
3. Разработать модель исследований для стендовых испытаний, позволяющую учитывать нагрузочные режимы и факторы внешней среды при движении ТС.
4. Разработать физическую модель определения фрикционно-износных характеристик узлов трения с использованием законов подобия, учитывающих процессы контактного взаимодействия твердых тел.
5. Провести анализ полученных результатов исследований и разработать рекомендации по практическому применению присадки в различных узлах трения.
Во второй главе представлены теоретические предпосылки использования в качестве эффективных антифрикционных присадок к смазочным маслам поверхностно-активных веществ (ПАВ).
Образовавшаяся на поверхностях трибосопряжений пленка фтор- ПАВ придает им гидро- и олеофобные свойства. Данные свойства приводят к тому, что граничные слои масла «проскальзывают» на поверхностях трибосопряжений. В результате уменьшается гидродинамическое трение за счет уменьшения градиента скорости. Механизм снижения гидродинамического трения в трибосопряжениях приведен на рисунке 1.
Рисунок 1 – Механизм снижения гидродинамического трения
в трибосопряжениях
ВВ- подвижный элемент сопряжения; АА – неподвижный элемент сопряжения;
V – относительная скорость движения элементов сопряжения; – толщина элементарного слоя смазочного материала, между которыми при наличии градиента скорости возникает внутреннее трение; – скорость i-го слоя; Н – толщина слоя смазочного материала; – мнимая высота слоя смазки.
В формуле определяющей силу гидродинамического трения значение
градиента скорости принимает меньшее значение: > , что приводит к
уменьшению гидродинамического трения.
Таким образом, применение фтор-ПАВ позволяет улучшить
эксплуатационные характеристики силовых установок (мощность, удельный расход топлива и т.д.) за счет уменьшения гидродинамического трения.
Однако полученные поверхностью сопряжений олеофобные свойства
снижают эффективность смазочного масла при граничном трении. 9

Для получения маслорастворимого ПАВ перфторированную карбоновую кислоту смешивают с первичным алифатическим амином в эквимолярном соотношении (1:1). При этом происходит перенос протона из карбоксильной группы кислоты на свободную пару электронов азота амино-группы. В результате образуется соль, в которой аммониевый катион связан с анионом кислотного остатка посредством ионной связи:
n = 1-3; m = 10-24
В результате образуется гибридная молекула с углеводородным и
фторуглеродным радикалом. Полученные ПАВ позволяют получить на поверхности трения молекулярную пленку решающую компромиссную задачу по уменьшению гидродинамического трения и трения при граничной смазке.
Для прогнозирования эксплуатационных характеристик узлов трения с применением антифрикционной присадки разработана модель исследования (рисунок 2).
Модель исследования для определения эксплуатационных характеристик силовой установки формирует базу данных, позволяющую воспроизвести на стенде процесс эксплуатационных испытаний с учетом нагрузочных режимов и факторов внешней среды.
Измерительная система включает в себя блок сбора и записи данных, антенну для установки связи со спутниками GPS или ГЛОНАСС.
Измерительная система посредством связи со спутниками GPS или ГЛОНАСС производит сбор и последующую запись данных о пути, пройденном ТС, времени движения, а также скорости.
Влияние сопротивления качения и аэродинамического сопротивления для стендовых испытаний определялось по выбегу ТС на динамометрической дороге Центра испытаний «НАМИ».
Объект испытаний
Измерительная система (Racelogic VBOX 3i)
Система обработки данных
Формирование базы данных
Рис. 1. Модель сбора и обработки информации для формирования исходных данных для испытательного стенда
Рисунок 2 – Модель исследования, формирующая базу данных для стендовых испытаний.
Определение фрикционно-износных характеристик, осуществляется в два этапа:
1. Измерение температуры в узлах трения силовой передачи (СП) при различных режимах эксплуатации и формирование базы данных (рисунок 3).
2. Физическое моделирование пары трения СП для определения триботехнических характеристик: коэффициента трения и износа. Пара трения моделируется с использованием законов подобия и процесс реализуется на машине трения.
Измерение температуры осуществляется посредством термопар (ТП), закрепляемых на корпусе заднего редуктора. Сигнал с ТП поступает на
аналого-цифровой
Блок управления двигателем
Испытательный стенд
Задний редуктор
ТП1 … ТП2 …
… ТПn
CAN
Аналого-цифровой преобразователь
CAN
Система сбора данных
LAN
ЭВМ
(АЦП), преобразование
преобразователь
выполняющий
входного сигнала в дискретный код.
Оцифрованный сигнал с АЦП поступает на систему сбора данных IMC CRONOSflex CRFX- 400, производящей хранение и передачу данных на ЭВМ в режиме реального времени по LAN, либо с помощью флеш
IMC Studio IMC FAMOS
Функциональные зависимости изменения температуры от режима движения
Рис. 2. Модель измерения температуры в трибосопряжении при различных Рисунок 3 – Модель исследований для
режимах эксплуатации (ТПn – термопара, где n = 10 – количество термопар) регистрации объемных температур в различных
точках СП при эксплуатационных испытаниях (ТПn – термопара, где n = 10 – количество термопар)
Diadem National Instruments
Визуализированная информация о распределении температуры в различных точках трибосопряжения
накопителя.
Полученные таким методом данные используются также для построения
3D модели изменения температур в СП на различных режимах эксплуатации ТС, посредством программы Diadem National Instruments. Результатом является визуализированная 3D модель изменения температуры в СП, позволяющая анализировать распределение температурных полей в объеме трибосистемы.
В физической модели использовался критерий подобия – равенство отношений номинальных площадей трения к характерному размеру трения для оригинала и модели:
где , – номинальные площади трения оригинального и моделируемого сопряжения соответственно;
, – характерные размеры* элементов оригинальной и моделируемой пары
трения.
* – отношение площади свободной (не находящейся в контакте) поверхности элементов пары трения к его объему.
Определение триботехнчиеских характеристик при заданных значениях температур осуществлялось на машине трения (схема пары трения диск- колодка).
В третьей главе «Программа и методики проведения исследований» представлена программа исследований. Методика определения износа и триботехнических характеристик с использованием машины трения ИИ 5018. Приведено лабораторное оборудование с описанием его технических характеристик, используемое при проведении научных исследований в рамках выполняемой диссертационной работы. Методика оценки влияния антифрикционной присадки на экологические, экономические, мощностные, динамические и пусковые показатели силовых установок представлена в главе с детальной проработкой этапов испытаний: подготовка объекта к испытаниям,
12

проведением и обработкой результатов на моторном динамическом стенде и стенде с беговыми барабанами.
Рисунок 4 – Внешний вид двигателя на моторном стенде
моторном стенде в ходе испытаний представлен на рисунке 4.
Значения показателей двигателя после наработки 5, 50, 100 часов приведены в таблице 1 и на рисунке 5.
После применения присадки при работе двигателя с полностью открытым дросселем по внешней скоростной характеристике зафиксировано:
– увеличение крутящего момента (Мk) в среднем на 4,1%;
– увеличение мощности (Ne) в среднем на 3,0%;
– снижение удельного расхода топлива (ge) в среднем на 3%.
После пятидесятичасовых испытаний значения Мk, Ne, ge изменились на 1,6%; 0,6; 0,6% соответственно и наблюдалась стабилизация результатов до 100-часовых испытаний.
Расход топлива (G цикл) за цикл, имитирующий характерный режим эксплуатации продолжительностью 1 час при добавлении АП в масло в среднем снизился на 5,6% относительно расхода топлива за цикл, полученного за период испытаний двигателя с базовым моторным маслом.
В четвертой главе «Результаты исследований и их анализ».
Представлены результаты
влияния
присадки на
мощностные
показатели силовых установок. В качестве объекта испытаний был использован двигатель ВАЗ-11194 No 000094 в комплектации «ЕВРО- 5». Внешний вид двигателя на
антифрикционной экономические, и экологические

Рисунок 5 – Графики изменения крутящего момента (МК), мощности (Ne), и удельного расхода топлива (ge)
Таблица 1 – Изменение содержания СО, СН, NOx, СО2 в отработавших газах измеренное в наиболее характерных режимах работы двигателя (n = 2800 мин – 1 , Мк = 60 Нм, и n = 4200мин – 1 и Мк = 90 Нм)
Этап испытаний
Без присадки
После 5 ч
С присадкой После 50 ч После 100 ч
Концентрации выбросов вредных веществ после нейтрализатора
СО2, %
8,1
7,7
7,8
7,9
СО, %
0,105 0,098 0,104 0,110
СН, млн –1
87 85 86 82
NOx, млн –1
112
110
105
108
После применения антифрикционной присадки зафиксировано снижение выбросов диоксида углерода (СО2) в отработавших газах на величину до 5 %.
Оценка влияния присадки на состояние двигателей двигателя состоит в определении степени загрязнения поршней (таблица 2).
Таблица 2 – Оценка загрязненности поршней в баллах после испытаний двигателя
Подвижность поршневых колец
Поршень 1 Поршень 2 Поршень 3 Поршень 4 Среднее 00000
1 0,3 0,4 0,5
0,4 0,4 0,3 0,3 0,3 0,3 0,3 0,4 0,3 0,3 0,2 0,2
Канавки 2
3 0,3
0,3 0,3 0,4 0,3 0,3
Перемычки
1 0,3
2 0,3
0,3 0,6
0,3 0,3 0,2 0,2 0,2
Донышко
Результаты оценки загрязненности поршней (в баллах) показали низкое
нагарообразование на поверхностях поршней 0,3 балла по 10 бальной шкале в соответствии с методикой СТО 31697153 ААИ 004-2019.
Результаты испытаний ТС на стенде с беговыми барабанами с добавлением антифрикционной присадки в моторное масло и масло трансмиссии представлены в таблицах 3,4.
Таблица 3 –
Без присадки
С присадкой
Изменение, %*
Сравнение результатов испытаний ТС по оценке динамики разгона
Среднее время разгона, с
(V нач. = 80 км/ч – V кон. = 130 км/ч)
29,34 28,53 -2,8
*- «+» – увеличение, «-» – снижение
Таблица 4 – Результаты испытаний СУ при отрицательных температурах
Наличие присадки
Температурный режим / Длительность охлаждения ТС -25° С / 24 часа -30° С / 24 часа -35° С / 6 часов
Примечание
Без присадки
«+»
«-»
«-»
100%
заряд аккумуляторной батареи
С присадкой
«+»
«+»
«+»
100%
заряд аккумуляторной батареи
* – «+» – двигатель завелся, результат положительный * – «-» – двигатель не завелся.
Испытания влияния антифрикционной присадки на температурные режимы силовой передачи проводились на прототипе транспортного средства 412301ПТ-АС.
Результаты испытаний приведены на рисунках 6-7 и в таблице 5.
Рисунок 6 – Термоудар. Масло по КД. Максимально достигнутая температура масла – 95,4 °С
Рисунок 7 – Термоудар. Масло с присадкой.Максимально достигнутая температура масла – 87,6 °С
Рисунок 8 – Распределение температуры в СП (Тест на динамометрической дороге до стабилизации температур. Масло с присадкой)
Таблица 5 – Результаты испытаний влияния АП на температурные режимы
Режим испытаний
Динамометрическая дорога
Горная дорога Термоудар
главной передачи в составе автомобиля
Максимально достигнутая температура масла, °С
Изменение температуры, %*
-7,4
-8,6 -8,2
Масло без присадки
92,1
86,8
Масло
с присадкой
85,3
79,3 87,6
95,4 *- «+» – увеличение, «-» – снижение
16

Результаты испытаний, представленные в таблице 5 (температура масла в трибосистеме) позволяют определить фрикционно-износные характеристики деталей пар трения. Для чего используется критерий подобия, в нашем случае – равенство отношений номинальных площадей к характерному размеру элементов пары трения модели и оригинала. С учетом этого критерия были изготовлены пара трения диск-колодка. Испытания проводились на машине трения, где пара трения помещалась в смазочную среду. В качестве смазочной среды использовали масло Mobilube 1 SHC 7590 и композицию масла с АП (0,5%). Эксперимент заключался в приложении нормальных сил и фиксацией температуры.
Результаты испытаний представлены в таблицах 6 и 7
Таблица 6 – Значение фрикционно-износных характеристик при использовании штатного масла в узле трения
Трибол.
п показатели
No опыта
Нормальная сила, КГС
Температура, оС
Скорость изнашивания, Мкм/ч
Момент трения кгс·см
Коэффициент трения
1 94,15 99,8 186,2 2 105,15 98,3 238,2 3 94,15 97,9 170,5
Среднее значение 97,8 98,7 198,3
46,03 0,148 56,04 0,159 44,03 0,146
48,7 0,151
Таблица 7 – Значение фрикционно-износных характеристик при использовании АП в составе смазочной среды в узле трения
Трибол.
п показатели
No опыта
Нормальная сила, КГС
Температура, оС
Скорость изнашивания, Мкм/ч
Момент трения кгс·см
Коэффициент трения
2
3 Среднее значение
94,15 79,4 94,15 78,8 94,15 81,0 94,15 79,7
35,5 46,03 30,5 44,03 30,7 44,03 32,2 44,7
0,140 0,134 0,134 0,136
В пятой главе «Практическая реализация результатов исследования и технико-экономической эффективности и экологической безопасности» представлена технология безразбоной обработки подвижных сопряжений узлов трения разработанным АС (присадкой).
Обработка проводится с использованием установки для подачи жидкости под давлением. Схема установки приведена на рисунке 9.
Для оценки эффективности безразборной технологии обработки узлов трения (СП) были проведены испытания по оценке влияния АС на температурные режимы.
Рисунок 9 – Схема установки для безразборной обработки узлов трения АС На рисунках10 – 11 и в таблице 8 представлены результаты испытаний.
Рисунок 10 – График изменения Рисунок 11 – График изменения температуры масла в ГПЗ температур масла с АП в ГПЗ
Таблица 8 – Результаты испытаний
Максимально достигнутая температура масла, °С
Изменение температуры масла, оС (%*)
Δ 4,5 (- 3,92) Δ 9,2 (- 7,48) Δ 9,9 (- 7,69) Δ 12,2 (- 8,73) Δ 12,3 (- 8,79)
Скорость, км/ч
до применения антифрикционного состава
после применения антифрикционного состава 110,2
113,8 118,8 127,5 127,7
100 114,7 110 123 120 128,7 130 139,7 140 140
* «+» – увеличение, «-» – снижение
Результаты сравнительных испытаний показали, что обработка антифрикционным составом поверхностей деталей ГПЗ обеспечивает снижение максимальной температуры нагрева масла в ГПЗ на величину до 8,79% и значительное увеличение запаса хода ТС на постоянной скорости 140 км/ч до достижения критической температуры масла.
Величина экологического ущерба, причиняемого газами ДВС, при снижении 1 кг топлива, рассчитывается по формуле:
у=γ·σ·ƒ ·М·В
где γ – размерный коэффициент (руб/усл.т);
σ – 4…8 – показатель относительной опасности загрязнения атмосферного
воздуха над различными территориями;
ƒ – коэффициент, учитывающий рассеивание примесей в атмосфере;
В общем случае определяемый многими факторами: высотой источника
рассеивания, температурным градиентом, скоростью ветра (для выбросов автотракторной техники рекомендуется применять равным 10).
М – приведенная масса выброса в атмосферу загрязнений от сжатия топлива, у.т./кг;
В – выброс токсичного компонента в год, т;
М=
где – показатель относительной агрессивности загрязнения i-го
компонента ( =1);
– количество загрязняющих веществ, учитываемых при расчете;
– удельный выброс i-го загрязнения, г/кг топлива.
Применение АП в составе масла позволило снизить выбросы СО2 на 5,0%.
Ущерб по вредным выбросам (при условии расхода 12 т топлива на одно транспортное средство) составит в год :
= 47923,2 руб
Так как применение АП позволило снизить выбросы на 5,0%, то снижение экологического ущерба составит: ЭСО2 = 2718,5 руб. на одно транспортное средство в год соответственно.
19

Экономическая эффективность применения АП оценивалась сравнительными годовыми показателями потребления топлива.
Расход топлива оценивался с использованием норм расхода на единицу рабочего времени транспортного средства.
Экономия средств затраченных на топливо определялась для предприятия АРК ПАО «Зеленоградское» Московской области.
Затраты на топливо для всего автотракторного парка в год составляют 12348200 руб. Применение АП в качестве добавки в моторное масло позволяет снизить в среднем расход на 5,6%, поэтому годовая экономия составит 592713,6 руб.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
1. Проведен анализ факторов влияющих на надежность силовых установок и передач в условиях сельскохозяйственного производства. Отмечены основные направления улучшения фрикционно-износных и эксплуатационных характеристик трибосистем.
2. Разработана рецептура антифрикционной присадки, представляющая собой поверхностно-активное вещество гибридного строения. Наличие углеводородного и фторуглеродного радикала в структурной формуле позволяет уменьшить гидродинамическое и граничное трение.
3. Разработаны модель исследований, формирующая базы данных для стендовых испытаний, позволяющая учитывать нагрузочные режимы и факторы внешней среды при движении транспортного средства, а также физическая модель определения фрикционно-износных характеристик узлов трения с использованием законов подобия, учитывающих процессы контактного взаимодействия твердых тел.
4. По результатам испытаний двигателя на моторном стенде при добавлении антифрикционной присадки в моторное масло выявлено:
– увеличение крутящего момента (Мk) в среднем на 4,1%;
– увеличение мощности (Ne) в среднем на 3,0%;
– снижение удельного расхода топлива (ge) в среднем на 3%;
– снижение расхода топлива за цикл, имитирующий наиболее характерный режим работы ДВС в условиях реальной эксплуатации составило 5,6% (в среднем 0,67 кг/ч для испытанного ДВС) относительно расхода топлива за цикл, полученного за период испытаний двигателя с базовым моторным маслом;
– снижение выбросов диоксида углерода (СО2) в отработавших газах на величину до 5 %;
– двигатель на моторном масле с добавлением антифрикционной присадки работает устойчиво, его параметры оставались стабильными на протяжении всего периода испытаний.
5. Количество отложений в камерах сгорания цилиндров и на клапанах
составило:
– суммарное значение для камер сгорания – 3,818 г;
– среднее значение для впускных клапанов – 0,0465 г.
Полученные результаты характерны для двигателя, имеющего незначительный пробег и позволяют сделать однозначный вывод об отсутствие негативного влияния антифрикционной присадки на детали цилиндро- поршневой группы.
6. По результатам испытаний ТС на стенде с беговыми барабанами и климатической камере исследования показали:
– улучшение динамических качеств ТС, снижение времени разгона в диапазоне скоростей 80-130 км/ч на 2,8%;
– зафиксировано улучшение пусковых качеств двигателя при отрицательных температурах включая «- 35оС» (запуск с первой попытки).
7. Введение АП в масло ГПЗ оказало положительный эффект на температурные характеристики – снижение максимальной температуры нагрева до 7,4%.
8. Износ сопряжений на машине трения показал снижение момента трения в 1,1 раза и скорости изнашивания в 6,2 раза.
9. Предложенная технология обработки поверхностей пар трения АС с помощью установки обеспечила снижение температуры нагрева масла в ГПЗ до 8,8% при значительном увеличении запаса хода ТС на постоянной скорости 140 км/ч до достижения критической температуры масла в трибосистеме.
10. Применение результатов исследований дало положительный экологический и экономический эффект:
– снижение ущерба по вредным выбросам на одно ТС в год составило по СО2 на 54372,1 руб;
– расчеты по предприятию АПК ПАО «Зеленоградское» Московской области показали ожидаемую экономию средств на приобретение топлива в размере 592713,6 руб/год на весь автотракторный парк.