Санкт-Петербургский политехнический
университет Петра Великого (СПбПУ)



Научно-исследовательская работа


«Лабораторные исследования триботехнических
свойств жидких и пластичных смазочных композиций,
содержащих триботехнический состав «TRENOL»


Отсканированный оригинал отчета (28 стр.) в формате PDF (26 Mb)


Исполнитель:
А.Д.Бреки, к.т.н., заведующий лабораторией
по основам трения и смазки СПбПУ,
доцент кафедры «Машиноведение
и основы конструирования» СПбПУ,
старший научный сотрудник
лаборатории «Механика
управляемых систем» ИПМаш РАН.


Содержание


1. Смазочное масло для исследования свойств триботехнического состава «TRENOL»

2. Исследование противоизносных свойств смазочных композиций с составом «TRENOL» в условиях трения скольжения по круговой траектории

3. Противоизносные свойства смазочных композиций на основе масла МС-20 с составом «TRENOL» в соответствии с ГОСТ9490-75

4. Оценка противоизносных свойств и предельной нагрузочной способности смазочного слоя смазочной композиции на основе пластичного смазочного материала

5. Заключение

6. Список литературы



Реферат

10 источников, 19 ил., 4 табл.

ТРИБОТЕХНИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ, ТРЕНИЕ, ИЗНОС, СМАЗОЧНОЕ МАСЛО, ВОССТАНОВЛЕНИЕ, ЧЕТЫРЁХШАРИКОВАЯ МАШИНА ТРЕНИЯ, ТРИБОТЕХНИЧЕСКИЙ СОСТАВ TRENOL.

Цель НИР – оценка триботехнических свойств жидких и пластичных смазочных композиций, содержащих триботехнический состав «TRENOL», предназначенный для восстановления ответственных узлов трения машин.

Задачи НИР:

1) разработка методик сравнительных исследований триботехнических характеристик смазочных композиций, содержащих состав «TRENOL», в лабораторных условиях;
2) исследование противоизносных свойств смазочных композиций, содержащих триботехнический состав «TRENOL», в условиях трения скольжения по круговой траектории;
3) исследование противоизносных свойств смазочных композиций, содержащих состав «TRENOL» в соответствии с ГОСТ9490-75 «Материалы смазочные жидкие и пластичные. Метод определения трибологических характеристик на четырехшариковой машине»;
4) оценка предельной нагрузочной способности смазочного слоя смазочных композиций, содержащих состав «TRENOL» в условиях кратковременных испытаний при больших нагрузках;

В результате проведенных работ были получены следующие результаты:



1. Смазочное масло для исследования
свойств триботехнического состава «TRENOL»

Вернуться к оглавлению

В качестве дисперсионной среды для экспериментальных исследований триботехнического состава «TRENOL» выбрано авиационное масло МС-20.

Стабильность против окисления нефтяного масла МС-20 при хранении поддерживается за счёт значительного количества естественных ингибиторов, которые не могут быть деактивированы небольшим количеством кислорода, растворённого в масле [1]. Данное свойство способствует повышению чистоты экспериментальных исследований различной направленности.

МС-20 является авиационным маслом селективной очистки, которое вырабатывается из малосернистых парафиновых и беспарафиновых нефтей.

По физико-химическим показателям МС-20 должно соответствовать требованиям и нормам, указанным в табл.3.1 [2].

Таблица 1
Таблица 1.

График зависимости вязкости МС-20 от температуры, построенный в логарифмических координатах с использованием эмпирического уравнения Уббелоде - Вальтера [8, 9, 10], показан на рис.1, а. График зависимости относительной вязкости МС-20 от давления, в логарифмических координатах с использованием уравнения Баруса [8], показан на рис.1, б.

Рис.1. Зависимость вязкости масла МС-20 от температуры и относительной вязкости МС-20 от давления
Рис.1. Зависимость вязкости масла МС-20 от температуры (а)
и относительной вязкости МС-20 от давления (б) [8]

В качестве наполнителя для данного смазочного масла использовали только препарат «TRENOL» в концентрациях: 1%, 2%, 3% и 6%.



2. Исследование противоизносных свойств смазочных композиций с составом «TRENOL» в условиях трения скольжения по круговой траектории

Вернуться к оглавлению

Для реализациисравнительного исследования противоизносных свойств смазочных композиций с составом «TRENOL»в условиях трения скольжения по круговой траектории была использована универсальная машина трения 2070 СМТ-1 (рис.2, а). Данная установка позволяет проводить испытания по различным схемам: «ролик – ролик», «шар – ролик», «колодка – ролик», «вал – втулка», а при наличии дополнительных приспособлений возможны и другие варианты испытаний [3, 4].

Рис.2. Универсальная машина трения 2070 СМТ-1
Рис.2. Универсальная машина трения 2070 СМТ-1

Для исследования выбранных смазочных масел на износ и трение в условиях скольжения поверхностей реализовывалась схема испытаний «шар – ролик», описанная в ГОСТ Р 51860-2002 (рис.2, б)[5]. Подвижный образец состоял из стали Р6АМ5, неподвижный – из стали ШХ-15. Трущиеся образцы предварительно смазывались испытуемымсмазочным маслом и приводились в контактное взаимодействие. Смазывание трибосистемы в процессе трения реализовывалось окунанием в исследуемый смазочныйматериал (рис.2, б). Вначале оценили динамику изнашивания при использовании смазочных композиций с составом «TRENOL». При этом, контактное взаимодействие подвижного и неподвижного образцов реализовывалось с нормальной силой W = 350H = const. Частота вращения подвижного образца составляла n = 230мин-1 = const. Объём испытуемого жидкого смазочного материала в ёмкости Vск ≈ 90см3. Диаметр сферического образца D = 8мм (рис.2, б), диаметр ролика dр = 50мм. Время одного полного испытания составляло 15 минут, замеры износа в процессе испытания производились через фиксированные интервалы времени.

Результаты исследования противоизносных и антифрикционных свойств смазочных композиций, содержащих 1,2,3 и 6% состава «TRENOL», в условиях трения скольжения по круговой траектории приведены ниже.

График зависимости диаметра лунки износа от времени прииспытании смазочногомасла МС-20, со снимком итоговой лунки износа (сделанной посредством измерительного микроскопа) показан на рис.3.

Рис.3. Зависимость для масла МС-20 без состава TRENOL
Рис.3. Зависимость для масла МС-20 без состава «TRENOL»

График зависимости диаметра лунки износа от времени при испытании смазочной композиции МС-20 +1% «TRENOL» показан на рис.4.

Рис.4. Зависимость для смазочной композиции МС-20+1%TRENOL
Рис.4. Зависимость для смазочной композиции МС-20+1%TRENOL

График зависимости диаметра лунки износа от времени при испытании смазочной композиции МС-20 +2% «TRENOL» показан на рис.5.

Рис.5. Зависимость для смазочной композиции МС-20+2%TRENOL
Рис.5. Зависимость для смазочной композиции МС-20+2%TRENOL

График зависимости диаметра лунки износа от времени при испытании смазочной композиции МС-20 +3% «TRENOL» показан на рис.6.

Рис.6. Зависимость для смазочной композиции МС-20+3%TRENOL
Рис.6. Зависимость для смазочной композиции МС-20+3%TRENOL

График зависимости диаметра лунки износа от времени при испытании смазочной композиции МС-20 +6% «TRENOL» показан на рис.7.

Рис.7. Зависимость для смазочной композиции МС-20+6%TRENOL
Рис.7. Зависимость для смазочной композиции МС-20+6%TRENOL

На основе полученных экспериментальных результатов получен график зависимости итогового диаметра лунки износа от концентрации исследуемого триботехнического состава «TRENOL» (рис.8).

Рис.8. Зависимость износа от концентрации препарата «TRENOL»
Рис.8. Зависимость износа от концентрации препарата «TRENOL»

Из полученной зависимости диаметра лунки износа от концентрации состава TRENOL видно, что:

1) введение в базовое смазочное масло МС-20 1-го % триботехнического состава TRENOL способствует снижению диаметра лунки износа на 16% относительно масла без добавки;

2) введение в базовое смазочное масло МС-20 2-х % триботехнического состава TRENOL способствует снижению диаметра лунки износа на ≈ 19% относительно масла без добавки;

3) введение в базовое смазочное масло МС-20 3-х % триботехнического состава TRENOL способствует снижению диаметра лунки износа на ≈ 41% относительно масла без добавки;

4) введение в базовое смазочное масло МС-20 6-ти % триботехнического состава TRENOL способствует снижению диаметра лунки износа на ≈ 14% относительно масла без добавки, что говорит о необходимости оптимизации концентрации препарата для конкретного смазочного материала. Для смазочного масла МС-20 данная концентрация не должна превышать 3%.

Далее провели исследование изнашивания в зависимости от нагрузки при использовании смазочных композиций с составом «TRENOL». При этом, контактное взаимодействие подвижного и неподвижного образцов реализовывалось с нормальными нагрузками 150Н, 250Н, 350Н. Частота вращения подвижного образца составляла n = 230мин-1 = const. Объём испытуемого жидкого смазочного материала в ёмкости Vск = 90см3. Диаметр сферического образца D = 8мм (рис.2, б), диаметр ролика dр = 50мм. Время одного полного испытания составляло 5 минут.

График зависимости диаметра лунки износа от нагрузки при испытании смазочного масла МС-20, со снимком итоговой лунки износа (сделанной посредством измерительного микроскопа) показан на рис.9.

Рис.9. Зависимость для масла МС-20 без состава «TRENOL»
Рис.9. Зависимость для масла МС-20 без состава «TRENOL»

График зависимости диаметра лунки износа от нагрузки при испытании смазочной композиции МС-20 +1% «TRENOL» показан на рис.10.

Рис.10. Зависимость для смазочной композиции МС-20+1%TRENOL
Рис.10. Зависимость для смазочной композиции МС-20+1%TRENOL

График зависимости диаметра лунки износа от нагрузки при испытании смазочной композиции МС-20 +2% «TRENOL» показан на рис.11.

Рис.11. Зависимость для смазочной композиции МС-20+2%TRENOL
Рис.11. Зависимость для смазочной композиции МС-20+2%TRENOL

График зависимости диаметра лунки износа от нагрузки при испытании смазочной композиции МС-20 +3% «TRENOL» показан на рис.12.

Рис.12. Зависимость для смазочной композиции МС-20+3%TRENOL
Рис.12. Зависимость для смазочной композиции МС-20+3%TRENOL

График зависимости диаметра лунки износа от нагрузки при испытании смазочной композиции МС-20 +6% «TRENOL» показан на рис.13.

Рис.13. Зависимость для смазочной композиции МС-20+6%TRENOL
Рис.13. Зависимость для смазочной композиции МС-20+6%TRENOL

На основе полученных экспериментальных результатов получены графики зависимости диаметра лунки износа от концентрации исследуемого триботехнического состава «TRENOL» (рис.14).

Рис.14. Зависимости износа от концентрации препарата «TRENOL»
Рис.14. Зависимости износа от концентрации препарата «TRENOL»

На основании проведенного исследования изнашивания пары трения «шар-ролик» при смазывании смазочными композициями с различными концентрациями состава «TRENOL» можно сделать следующие выводы:

1. Наилучший эффект триботехнический состав «TRENOL» даёт при концентрации 3%, после которой происходит меньшее снижение износа.

2. При нагрузке на узел трения в 150Н препарат «TRENOL» снижает износ на 36% относительно базового масла МС-20 за счёт протекания восстановительных процессов на фрикционном контакте.

3. При нагрузке на узел трения в 250Н препарат «TRENOL» снижает износ на 24% относительно базового масла МС-20 за счёт протекания восстановительных процессов на фрикционном контакте.

4. При нагрузке на узел трения в 350Н препарат «TRENOL» снижает износ на 40% относительно базового масла МС-20 за счёт протекания восстановительных процессов на фрикционном контакте, что согласуется с данными более пятнадцатиминутных испытаний на исследование динамики изнашивания (рис.8).

5. При использовании препарата «TRENOL» в различных концентрациях с увеличением нагрузки приращение износа происходит в меньшей степени, чем при использовании базового масла.

6. Увеличение лунки износа с увеличением концентрации препарата более 3% можно объяснить избыточной адсорбцией поверхностно активных компонентов МС-20 на дисперсную фазу из частиц состава «TRENOL». Таким образом, с увеличением концентрации препарата уменьшается активная концентрация противоизносных присадок из базового пакета МС-20. В связи с этим, для данного смазочного масла оптимальной является концентрация препарата в 3%. Следует отметить, что для других смазочных масел оптимальная концентрация триботехнического состава может быть иной и зависит от базового пакета присадок.



3. Противоизносные свойства смазочных композиций на основе
масла МС-20 с составом «TRENOL» в соответствии с ГОСТ9490-75

Вернуться к оглавлению

Оценку противоизносных свойств смазочныхкомпозиций на основе масла МС-20 с составом «TRENOL»осуществляли на четырёхшариковой машине трения ЧШМ-3,2 (рис.15.) в соответствии с ГОСТ 9490–75 [6] при трении скольжения [7].

Рис.15. Четырёхшариковая машина трения ЧШМ-3,2
Рис.15. Четырёхшариковая машина трения ЧШМ-3,2

Данная установка используется на начальном этапе трибологических испытаний для оценки способности смазочных материалов уменьшать износ пар трения и предотвращать их заедание. В этой лабораторной установке стандартный шарикоподшипниковый шарик из стали ШХ-15 диаметром dш = 12,70мм зажат в шпинделе машины, вращающемся с частотой вращения nшп = 430мин-1. К этому шарику под заданной нагрузкой 130HP ≤ 10000H прижимают три неподвижных шарика, сложенные треугольником в плоскости, перпендикулярной оси шпинделя, и помещают в чашку с исследуемым смазочным материалом. Вращающийся шарик вытирает на контактирующих с ним участках рабочих поверхностей неподвижных шаров лунки (пятна износа), по средней величине которых судят о влиянии смазочного материала на износ шаров при данной нагрузке, оцениваются противозадирные свойства смазочного материала. По нагрузке сваривания (нагрузка, при которой происходит сваривание шариков) оценивается предельная нагрузочная способность смазочного материала. Схема узла трения приведена на рис.16.

Рис.16. Схема элементов узла трения машины ЧШМ-3,2
Рис.16. Схема элементов узла трения машины ЧШМ-3,2

Оценку противоизносных свойств смазочных композиций проводили при нагрузке 100 кгс (≈1000Н) и времени одного испытания равного 10с. Концентрации препарата в масле были 1,2,3 и 6%.

График зависимости диаметра лунки износа от концентрации препарата «TRENOL» в базовом масле МС-20 показан на рис.17.

Рис.17. Зависимость износа от концентрации препарата «TRENOL»
Рис.17. Зависимость износа от концентрации препарата «TRENOL»

В целом, из полученнойзависимости видно, что концентрация препарата равная 3% также является оптимальной в случае использования узла трения в виде пирамиды из четырёх шариков. Данный результат указывает на достоверность данных, полученных в ходе испытаний смазочных композиций на универсальной машине трения 2070 СМТ-1. В жёстких условиях испытаний (более тяжёлых, чем на машине трения 2070 СМТ-1) смазочная композиция с 3% препарата позволила уменьшить диаметр лунки износа в среднем на 22% относительно базового масла МС-20. Результаты замеров диаметров лунок износа с помощью измерительного микроскопа сведены в таблицу 2.

Таблица 2
Таблица 2.


4. Оценка предельной нагрузочной способности и противоизносных
свойств смазочного слоя смазочной композиции на основе
пластичного смазочного материала

Вернуться к оглавлению

Оценку предельной нагрузочной способности смазочного слоя чистого пластичного смазочного материала (ПСМ) и смазочной композиции с добавкой «TRENOL» (ПСМ+TRENOL) осуществляли на четырёхшариковой машине трения ЧШМ-3,2 (рис.15.) в соответствии с ГОСТ 9490–75 [6] при трении скольжения [7].
Характеристикой предельной нагрузочной способности является нагрузка сваривания шариков.
Время одного испытания составляло 10 секунд, нагрузка повышалась ступенчато от испытания к испытанию до величины, при которой происходил процесс сваривания шариков.

Нагрузки сваривания исследуемых смазочных композиций ПСМ и ПСМ+TRENOL приведены на рисунке 18.

Рис.18. Значения нагрузки сваривания для испытуемых пластичных смазочных материалов
Рис.18. Значения нагрузки сваривания
для испытуемых пластичных смазочных материалов

В результате испытания установлено, что нагрузка сваривания у смазочного материала ПСМ на 11% меньше, чем у ПСМ+TRENOL. Таким образом, смазочный слой материала ПСМ+TRENOL обладает большей предельной нагрузочной способностью.
Далее исследовали противоизносные свойства данных пластичных смазочных материалов в жёстких условиях изнашивания. Условия испытаний: нагрузка 100кгс (1000Н), время одного определения 10с (установлено для определения индекса задира по ГОСТ 9490–75).

Диаметры образованных в указанных условиях лунок износа показаны на гистограмме (рис.19).

Рис.19. Диаметры лунок износа для ПСМ и ПСМ+TRENOL
Рис.19. Диаметры лунок износа для ПСМ и ПСМ+TRENOL

Из полученных результатов видно, что в жёстких кратковременных испытаниях препарат не успевает полноценно сработать как восстановитель поверхности трения.
Вместе с тем, даже в таких кратковременных испытаниях небольшой восстановительный эффект проявляется: пятна износа при испытании смазочной композиции меньше в диапазоне 1-12%, чем у чистого пластичного смазочного материала.

Результаты замеров диаметров лунок износа с помощью измерительного микроскопа сведены в таблицу 3.

Таблица 3
Таблица 3.

Далее провели оценку противоизносных свойств смазочного слоя чистого пластичного смазочного материала (ПСМ) и смазочной композиции с добавкой «TRENOL» (ПСМ+TRENOL) в соответствии с ГОСТ 9490–75 [6] при трении скольжения [7] в более лёгких условиях нагружения. Время одного испытания составляло 1 час, нагрузка на узел трения составляла 20кгс (200Н).

В результате испытания ПСМ были обнаружены лунки износа диаметрами 0,46мм, 0,47мм, 0,46мм. В результате испытания ПСМ+TRENOL лунок износа обнаружено не было. Результаты замеров диаметров лунок износа с помощью измерительного микроскопа сведены в таблицу 4.

Таблица 4
Таблица 4.


ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Вернуться к оглавлению

На основании проведенных лабораторных исследований триботехнических свойств жидких и пластичных смазочных композиций, содержащих триботехнический состав «TRENOL», можно сделать следующие основные выводы:

1. При нагрузке на узел трения в 150-350Н препарат «TRENOL» снижает износ на 24-41% относительно базового масла МС-20 за счёт протекания восстановительных процессов на фрикционном контакте.

2. При использовании препарата «TRENOL» в различных концентрациях с увеличением нагрузки приращение износа происходит в меньшей степени, чем при использовании базового масла МС-20.

4. Оптимальная концентрация состава «TRENOL» в 3% подтверждается при различных схемах трения, что говорит в пользу достоверности полученного результата.

5. В результате испытания установлено, что нагрузка сваривания у пластичного смазочного материала без добавки на 11% меньше, чем у смазочного материала с добавкой препарата «TRENOL». Таким образом, смазочный слой cпрепаратом «TRENOL» обладает большей предельной нагрузочной способностью.

6. При исследованиях противоизносных свойств пластичного смазочного материала с составом «TRENOL» в соответствии с ГОСТ 9490–75, при нагрузке 20 кгс и времени испытания 1 час, лунок износа обнаружено не было, что возможно говорит о равенстве скоростей изнашивания и восстановления поверхностей трения. Таким образом, можно предположить, что при малых нагрузках восстановительные процессы за счёт компонентов препарата «TRENOL» перекрывают процесс изнашивания.



Список литературы

Вернуться к оглавлению

1. Теоретические основы химмотологии [Текст] / под ред. А.А. Браткова. – М.: Химия, 1985. – 320 с.

2. ГОСТ 21743-76. Масла авиационные. Технические условия [Текст]. М.: Изд-во стандартов, 1976 – 4 с.

3. Чулкин С.Г. Разработка новых самосмазывающихся полимерных композиционных материалов / С.Г. Чулкин, А.Д. Бреки, И.В. Соловьёва // Машиностроение в условиях инновационного развития экономики: сборник тезисов и докладов научно-методической конференции. – СПб.: Изд-во Политехн. Ун-та, 2009. С. 142 – 147.

4. Чулкин С.Г. Оценка влияния смазочных материалов на триботехнические характеристики пар трения / С.Г. Чулкин, И.В. Соловьёва, А.Д. Бреки, Р. Качиньски // Материалы, технологии и оборудование в производстве, эксплуатации, ремонте и модернизации машин: сб. науч. Трудов 7-й Междунар. науч.-техн. конф. В 3-х т. Т.2 / под общ. Ред. П.А. Витязя, С.А. Астапчика. – Новополоцк: ПГУ, 2009. – С. 19 – 22.

5. ГОСТ Р 51860-2002. Обеспечение износостойкости изделий. Оценка противоизносных свойств смазочных материалов методом «шар – цилиндр» [Текст]. – М.: Изд-во стандартов, 2002. – 8 с.

6. ГОСТ 9490-75. Материалы смазочные жидкие и пластичные. Метод определения трибологических характеристик на четырёхшариковой машине [Текст]. – М.: Изд-во стандартов, 1975. – 14 с.

7. Бреки А.Д. Исследование модернизированных конструкционных смазочных материалов, содержащих мелкодисперсные частицы модификаторов трения / А.Д. Бреки, С.Г. Чулкин, Е.С. Васильева, О.В. Толочко, М.Ю. Максимов; Санкт-Петербургский государственный политехнический университет // Научно-технические ведомости СПбГПУ. Сер.: Машиностроение – 2010. – 2-2(100). – С. 92 – 97.

8. Розенберг Ю.А. Влияние смазочных масел на долговечность и надёжность деталей машин / Ю.А. Розенберг. – М.: Машиностроение, 1970. – 304 с.

9. Рыбак Б.М. Анализ нефтей и нефтепродуктов [Текст] / Б.М. Рыбак. – М.: Гостоптехиздат, 1962. – 880 с.

10. Трение, изнашивание и смазка: справочник. В 2-х кн. [Текст] / под ред. И.В. Крагельского, В.В. Алисина. – М.: Машиностроение, 1978. – Кн. 1., 1978. – 400 с.