Некоторые факторы снижения износа поршневых двигателей внутреннего сгорания

Становление агропромышленного комплекса на качественно новый уровень развития предполагает применение результатов научно-технического прогресса в области сельскохозяйственной науки [1-4]. Не составляет исключение в этом плане техническое обеспечение аграрного сектора страны. Ключевым источником энергии при выполнении производственных процессов на селе являются поршневые двигатели внутреннего сгорания (ДВС). Повышению ресурса ДВС во многом способствуют инновационные научные разработки [5-8].

Цель работы – исследование факторов снижения износа поршневых двигателей внутреннего сгорания, как основного источника энергии автотракторной техники. На основе полученных результатов определение перспективных направлений научного поиска.

Материалы и методы

Обзор и анализ литературных источников по инновационным исследованиям развития технической поддержки аграрного сектора, включая силовые агрегаты автотракторной техники. Изучение факторов снижения износа ДВС. Применение аналитических способов исследования рассматриваемых процессов на основе известных в литературе зависимостей.

Результаты и обсуждение

Функционирование поршневого силового агрегата сопровождается передвижением многочисленных поверхностей друг относительно друга. Разделяют разные трущиеся поверхности смазочные масла. Смазочные масла содержат ряд присадок, которые характеризуются повышенной химической активностью, а также наличием влаги в растворенном виде. В том числе, масло обладает электрохимической активностью, а значит, представляет собой электролит .

В зонах трения происходит коррозионно-механическое изнашивание деталей. В этой связи места сопряжения силового агрегата являют собой некую трехфазную систему (металл I - электролит III - металл II). Эта система представляет собой своеобразную электрохимическую систему, поэтому в ней функционируют главные электрохимические законы (рис. 1).

В ходе трения при наличии электролита осуществление электрохимических процессов сопровождается деформированием отдельных микронеровностей трущихся поверхностей при относительном их перемещении. А именно при сопряжении контактирующих частей будут возникать и исчезать короткозамкнутые гальванические микропары.

Рисунок 1 - Схема зоны контакта трущихся поверхностей:

I – зона металла первой поверхности; II – зона металла второй поверхности; III - электролит (масло смазочное)

Изучение процесса функционирования сопряжения как трехфазной системы (рис. 1), демонстрирует, что на границе зоны контакта металл – масло смазочное, в связи появления, а также разрушения контактов, происходят скачки потенциала, а в зонах металлического контакта - контактная разность потенциалов. Образующаяся в процессе этого электродвижущая сила содействует осуществлению на отдельных зонах контактируемых микронеровностях реакций окислительно-восстановительного характера.

В процессе реакции приводят к образованию краткосрочных локальных окислительных пленок, которые при возникновении замыкания микронеровностей зачищаются. В итоге осуществляется прямой контакт металлов, являющийся причиной резким изменениям потенциала, а именно значение их частоты коррелирует со скоростью относительного передвижения (скольжения), а также шероховатостью трущихся поверхностей, в том числе другими факторами. Поэтому, ход процесса трения в рассматриваемых трехфазных сопряжениях будет характеризоваться не только импульсными колебаниями величины сдвига потенциалов, но также и их изменениями.

По причине того, что разность потенциалов представляет собой итог различной величины энергии, расходуемой на выход электрона из жидкости или же твёрдого тела, для трехфазных сопряжений поршневых двигателей внутреннего она выражается так:

ф = W^ Wm - Wn где WI - энергия выхода электрона из металла I; WII - энергия выхода электрона из металла II; WIII - энергия выхода электрона из электролита III.

Беря во внимание, что значение температуры в зонах контакта трущихся пар всегда не равна нулю, то в соответствии с существующей элементарной теорией, можно выразить ф = KL^ e    -1

где К - постоянная Больцмана;

Т – значение температуры в сопряжении,

К; е - заряд электрона, Кл;

п₁ и п₂ - соответственно, значение концентрации электронов в металлах трущихся составляющих частей.

Далее, учитывая, что значение температуры электролита будет тождественна значению температуры одной из поверхностей и при этом, в случае условия разности значений температур самих поверхностей трения, что свойственно для реальных сопряжений силовых агрегатов, получим

К          -₂

ф = ^£ = 7 ^(Т ' " ^Т" ^),- - 2

В этой зависимости величина ε будет являться термоэлектродвижущей силой.

Как видно, при функционировании силового агрегата в его сопряжениях образуется электрический ток, величина которого коррелирует со свойствами трущихся материалов, а также температуры в сопряжении.

Как рассмотрено выше образование локальных окислительных граничных пленок является результатом процесса взаимодействия металлов сопряжений с внешней (непосредственно разделяющих их) средой. Процесс формирования пленок представляет собой процесс окисления, которому характерно адсорбционное понижение поверхностной прочности применяемого металла, а это в свою очередь является причиной образования при контакте его пластического деформирования. Величина свободной поверхностной энергии зависит от протекания процесса, который коррелирует с условиями на границе контактируемых поверхностей трения. А именно, значение прочности твердых тел будет пропорционально значению их поверхностной энергии [9]. Поэтому собственно процесс трения в сопряжениях может быть рассмотрен в таком аспекте. В первой фазе, в виду особенных условий в сопряжении, при осуществлении физической адсорбции поверхностей наблюдается уменьшение их поверхностной энергии, что способствует облегчению процесса перехода электронов. При этом происходит образование разности потенциалов, а это интенсифицирует протекающие электрические процессы, под влиянием которых запускаются электрохимические процессы. Их появление объясняет образование окисных пленок в зонах контакта, а также изменением условий в местах контакта. Более того этот процесс будет интенсифицировать в ходе роста электрохимической, в том числе механической активации. Это является причиной снижения поверхностной твердости трущихся материалов, а это в свою очередь под влиянием механических аспектов приводит к их пластической деформации.

Явление пластической деформации поверхностей трения инициирует механохимический эффект [10], который состоит в том, что уменьшение поверхностной энергии металлов ведёт к облегчению перехода электронов, а это в свою очередь активизирует химические реакции между разделяющей трущиеся поверхности средой, включая металл, сопровождающийся снижением прочностных свойств [11].

Вывод

Одним из приоритетных направлений снижения износа металлов сопряжений силовых агрегатов является предупреждение образования в них разности потенциалов. Это обеспечивается с помощью формирования на рабочих поверхностях трения сопряжений диэлектрических покрытий, а также осуществления поляризации металлов, входящих в сопряжения от внешней среды, в том числе активным использованием инновационных ингибиторов коррозии. Развитие этого направления исследований, протекающих в сопряжениях поршневых двигателей внутреннего сгорания в присутствии смазочного масла, имеет большие перспективы.