Оценка влияния ультразвуковой обработки моторного масла на износ пар трения при длительных износных испытаниях

Даже в простейших механизмах и машинах на всем протяжении их существования использовались пары трения, от состояния которых зависели основные эксплуатационные характеристики этих механизмов и машин. Пары трения современных двигателей работают, как правило, в условиях высоких температур, граничной смазки, вибраций и пр., что и определяет их недостаточно высокий ресурс. Работы по повышению износостойкости деталей и узлов различных механизмов проводятся в основном в направлениях совершенствования материалов, из которых они изготавливаются; формирования поверхностей трения, соответствующих конкретным условиям работы трибосопряжения; улучшения характеристик смазочных масел, в которых работают пары трения, и др.

Однако существуют и дополнительные резервы повышения износостойкости пар трения: это использование негомогенных поверхностей пар трения и воздействие на смазочные материалы ультразвуковым излучением. Следует отметить, что до сих пор работы, выполненные в этом направлении, представляют собой лишь разрозненные данные.

Проблема состоит в том, что каждая смазочная композиция разрабатывается, как правило, для конкретной пары трения либо типовых пар трения и позволяет создать некоторые общие условия трения для различных пар, не предполагая их «улучшение». До настоящего момента практически отсутствуют работы, которые описывали бы изменение некоторых физико-механических характеристик масел, например, таких основополагающих для процесса изнашивания, как коэффи- циент поверхностного натяжения при воздействии на них ультразвуком различной частоты и мощности.

Поэтому была сформулирована следующая цель исследования: оценить результаты воздействия ультразвука различной частоты и мощности на коэффициент поверхностного натяжения смазочного масла и определить его влияние на фактор износа.

Выполненное авторами исследование изменений физико-механических характеристик моторного масла вследствие его обработки ультразвуком и оценка их влияния на износ пары трения «ролик ‒ колодка» при длительных испытаниях представляет интерес для специалистов, занимающихся разработкой, сервисным обслуживанием и эксплуатацией двигателей, компрессоров и другой техники, в которой имеются пары трения.

Обзор литературы

Большой интерес для специалистов в области триботехники представляют вопросы исследования поверхностей трения теоретическими и экспериментальными методами; применения антифрикционных материалов, в частности, теоретические обоснования методик расчета адгезионных и триботехнических характеристик трения металлов и рекомендации по их применению для выбора оптимальных пар трения [1]; ретроспективный обзор результатов исследований свойств антифрикционных материалов и рекомендации по их применению в машиностроении [2].

С точки зрения повышения эффективности работы пар трения интересными для специалистов являются исследование влияния типа консистентной смазки на коэффициент трения и степень изнашивания контактной пары, а также выбор оптимальной смазки [3] и анализ структур антифрикционных покрытий с добавками твердых смазок, полученных различными методами напыления [4].

Надежность работы и износостойкость узлов машин и механизмов определяются проведением мероприятий, выбранных с учетом условий их эксплуатации. Исследованию факторов, влияющих на надежность работы спец-техники в условиях Арктики, и разработке мероприятий по ее повышению посвящена работа И. Н. Кравченко и соавт. [5]. Практический интерес представляют исследования влияния условий смазки на толщину масляного слоя в шатунных подшипниках дизельного двигателя [6] и влияния режимов долива моторного масла в систему смазки на эффективность эксплуатации судовых дизелей1.

Классическое направление в повышении эффективности работы пар трения связано с изменением их конструкции, при этом конструктивные и материаловедческие методы снижения вибрации и шума в трансмиссиях и тормозах машин приведены в работе В. П. Сергиенко и С. Н. Бухарова [7]. Также представляют интерес патенты по созданию триботехнической композиции для металлических узлов трения [8] и способу формирования безыз-носных пар трения [9]. Следует отметить, что изменение конструкции узлов трения может существенно повысить стоимость их изготовления.

Широко известны методы повышения износостойкости, основанные на внесении в смазочные масла таких присадок, как, например, пакет присадок, содержащий полиалкенилсукцинимид, фенат кальция, диалкилдитиофосфат цинка [10]; металлоплакирующая многофункциональная композиция [11]; маслорастворимая композиция, содержащая соль металла органической кис-

Том 28, № 4. 2018

лоты, ароматический амин и полимер сукцинимида [12]; композиции смазочных масел, содержащие титан [13]. Однако эффективность действия присадок заканчивается спустя сравнительно небольшой период времени.

Работы С. В. Баринова, Б. П. Заго-родских и А. А. Симдянкина [14–15] посвящены попыткам создания ювенильной поверхности на протяжении всего периода работы пары трения. Однако в связи с кризисом в машиностроительной области в целом такие технологии не отработаны в производстве в полной мере.

В некоторых работах приводятся результаты исследований влияния ультразвука на моторное масло в ходе триботехнических испытаний [16], вибро-акустических испытаний образцов трибосопряжения на износостойкость [17] и изучения влияния ультразвуковых колебаний на эффективность технологических смазок [18]. Однако в указанных работах не приводятся данные по оценке изменения основных физико-механических характеристик моторного масла.

Кроме того, практически все исследователи сосредотачиваются на последствиях применения тех или иных методов воздействия на пару трения, не описывая причину происходящих изменений.

В данной статье предложен сравнительно простой и недорогой способ воздействия на смазочное масло, позволяющий существенно повысить износные характеристики пар трения; кроме того, выявлены причины возникновения эффекта.

Материалы и методы

Для определения коэффициента поверхностного натяжения и температуры моторного масла «ZIC X7 Diesel» 10W-40 применялись бюретка с краном (диаметр капилляра 1,1 мм); штатив для бюретки; стакан мерный; весы ВР-100; термометр спиртовой; генератор с регулировкой частоты (в диапазоне 4,5– 17 кГц) и мощности (0–25 Вт), выход которого соединен с высокочастотным динамиком Т251.4 и осциллографом С1-94 (рис. 1). Все эксперименты проводились с трехкратной повторностью. Температура во время проведения эксперимента составляла 25 °С.

Последовательность проведения эксперимента по измерению температуры масла:

• 1)    в емкость с установленным в ней динамиком наливалось моторное масло (5 мм над излучателем);

• 2)    термометром замерялась температура масла;

• 3)    на генераторе устанавливались максимальная мощность (25 Вт) и частота излучения (17 кГц);

• 4)    проводились замеры температуры масла в диапазоне времени 30–240 с.

Определение коэффициента поверхностного натяжения моторного масла производилось сталагмометрическим методом (методом счета капель) до и после обработки масла в следующей последовательности:

• 1)    определялся коэффициент поверхностного натяжения моторного масла до обработки;

• 2)    в емкость с установленным в ней динамиком наливалось моторное масло (5 мм над излучателем);

• 3)    включался генератор на мощности 10 Вт и частотах излучения 10, 12, 15 и 17 кГц, при этом на каждой частоте обрабатывалась новая партия масла;

• 4)    забор масла из емкости осуществлялся шприцем непосредственно над излучателем (динамиком);

• 5)    определялся коэффициент поверхностного натяжения моторного масла после его обработки на мощности генератора 10 Вт и частотах излучения 10, 12, 15 и 17 кГц;

• 6)    пункты 2-5 повторялись для мощности генератора 25 Вт.

Проведение триботехнических испытаний осуществлялось на модернизированной машине для испытания материалов на трение и износ 2070 СМТ-1М по схеме «ролик ‒ колодка».

Технические характеристики машины СМТ-1М:

• 1)    частота вращения вала нижнего образца – 75–1500 мин^–1;

  

  Р и с. 1. Установка для ультразвуковой обработки моторного масла в сборе: 1 - генератор;

  2 – осциллограф; 3 – емкость с установленным в ней динамиком (излучателем)

  F i g. 1. The installation for ultrasonic processing of engine oil: 1 - generator;

  2 – oscilloscope; 3 – capacity with installed speaker (emitter)

  Technologies and means of maintenance in agriculture                                         587

  
  

и.

• 2)    погрешность измерения частоты вращения вала нижнего образца – 3 %;

• 3)    пределы измерения момента трения пары – 1–20 Н∙м;

• 4)    погрешность измерителя момента трения (в режиме статистического нагружения) – 1 %;

• 5)    пределы измерения усилий на образцы – 0,2–5 кН;

• 6)    погрешность измерителя усилия – 1 %;

• 7)    пределы измерения температуры вблизи зоны контакта образцов – 20–155 °С;

• 8)    погрешность измерения температуры – 1,5 %.

Модернизация машины СМТ-1, проведенная в Институте механики и энергетики ФГБОУ ВО «МГУ им. Н. П. Огарёва», заключается в установке электронного блока оперативного сбора и аналого-цифрового преобразования данных от датчиков измерения частоты вращения вала нижнего образца, усилия, момента трения и температуры. Данный блок является коммутатором для подключения СМТ-1 к персональному ком-

Том 28, № 4. 2018

пьютеру (ПК). Установленное на ПК программное обеспечение позволило оперативно анализировать информацию в режиме реального времени.

Триботехнические испытания проводились в соответствии с требованиями ГОСТ 23.224-86 2 (экспресс-испыта-ния по методу группы «А»). Сущность экспресс-испытаний - определение соотношения интенсивностей изнашивания исследуемых поверхностей, испытываемого при заранее определенных условиях (оптимальной нагрузке). Испытания проводились в три этапа:

• 1)    предварительная притирка пар трения при минимальной нагрузке;

• 2)    приработочные испытания;

• 3)    длительные испытания для определения износа образцов.

Материал образцов пар трения (ролик ‒ колодка):

• 1)    ролик – сталь инструментальная легированная штамповая Х12Ф1 ГОСТ 5950-2000³;

• 2)    колодка – чугун серый СЧ-21 ГОСТ 1412-85⁴.

Вид изготовленных образцов представлен на рис. 2.

b)

а)

Р и с. 2. Образцы для триботехнических испытаний: ролики (а) и колодки (b)

F i g. 2. Samples for tribotechnical tests: rollers (a) and pads (b)

В качестве смазочного материала при испытаниях использовалось синтетическое моторное масло «ZIC X7 Diesel» 10W-40. Был установлен режим разовой подачи смазки в картер испытательной камеры для обеспечения граничной смазки.

Общий вид испытательной камеры (в открытом состоянии), блока управления ультразвуковыми колебаниями и излучателя ультразвука приведен на рис. 3. Высокочастотный излучатель типа Т251.4 расположен непосредственно в испытательной камере машины трения и погружен в масло.

Притирка пар трения была проведена при частоте вращения ролика 300 мин–1, нагрузка на колодку – 0,1 МПа, длительность испытаний – не менее 0,5 ч.

Длительные износные испытания проводились в соответствии с документом РД 10.1003-2009. Износные испытания пар трения были проведены при заданной частоте вращения ролика (n = 380 мин–1) и оптимальной нагрузке Роп, полученной по результатам прира- боточных испытаний. Продолжительность износных испытаний – 8 ч.

Длительные испытания пар трения проводились:

• 1)    с маслом, не обработанным ультразвуком;

• 2)    при обработке масла ультразвуком частотой 17 кГц и мощностью 25 Вт.

После длительных испытаний подвижные и неподвижные образцы промывались в ультразвуковой ванне и взвешивались после сушки на аналитических весах фирмы «Sartorius» с точностью измерения 0,00001 г. Данные о массах образцов до и после испытаний заносились в протокол испытаний.

Интенсивность изнашивания подвижных и неподвижных образцов пар трения определялась по формуле:

W N ⋅ l ^,

где W - линейный износ образца, м; l - линейный размер поверхности трения сопряженного образца в направлении скольжения, м; N - число циклов,

Р и с. 3. Установка излучателя в испытательной камере: 1 – испытательная камера; 2 – излучатель

F i g. 3. The installation of radiator in test chamber: 1 - test chamber; 2 - emitter

за каждый из которых поверхности трения проходят путь l .

Линейный износ образца Wопреде- ляется по формуле:

W =

∆ G

γ ⋅ F c ^,

где ΔG – изменение массы образца при испытании, кг; у - плотность материала, кг/м³; F_c - контурная площадь контакта образцов, м².

Интенсивность изнашивания пары в целом определялась как сумма интенсивностей изнашивания элементов пары (ролика и колодки).

Сравнительная оценка интенсивности изнашивания проводилась по показателю фактора износа:

где 1 ^ - сумма интенсивностей изнашивания элементов пары; Р _оп - оптимальная нагрузка, МПа.

Результаты исследования

Результаты измерения температуры масла «ZIC X7 Diesel» 10W-40, обработанного ультразвуком частотой 17 кГц при максимальной мощности генератора (25 Вт) в течении 30-240 с, приведены в табл. 1.

Анализ результатов показал, что при проведении экспериментов по оценке коэффициента поверхностного натяжения σ не следует превышать время обработки масла в 90–100 с, поскольку дальнейшее воздействие способствует повышению температуры масла, что приведет к снижению коэффициента поверхностного натяжения.

Результаты обработки синтетического масла «ZIC X7 Diesel» 10W-40 ультразвуком различной частоты при мощности генератора 10 Вт приведены в табл. 2, а при мощности 25 Вт – в табл. 3.

Анализ средних значений σср при мощности генератора 10 Вт на раз- личных частотах воздействующего на масло ультразвукового излучения показал, что разброс значений вне зависимости от частоты ультразвука не превышает 0,1 мН/м. Это позволяет сделать вывод, что при обработке синтетического масла «ZIC X7 Diesel» 10W-40 ультразвуком при мощности излучателя 10 Вт коэффициент поверхностного натяжения масла практически не изменяется.

Анализ средних значений σ _ср при мощности генератора 25 Вт на различных частотах воздействующего на масло ультразвукового излучения показал, что с ростом частоты до максимально возможной наблюдается существенное падение коэффициента поверхностного натяжения, что может оказать значительное влияние на процесс трения сопряженных деталей.

Длительные износные испытания как без обработки моторного масла, так и с его обработкой ультразвуком на частоте 17 кГц и мощности 25 Вт (в режимах максимального падения коэффициента поверхностного натяжения) проводились в течение 8 ч. Число циклов при испытаниях без обработки смазки - 144 487, число циклов при испытаниях с обработкой смазки ультразвуком – 144 493.

Результаты взвешивания образцов пар трения до и после длительных испытаний приведены в табл. 4.

Анализ данных таблицы позволяет сделать вывод о высокой эффективности обработки моторного масла ультразвуком частотой 17 кГц при мощности генератора 25 Вт: средняя масса образцов, изнашиваемых в необработанном масле, относительно средней массы образцов, подвергавшихся изнашиванию в обработанном ультразвуком масле, меньше на 10,14 % для роликов и на 18,94 % – для колодок.

Показатели износостойкости, оцененные по результатам длительных износных испытаний образцов, приведены в табл. 5.

Т а б л и ц а 1

T a b l e 1

Результаты измерения температуры масла Oil temperature measurement results

Время обработки, с / Processing time, s	Температура масла до обработки, ° С / Oil temperature before processing, ° С	Температура масла после обработки, ° С / Oil temperature after processing, ° С
30	25	25
60		25
90		25
120		26
180		27
240		29

Т а б л и ц а 2

T a b l e 2

Значения коэффициента поверхностного натяжения при мощности генератора 10 Вт The values of the surface tension coefficient at a generator power of 10 W

Частота обработки, кГц / Processing frequency, kHz	Время обработки, с / Processing time, s	№ эксперимента / Experiment no.	Метод счета капель / Method of counting drops				Отклонение от исходного, % / Deviation from the initial, %
			Масса 50 капель М , г / Weight of 50 drops M , g	Масса 1 капли m , г / Weight of 1 drop m , g	σ , мН/м / σ , mN/m	σ ср, мН/м / σ ср, mN/m
17	90	1	0,89	0,0178	33,83	33,84	‒0,26
		2	0,88	0,0176	33,46
		3	0,90	0,0180	34,21
15		1	0,88	0,0176	33,46	33,96	0,09
		2	0,90	0,0180	34,21
		3	0,90	0,0180	34,21
12		1	0,89	0,0178	33,83	33,83	‒0,29
		2	0,89	0,0178	33,83
		3	0,89	0,0178	33,83
10		1	0,91	0,0182	34,60	33,96	0,09
		2	0,90	0,0180	34,21
		3	0,87	0,0174	33,07
0	0	1	0,89	0,0178	33,83	33,93	‒
		2	0,89	0,0178	33,83
		3	0,90	0,0180	34,21

Т а б л и ц а 3

T a b l e 3

Т а б л и ц а 4

T a b l e 4

Результаты взвешивания колодок и роликов до и после испытаний Results of weighing pads and rollers before and after testing

Частота обработки, кГц / Processing frequency, kHz	Образец / Sample	Масса образцов до испытаний, г / Weight of samples before testing, g		Масса образцов после испытаний, г / Weight of samples after testing, g		Отклонение относительно исходной массы, 10–3 г / Deviation from the reference mass, 10–3 g	Отклонение относительно необработанного масла, % / Deviation relative to untreated oil,%
		Каждого из трех / Each of the three	Средняя / Mean	Каждого из трех / Each of the three	Средняя / Mean
–	Ролик / Roller	79,00608 79,00607 79,00603	79,00606	79,00450 79,00465 79,00460	79,00458	1,48	–
	Колодка / Рad	10,52148 10,52145 10,52148	10,52147	10,52014 10,52020 10,52012	10,52015	1,32	–
17	Ролик / Roller	80,06558 80,06555 80,06551	80,06555	80,06418 80,06422 80,06426	80,06422	1,33	–10,14
	Колодка / Рad	10,62956 10,62958 10,62954	10,62956	10,62853 10,62848 10,62846	10,62849	1,07	–18,94

Т а б л и ц а 5

T a b l e 5

Оценка показателей износостойкости

Evaluation of wear resistance

Образец / Sample	Износ, г / Depreciation, g	Нагрузка Р оп , МПа / Load Р оп , MPa	Частота ультразвуковой обработки, кГц / Frequency of ultrasonic processing, kHz	Показатели износостойкости / Wear resistance indexes
				I П	I Н	I Σ	Ф
Ролик / Roller	0,00148	5,3	–	1,232∙10–11	0,53∙10–9	0,542∙10–9	1,023∙10–10
Колодка / Рad	0,00132
Ролик / Roller	0,00133	6,0	17,0	1,107∙10–11	0,43∙10–9	0,441∙10–9	0,735∙10–10
Колодка / Рad	0,00107

^

Сравнительный анализ показателей износостойкости, полученных в результате длительных износных испытаний образцов, позволяет сделать вывод, что фактор износа при обработке смазки ультразвуком с частотой 17 кГц уменьшился на 28 %.

Том 28, № 4. 2018

Фотографии поверхностей пар трения после длительных износных испытаний представлены на рис. 4‒5. Анализ состояния поверхностей показывает отсутствие следов «задиров» и на колодке, и на ролике при обработке моторного масла ультразвуком, что сви-

а)

b)

Р и с. 4. Ролик после испытаний: а) без обработки масла ультразвуком;

• b) с обработкой масла ультразвуком частотой 17 кГц

F i g. 4. The roller after the test: a) without oil processing by ultrasound; b) with oil processing by ultrasound at frequency of 17 kHz.

а)

b)

Р и с. 5. Колодка после испытаний: а) без обработки масла ультразвуком;

• b) с обработкой масла ультразвуком частотой 17 кГц

F i g. 5. The pad after the test: a) without oil processing by ultrasound; b) with oil processing by ultrasound at frequency of 17 kHz детельствует о протекании процесса изнашивания при постоянном присутствии слоя смазки между ними.

Рабочие поверхности образцов до и после длительных триботехнических испытаний подвергались профилогра-фированию с целью исследования из-

менения параметров шероховатости и определения площади износа в процессе испытаний. На рис. 6-7 представлены профилограммы рабочих поверхностей подготовленных образцов для длительных триботехнических испытаний.

a)

b)

Р и с. 6. Профилограммы рабочих поверхностей: колодки (а) и ролика (b), подготовленных к испытаниям на износостойкость без обработки масла

F i g. 6. Profilogram of working surfaces: pad (a) and roller (b) prepared for testing for wear resistance without oil processing

Technologies and means of maintenance in agriculture                                          595

a)

b)

Р и с. 7. Профилограммы рабочих поверхностей: колодки (а) и ролика (b), подготовленных к испытаниям на износостойкость с обработкой масла ультразвуком

F i g. 7. Profilograms of working surfaces: pad (a) and roller (b) prepared for wear resistance tests with ultrasonic oil treatment

Анализ профилограмм на рис. 6–7 показал, что нерегулярная шероховатость рабочих поверхностей образцов соответствует установленным требованиям и составляет R_a = 1,38 для колодки и R_a = 0,28 для ролика, подготовленных

к длительным износным испытаниям без обработки масла ультразвуком (рис. 6), для подготовленных к испытаниям с обработкой масла ультразвуком - R a = 0,61 и R a = 0,181 (рис. 7) соответственно.

На рис. 8-9 представлены профилограммы рабочих поверхностей образцов после испытаний на изностойкость без обработки и при обработке масла на частоте 17 кГц.

Сравнивая профилограммы до и после длительных износных испытаний, можно сделать вывод о том, что наблюдается снижение значения параметра

шероховатости R для колодок без обработки и с обработкой ультразвуком на 8,7 % и 14,4 % соответственно. Для роликов, испытанных в масле без обработки ультразвуком, прослеживается возрастание данного параметра на 15,4 % и снижение на 2,2 % – для роликов при испытаниях в масле, обрабатываемом ультразвуком.

a)

b)

Р и с. 8. Профилограммы рабочих поверхностей: колодки (а) и ролика (b) после испытаний без обработки масла ультразвуком

F i g. 8. Profilograms of working surfaces: pad (a) and roller (b) after tests without oil processing by ultrasound

a)

Р и с. 9. Профилограммы рабочих поверхностей: колодки (а) и ролика (б) после испытаний на износостойкость с обработкой масла ультразвуком

F i g. 9. Profilograms of working surfaces: pad (a) and roller (b) after tests for wear resistance with oil processing by ultrasound

Параметр R_max повышается для всех пар трения, испытанных на износостойкость без обработки ультразвуком: для колодки повышение составляет 1,26, для ролика – 1,45 раза. Для пар трения, испытанных на износостойкость с обработкой масла ультразвуком, R_max для колодки снижается в 1,67 раза, для ролика – повышается в 2,1 раза.

Изменения параметров шероховатости при триботехнических испытаниях связаны со сложными процессами износа, а также влиянием физико-механических свойств испытываемых материалов и внешними воздействиями. При испытаниях материалов, имеющих разную микротвердость, происходит внедрение микронеровностей более твердого материала в мягкий, что и приводит к изменению параметров шероховатости пар трения.

Данный процесс формирует на рабочих поверхностях испытанных образцов равновесную шероховатость при воздействии образцов друг на друга.

Существенную роль в процессе формирования шероховатости поверхности играет роль нагрузка Р _оп которая на необработанном масле имеет величину 5,3 МПа, а обработанном – 6 МПа.

Обсуждение и заключение

Эффект повышения износостойкости пар трения при воздействии на масло ультразвуковыми колебаниями связан со снижением коэффициента его поверхностного натяжения, который позволяет маслу с наименьшими усилиями распределяться по поверхностям пар трения, образуя, тем не менее, пленку достаточной толщины, позволяющую повышать несущую способность трущихся поверхностей. При этом следует подчеркнуть, что кавитационные процессы, происходящие в моторном масле, могли принимать непосредственное участие в формировании поверхностей трения ролика и колодки, поскольку источник излучения (динамик) находился в плоскости их работы.

С другой стороны, как показали более ранние исследования, расположение источника ультразвука в плоскости, перпендикулярной паре трения, приводит к аналогичным результатам. К тому же высокая вязкость масла не позволяет реализовываться кавитационным процессам на расстоянии, превышающем 3–5 мм от источника колебаний.

Практическая значимость работы состоит в простоте и дешевизне реализации устройства для ультразвуковой обработки смазочных масел, позволяющего существенно снизить коэффициент и силу трения в паре трения и в результате уменьшить износ на 28 %.

Перспективы дальнейших исследований состоят в оценке влияния режимов работы и параметров устройства для ультразвуковой обработки на различные составы масел и их композиции (включая высоковязкие), а также оптимизации этих параметров и режимов под конкретные условия работы пар трения, технические требования на оборудование и стандарты.

Результаты исследования могут быть применены в области трибологии и триботехники, а также при разработке и обслуживании техники, имеющей различные системы смазки.

Technologies and means of maintenance in agriculture 599

Поступила 11.07.2018; принята к публикации 15.08.2018; опубликована онлайн 28.12.2018

Все авторы прочитали и одобрили окончательный вариант рукописи.

Technologies and means of maintenance in agriculture 601