Повышение износостойкости деталей цилиндропоршневой группы судового дизельного двигателя путем модифицирования смазочных материалов

Размещено на http://www.allbest.ru/

ПОВЫШЕНИЕ ИЗНОСОСТОЙКОСТИ ДЕТАЛЕЙ ЦИЛИНДРОПОРШНЕВОЙ ГРУППЫ СУДОВОГО ДИЗЕЛЬНОГО ДВИГАТЕЛЯ ПУТЕМ МОДИФИЦИРОВАНИЯ СМАЗОЧНЫХ МАТЕРИАЛОВ

Перекрестов А.П., Чанчиков В.А., Гужвенко И.Н.

В работе приводятся результаты трибологических исследований чугунных образцов, имитирующих детали цилиндропоршневой группы судового дизельного двигателя при использовании магнитных противоизносных присадок в различной концентрации в базовом смазочном масле МС-20. Установлено, что наличие магнитного поля в зоне трения вызывает значительное снижение интенсивности изнашивания пары трения пропорционально увеличению концентрации магнитных присадок в масле.

Известно, что от состояния цилиндропоршневой группы (ЦПГ) зависят, в первую очередь, параметры ресурса, тяговооруженности и экологического состояния транспортного двигателя внутреннего сгорания. Снижение ресурсных показателей цилиндропоршневой группы связано, в основном, с нарушением оптимальных механизмов изнашивания в период основного срока эксплуатации данного узла. Увеличению интенсивности изнашивания узлов трения способствуют различные механизмы необратимого разрушения приповерхностных защитных слоев при трибологическом контакте рабочих поверхностей деталей. Доминирующим среди них следует признать процесс нарушения адгезионных связей приповерхностных оксидных пленок с основным слоем металлических поверхностей ЦПГ [1, 2, 3]. Это связано с ростом внутрицилиндровых давлений рабочего цикла двигателя и температур теплоотдачи по мере нахождения поршня с компрессионными кольцами в районе верхней мертвой точки (ВМТ) хода при тактах сжатия и сгорания. В ВМТ между кольцом и втулкой (гильзой) цилиндра имеет место недостаток смазки и реализация режима граничного трения рабочих поверхностей.

Условия смазки ЦПГ поршневых двигателей зависят от ряда факторов, среди которых следует выделить состав и качество смазочной среды, а также микро- и макропрофиль рабочих поверхностей [4]. Очевидно, что существующие конструкции поршневых двигателей не могут удовлетворять условиям равномерного распределения смазочного слоя по всей длине рабочего хода поршня. В точках реверсирования всегда следует ожидать истончения пленки до толщины 0,001 мм, что вызывает режим граничного трения в паре «кольцо - цилиндр», разрушение защитных приповерхностных пленок и нарушение их адгезионных связей с основным слоем материала. При дополнении данного механизма изнашивания абразивными включениями и коррозионными составляющими (продукты распада H₂SO₄ при эксплуатации на высокосернистых топливах) происходит пластический насыщенный контакт материалов при контакте рабочих поверхностей.

В связи с этим, оптимальным методом повышения износостойкости деталей ЦПГ в современных поршневых двигателях, особенно судовых, является упрочнение рабочих поверхностей и модификация смазочных материалов. Первый метод затрагивает технологические вопросы локального и общего упрочнения рабочих поверхностей трущихся деталей и связан с высокой стоимостью внедрения результатов в массовое двигателестроение.

Методология второго способа оптимизации износостойкости ЦПГ отражает вопросы модификации базовых смазочных масел. Модификация смазочных масел затрагивает, как правило, добавление в базовую основу противоизносных присадок, повышающих эксплуатационные свойства масел. Присадки могут иметь либо комплексный механизм воздействия на свойства смазочного масла (повышение вязкостных, моющих и противоизносных свойств), либо воздействовать по отдельному названному пути.

Таблица 1. Технико-экономические показатели противоизносных присадок к моторным маслам для транспортных двигателей

Присадки имеют различную стоимость (табл. 1), прямо пропорционально которой проявляется их эффективность в двигателях транспортных систем. Дорогие присадки зарубежного производства имеют не только высокую эффективность, но и требуют более высокой концентрации (10-20%) в общем объеме масла.

Для повышения износостойкости тяжелонагруженных деталей, к которым также относится ЦПГ поршневого двигателя, прибегают к использованию металлоплакирующих противоизносных присадок. Их основной механизм воздействия заключается в активации поверхностно-активных веществ (ПАВ) на границе раздела масляной пленки и собственно поверхности трения. Высвобождающиеся из коллоидной структуры смазочной среды ПАВ способны хемосорбироваться на поверхности трения и путем создания устойчивых связей с последней создавать тонкую прочную пленку, назначение которой заключается в снижении силовых нагрузок на узел трения, а значит и интенсивности изнашивания.

Перспективным направлением в области модифицирования базовых смазочных масел авторы считают разработку магнитных противоизносных присадок на основе ферромагнитных порошков и твердосмазочных препаратов. Идея и опыт создания подобных присадок, проявляющих свои положительные трибологические свойства при введении в дизельное топливо, обозначены в работах [5, 6]. С другой стороны, использование в качестве смазочной среды композиции «смазочное масло + присадка» имеет свои особенности, значительно отличающиеся от маловязких жидкостей по условиям протекания трибологических процессов. В частности, моторное масло как вязкая несжимаемая жидкость должна обеспечивать в прецизионном зазоре пары трения требуемую толщину смазочного слоя, причем по всей длине их работы (относительного перемещения).

Высокая несущая способность смазочного слоя и равномерность его толщины по всему пути трения проявляются в том случае, если твердые составляющие присадки (являющиеся по своей сути гетерогенными включениями) будут оседать на одной или обеих поверхностях трения и создавать защитный слой, который будет претерпевать незначительное утончение лишь в зонах реверсирования хода поршня. Выпадение в осадок твердых частиц (рис. 1), стабилизированных ненасыщенной жирной олеиновой кислотой С₁₈Н₃₄О₂ по [5] будет являться гарантией отсутствия посторонних включений в самой толщине смазочного слоя. Закрепление твердых частиц на одной из поверхностей трения влечет за собой долговременный эффект существования надежного смазочного слоя, разделяющего поверхности трения при наличии внешнего направленного по величине и моменту магнитного поля.

Таким образом, объектами исследования являются разработанные композиции на основе высоковязкого смазочного масла и присадки мицеллярного состава (в качестве тонкодиспергированного металлического порошка - магнетит Fe₃O₄, в качестве стабилизатора коагуляции - олеиновая кислота С₁₈Н₃₄О₂).

Предварительными технико-экономическими расчетами выявлено, что диапазоном оптимальной концентрации (по объему) к базовому маслу будет являться 0,5-1% присадки. Значения ниже этого предела практически не повлияют на интенсивность изнашивания пары трения, выше данного предела - существенно повысят стоимость получаемой смазочной композиции. В работе представлены результаты исследования базового масла МС-20 (ГОСТ 21743-76) и трех смазочных композиций на его основе с добавлением присадки (магнетит + олеиновая кислота) по объему 0,5% и 1%, а также комбинированного смазочного состава с 1% магнетита и 1% диселенида молибдена MoSe₂, который как твердосмазочный продукт должен повысить качество хемосорбционных процессов при выпадении присадки на поверхностях трения. Введение гетерогенного тонкодиспергированного диселенида молибдена MoSe₂ способствует снижению общей стоимости смазочной композиции на 25-30% по сравнению с верхней планкой объемного добавления присадки к базовому маслу (1%).

Рисунок 1. Механизм воздействия частиц присадки на зону трибологического контакта при отсутствии (а) и наличии (б) внешнего магнитного поля

Целью научной работы, проводимой группой авторов, являлась оценка эффективности противоизносных присадок в моторных маслах по критерию снижения интенсивности изнашивания материалов, приближенных по физико-механическим свойствам к материалам рабочих поверхностей ЦПГ реального дизельного двигателя.

Для этого в базовое смазочное масло МС-20 (ГОСТ 21743-76) вводились присадки противоизносного действия на основе тонкодиспергированных ферромагнитных порошков и твердосмазочных препаратов.

Состав смазочных материалов для модельных пар трения, нагружаемых по схеме «вал - колодка», приведен в таблице 2. Испытания проводились на машине трения СМТ-1, модернизированной для намагничивания испытательной камеры.

Таблица 2. Составы смазочных композиций, используемых для трибологических испытаний

Рисунок 2. Матрица эксперимента

Матрицей испытаний (рис. 2) предусматривалось нагружение пар трения с шагом 0,5 МПа в диапазоне от 1 до 3 МПа, при отсутствии и наличии внешнего магнитного поля. Таким образом, все смазочные составы, подготовленные для испытаний, подвергались 6 этапам исследования интенсивности изнашивания. Макрогеометрические характеристики образцов для исследования подбирались под радиусы соприкосновения R₁ = 17,75 мм (колодка, имитирующая рабочий цилиндр двигателя) и R₂ = 17,5 мм (вал, имитирующий кольцо поршня).

Особенностью испытаний являлось отсутствие термостатирования испытательной камеры, выходная температура смазочного материала в ванне регистрировалась хромоникелевой термопарой через преобразователь «ОВЕН» ТРМ-200, выдающий результат на ЭВМ. Характеристики материалов для испытания приведены в табл. 3.

Таблица 3. Физико-химические свойства и состояние поверхности подвижного и неподвижного испытуемых образцов на машине трения СМТ-1

Выбор материалов для испытательных образцов основан на подобии парам трения ЦПГ средне- и малооборотных судовых двигателей дизельного типа. В соответствии с этим условием угловая скорость вращения подвижного образца принималась не более v = 7,85 с^-1.

Рисунок 3. Результаты эксперимента при отсутствии магнитного поля в зоне трения

Намагничивание пары трения дало возможность оценить эффективность введения магнитных порошковых включений в состав присадки. В соответствии с результатами эксперимента, каждый из этапов которого длился 12 часов, была выявлена достаточно высокая эффективность применения присадок с ферромагнитными включениями.

Если при отсутствии магнитного поля интенсивность изнашивания образцов снижалась только в 2,3 раза по сравнению с базовым бесприсадочным маслом, то при наличии намагничивания диапазон различия увеличился в 2,7 раз (рис. 3, 4). Наилучшие показатели изнашивания были получены при введении в состав смазочного материала ферромагнетика Fe₃O₄ и твердосмазочного препарата MoSe₂, который, по мнению авторов, улучшает хемосорбцию поверхностно-активных веществ (олеиновая кислота C₁₈H₃₄O₂) для приповерхностных слоев материалов трения. С полным основанием следует утверждать о возможности получения в критических условиях работы узла трения надежной металлоплакирующей пленки и дополнительной защите трибологических поверхностей от преждевременного изнашивания.

Рисунок 4. Результаты эксперимента при наличии магнитного поля в зоне трения

двигатель дизельный магнитный масло

Выводы

1. Изучено воздействие магнитных противоизносных присадок на основе твердых порошкообразных включений Fe₃O₄ и MoSe₂ и определено их влияние на снижение интенсивности изнашивания трущихся деталей.

2. Доказано значительное снижение интенсивности изнашивания экспериментальных образцов, имитирующих детали цилиндропоршневой группы при отсутствии и наличии магнитного поля в зоне трения при проведении модельных испытаний на машине трения СМТ-1.

3. Предложено описание механизма воздействия противоизносных магнитных присадок в смазочном масле на основе твердых порошковых включений при воздействии на зону трения источника магнитного поля.

Список используемой литературы

1. Крагельский И.В., Добычин И.В., Комбалов В.С. Основы расчетов на трение и износ - М.: Машиностроение, 1977. - 526 с.

2. Когаев В.П., Дроздов Ю.Н. Прочность и износостойкость деталей машин: Учебное пособие для машиностр. вузов - М.: Высшая школа, 1991 - 319 с.

3. Трение, изнашивание и смазка. Справочник в 2-х кн. Кн. 2 / Под. ред. И.В. Крагельского, и В.В. Алисина - М.: Машиностроение, 1979 - 358 с.

4. Путинцев С.В. Механические потери в поршневых двигателях: Учебное пособие по курсу: «Специальные главы конструирования и САПР» - М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2011. - 288 с.

5. Пат. №2276681 РФ, МПК C10L 1/18 (2006.01) Противоизносная присадка / А.П. Перекрестов, А.А. Сычева; заявитель и патентообладатель ФГБОУ ВПО «АГТУ» - №2004132806/04; заявл. 10.11.2004; опубл. 20.05.2006, Бюл. №14 - 5 с.

6. Перекрестов А.П. Движение магнитной частицы в электромагнитном поле в среде углеводородной жидкости / А.П. Перекрестов, В.А. Чанчиков, А.А. Клыканова // Сборник докладов Межрегиональной конференции памяти А.И. Кабелькова «Современные проблемы механики и ее преподавания в вузах Российской Федерации». - Новочеркасск, 20-23 сентября 2011 г. - Новочеркасск, 2011. - С. 138-141.

Размещено на Allbest.ru