151618 (Трение), страница 2

Иногда возлагают на смазки функцию защиты узла трения от попадания пыли и воды из окружающей среды. Целесообразность предъявления к смазкам таких требований представляется весьма сомнительной. В силу своих физико-химических свойств, смазка способна накапливать в себе частицы пыли (иногда и влагу), вызывая ускоренный износ деталей, поэтому проблему защиты от попадания в узел трения веществ из внешней среды ведут конструкционным путем.

2.1 Испытания смазочных материалов

Решая практическую задачу выбора исходных компонентов при создании новой смазки необходимо: изучить данные физико-химических свойств по уже выпускаемым смазочным материалам, а затем на основе сравнительного подхода провести эксперименты по изучению свойств разрабатываемого материала. При этом нужно учитывать, что результаты оценки физико-химических свойств, сравниваемых смазок, получаются, как правило, противоречивыми.

Лабораторные методы испытаний смазочных разделяют:

1) Прямые (на специальных маслоиспытательных машинах и приборах в условии трения твердых тел);

2) Косвенные (смазочные действия оценивается различными физико-химическими параметрами без воспроизведения трения между смазочными поверхностями).

Прямые триботехнические испытания смазочных материалов включают оценку противоизносных, противозадирных и антифрикционных свойств на лабораторных приборах или установках с испытательными образцами геометрической формы (плоскости, цилиндры, сферы), на имитирующих машинах или специально изготовленных аналогичным деталях (зубчатые колеса, детали поршневой группы двигателя внутреннего сгорания, подшипники скольжения или качения) и непосредственно в реальных узлах машин и механизмов в условиях эксплуатации.

При испытании на машинах в условиях эксплуатации на получаемые результаты, помимо основных параметров (относительной скорости движения трущихся поверхностей, давления, температуры) оказывают влияние условия работы машины (наличие частых остановок и пусков, переменность нагрузки и скорости, наличие влаги и других коррозионных агентов, а также абразивных частиц в окружающей среде и др.). В этих условиях трудно выделить наиболее важный параметр, оказывающий определяющее влияние на поведение смазочного материала. Для уменьшения этих влияний испытания должны быть длительными и проводиться на нескольких однотипных машинах, на что требуется много времени и средств. Поэтому в большинстве случаев эксплуатационные испытания применяют для окончательной проверки оптимальных смазочных материалов, отобранных в результате серии лабораторных и стендовых испытаний.

Стендовые испытания на имитирующих машинах позволяют определять трибологические характеристики смазочных материалов в условиях трения реальных деталей машин и механизмов при контроле всех влияющих параметров. Однако испытания на имитирующих машинах длительны и дорогостоящи и применяют в основном для определения противозадирных и противоизносных свойств масел для зубчатых колес, комплексного испытания моторных масел на одно- и многоцилиндровых установках, стендах для испытания подшипников.

В отличие от испытаний смазочных материалов в условиях эксплуатации и на стендах лабораторные испытания не требуют больших затрат времени, они в большей мере позволяют изменять основной параметр, оказывающий влияние на трибологические характеристики смазочных материалов. Условия испытания отличаются от действительных в реальных машинах, однако преимущества лабораторных испытаний способствуют их широкому применению, особенно для разработки новых присадок и смазочных композиций.

Самыми распространенными машинами являются прибор «вращающийся ролик – частичный вкладыш», машина Олмен – Виланд, машина Фалекс, машина Шкода – Савина, машина SAE, четырех шариковые машины трения.

Косвенными методами являются изучение физико-химических свойств систем: определение краевого угла смачивания, поверхностного натяжения, коллоидной стабильности систем, контактной разности потенциалов, электродного потенциала, измерения теплоты адсорбции [3,6].

Экспериментальная часть

Оборудование и реактивы

При исследовании физико-химических и трибологических свойств минеральных масел с антифрикционными добавками использовали следующие реактивы и оборудование:

1 Графит

2 Дисульфид молибдена

3 Масло И-20А

4 Лаурилсульфат натрия

5 Торсионные весы с чашечкой

6 Стакан химический объемом 1, 0,5, 0,2, 0,1, 0,05 дм³

7 Мешалка с нагревательным элементом

8 Секундомер

9 Линейка

10 Ареометры

11 Весы технические

12 Весы аналитические

13 Бюретка

14 Термометр

15 Воронка

16 Цилиндр мерный объемом

17 Штатив

18 Муфельная печь

19 Тигель фарфоровый

20 Двухкоординатная машина трения

21 Ультразвуковая ванна Sindy Eltrosonic Ultracleaner

22 Спирт

23 Машина трения SRV – III Test System

24 Криостат HAAKE Phoenix II P1 С75Р

25 Персональный компьютер

26 Дистиллированная вода

27 Образцы для испытания из стали 40Х13

28 Держатель-ножницы

2.2 Исследование физико-химических свойств масел с антифрикционными добавками на основе графита и дисульфида молибдена

2.2.1 Определение дисперсности графита и дисульфида молибдена

Дисперсность системы, величина обратная размеру частиц, одна из важнейших физико-химических величин, оказывающая влияние на несколько параметров в системе: коллоидную стабильность, адсорбцию твердых частиц.

Коллоидная стабильность – величина, показывающая свойство не выделять жидкое масло (основы) в течение длительного времени. Расслоение смазочного материала способствует когезии частиц твердой фазы, при этом значительно снижаются первоначальные свойства и смазка становится не пригодной к использованию. Коллоидная стабильность характерна только для смазочных материалов с нерастворимыми в масле антифрикционными добавками.

Скорость адсорбции прямопропорциональна удельной площади частиц, следовательно чем выше дисперность частиц, тем образование прочной модифицирующей пленки происходит быстрее, а значит процессы износа и изнашивания будут происходит медленнее.

Для определения дисперсности и скорости оседания частиц мы использовали метод седиментационного анализа. Метод позволяет определить распределение частиц по размерам и соответствен­но подсчитать их удельную поверхность. Седиментационный ме­тод анализа дисперсности в гравитационном поле применим для анализа микрогетерогенных в интервале от 1 до 100 мкм, которому соответствуют суспензии, эмульсии, порошки.

Принцип седиментационного метода анализа дисперсности состоит в измерении скорости оседания частиц, обычно в жид­кой среде. Для этого с помощью средств измерения сначала измеряют зависимость массы осевшего осад­ка от времени, строят график этой зависимости, называемой кривой седиментации, по которому затем определяют все необ­ходимые характеристики дисперсной систем [10,12,15,16,17].

При анализе результатов измерений: построенных кривых распределения, определяют время осаждения частиц отдельных фракций полидисперс­ных систем, по уравнениям рассчитывают скорости их осаждения и соответствующие им размеры частиц.

,

где r – радиус частиц, H – высота столба жидкости, h - вязкость системы,

g - ускорение свободного падения, t – время, r - плотность твердой фазы,

r_о - плотность жидкой фазы.

Размер частицы дисперсной фазы обычно характеризуют радиусом частицы, реже объемом или площадью ее поверхно­сти. Радиус однозначно определяется только, для частиц сферической формы. Для частиц неправильной формы - условная величина и его значение зависит от экспериментальной формы.

По результатам проведенных экспериментов были построены кривые седиментации (См. рис х-у в приложении), определено процентное соотношение отдельных фракций, построены дифференциальные кривые распределения (рис. х,y в приложении).

Анализируя кривые распределения можно приближенно говорить о преобладании частиц одной из фракций в системе, размеры частиц и скорости оседания которой приведены в таблице 1.

Таблица 1. Результаты седиментационного анализа суспензий.

Радиус основной фракции графита, как в воде, так и масле больше чем радиус частиц дисульфида молибдена. Соответственно и скорости оседания частиц у графита выше, чем скорости оседания частиц у дисульфида молибдена.

Следовательно, коллоидная система масло – дисульфид молибдена более устойчива, чем суспензия масло – графит. Дисульфид молибдена благодаря меньшему радиусу частиц будет лучше адсорбироваться, взаимодействовать с поверхностью.

2.2.2 Определение поверхностного натяжения

Поверхностное натяжение это величина, которую можно представить либо силой, действующей на единицу длины границы раздела фаз и обуславливающей сокращение поверхности жидкости, либо работой, совершаемой при образовании новой поверхности. Связь поверхностного натяжения с адсорбцией доказаны через уравнения состояния, в которых чем ниже поверхностная энергия, тем выше адсорбционное взаимодействие, что положительно влияет при модификации поверхности антифрикционными добавками. Соответственно, чем ниже поверхностное натяжение на границе раздела фаз, тем выше адгезия. При всех плюсах низких значения поверхностного натяжения обнаруживается существенный недостаток, а именно высокие значения растекания смазочного материала, что приводит к большому расходу смазочного материала. Для решения данной проблемы возможно использования дополнительного смазочного материала, барьерной смазки, которая обладает большими значениями поверхностного натяжения и создающая энергетический барьер на пути миграции масла, например на торцах подшипников. Однако нужно следить, чтобы барьерная смазка не попадала в узел трения во избежании заклинивания, образования задиров и повреждения целостности барьера, препятствующего растеканию смазки.

Поверхностное натяжение определяют различными способами, в данной работе используется относительный вариант метода, когда одна из жидкостей (дистиллированная вода), поверхностное натяжение которой при данной температуре точно известно, выбирается в качестве стандартной. Расчет поверхностного натяжения исследуемой жидкости производят по формуле:

,

где σ_o, ρ_o, n_o - поверхностное натяжение, плотность, число капель для дистиллированной воды; σ, ρ, n - соответствующие величины для исследуемого раствора.

  Сталагмометр представляет собой либо стеклянную трубку с расширением посередине и капилляром в нижней части; расширенная часть ограничена двумя метками, либо бюретку. По результатам эксперимента строят зависимости поверхностного натяжения от концентрации добавки и температуры[10, 12,15,16,18].

Рис. 5. Кривые зависимости поверхностного натяжения от температуры суспензии графита в масле.