материал предоставил СИДОРОВ Александр Владимирович
в соавторстве с РАТУШНЫМ Дмитрием Александровичем (ОАО “Донецкий проектно-конструкторский технологический институт”)

Рассмотрены вопросы выбора смазочных композиций для решения задачи снижения износа трущихся деталей, исходя из конкретных условий эксплуатации оборудования. Предложены методы оценки воздействия смазочных материалов на пару трения в условиях, максимально имитирующих реальные.

Рациональный подбор смазочных материалов, своевременная и качественная смазка оборудования являются одними из основных условий увеличения срока службы, повышения работоспособности и сохранения технологической точности механизмов и машин. Износ, вызываемый трением, – наиболее насущная проблема технического обслуживания механического оборудования на этапе эксплуатации. Расходы на восстановление механизмов и машин в результате износа огромны и имеют тенденцию к росту.

Несмотря на высокую практическую значимость, многие аспекты трения как явления до настоящего времени не имеют фундаментального теоретического обоснования. При трении одновременно имеют место механические, электрические, тепловые, химические и прочие процессы. Трение может упрочнить или разупрочнить металл, повысить в нем содержание углерода или наоборот понизить, вызвать наводораживание или привести к обезводораживанию, отполировать детали или сварить их. Трение – самоорганизующийся процесс, при котором могут протекать как явления разрушения поверхностей, так и противоположные, создающие условия для снижения износа, вплоть до достижения эффекта безызносности, сопровождающегося уменьшением величины сил трения [1].

Одним из важнейших направлений в развитии триботехники является разработка и внедрение смазочных композиций (СК), которые за счёт снижения трения, а, следовательно, и износа деталей машин позволяют:

  • оптимизировать затраты на обслуживание и ремонт оборудования;
  • рационально использовать смазочные материалы и вместе с тем повысить срок службы оборудования;
  • снизить потребление энергии за счёт повышения коэффициента полезного действия;
  • уменьшить вероятность аварийных остановок и связанных с ними материальных затрат.

В настоящее время отсутствуют чёткие рекомендации по выбору СК для узлов трения, эксплуатирующихся в конкретных условиях, зависящих от:

  • режимов нагружения;
  • качества изготовления деталей и сборки узлов;
  • типов конструкционных материалов;
  • остаточного моторесурса;
  • видов и причин износа;
  • кинематических характеристик трущихся деталей;
  • температурных режимов;
  • прочих факторов.

Ситуацию усугубляет отсутствие универсальных СК, одинаково хорошо зарекомендовавших себя в различных условиях эксплуатации.

Целью данной работы является анализ подходов к выбору СК, исходя из конкретных условий эксплуатации оборудования.

СК – это смазочный материал, кроме основной фазы (продукта нефтепереработки), содержащий одну или несколько присадок, влияющих на свойства основной фазы (носителя).

Значительная часть выпускаемых масел и консистентных смазок включает некоторые легирующие добавки различного назначения (вязкостные, противоизносные, обкаточные, противозадирные, антипенные и др.). Такие присадки стандартизированы и могут поступать на рынок в виде самостоятельного товара.

Антифрикционные смазочные материалы, штатно применяемые во всех отраслях промышленности, характеризуются такими основными параметрами как:

  • внешний вид;
  • температура каплепадения;
  • пенетрация;
  • массовая доля посторонних механических примесей;
  • вязкость;
  • коррозионное воздействие на металл;
  • коллоидная стабильность;
  • массовая доля воды;
  • испаряемость;
  • трибологические характеристики, получаемыми на четырёхшариковой машине трения при температуре 20 °С.

Перечисленные параметры не всегда способны подтвердить или опровергнуть способность смазочного материала воздействовать на пару трения, эксплуатируемую в конкретных условиях.

Принцип действия четырёхшариковой машины трения основан на использовании узла трения, представляющего собой пирамиду из четырёх контактирующих друг с другом стальных шариков диаметром 12,7 мм из термообработанной стали ШХ-15 не ниже II степени точности. Три нижних шарика пирамиды закрепляются неподвижно в узле трения – специальной чаше, в которую помещается испытуемый смазочный материал. Верхний шарик закрепляется во вращающемся шпинделе машины трения. Нижние шарики прижимаются к верхнему с заданной осевой нагрузкой и при испытании неподвижны друг относительно друга. По величине пятна износа на нижних шариках при различных нагрузках, в соответствии с методикой, изложенной в [2], определяются индекс задира, критическая нагрузка и показатели износа.

В действительности достаточно небольшое количество узлов трения эксплуатируется при столь специфичных условиях:

  • рассматривается пара трения – термообработанная сталь ШХ-15 с аналогичной ответной частью;
  • постоянная частота вращения – 1470 об/мин;
  • период проведения испытаний – 10 с или 60 мин.;
  • отсутствует движение смазочного материала;
  • пара трения имеет точечное пятно контакта.

Другими словами, при сравнении смазок специалист промышленного предприятия сопоставляет относительные величины, которые не гарантируют работоспособность смазки в конкретных условиях, что в итоге влечёт за собой необходимость испытания на технологическом оборудовании предприятия и опытный подбор смазочного материала.

В настоящее время наблюдается значительный прирост наименований СК и присадок. Вместе с тем отдельные компоненты СК – это хорошо забытые старые (например, дисульфид молибдена или серпентиниты), большинство же – являются “ноу-хау” производителя, составы которых не разглашаются. Ряд СК и присадок рекомендуется к повсеместному использованию, для других область применения ограничивается. Имея одно назначение, различные СК и присадки могут быть рекомендованы несколькими производителями одновременно. Причём последние уходят от прямых объяснений, чем кроме цены отличаются данные продукты, да и само обоснование формирования цены продукта, как правило, остаётся неизвестным.

В виду отсутствия общепринятой классификации авторами предложено провести дифференциацию присадок в зависимости от механизма воздействия на трущиеся поверхности трения:

  • микрошлифование поверхностей;
  • снижение трения и износа за счёт введения в носитель третьих тел;
  • модификация поверхностей;
  • плакирование поверхностей;
  • комплексная обработка поверхностей.

Опыт практического применения СК показывает, что одни и те же составы в одном случае могут давать положительный эффект, в другом – эффект не обнаруживается, а в третьем – эффект отрицательный. Ни по одной из отраслей промышленности в настоящее время не проводился и не проводится мониторинг касательно вопроса эффективности применения различных СК в конкретных условиях.

Для эффективного решения данного вопроса на базе ОАО “Донецкий проектно-конструкторский технологический институт” (ДонПКТИ) создана лаборатория, основным видом деятельности которой является изучение воздействия различных смазочных материалов на пары трения в конкретных условиях. Лаборатория ДонПКТИ совместно с “Институтом физики полупроводников им. В.Е. Лашкарева НАН Украины” (Киев) и ГВУЗ “Донецкий национальный технический университет” выполняет работы по установлению рациональных границ применения СК на основе определения таких параметров как:

  • коэффициент трения (качения, скольжения) в зависимости от параметров нагружения;
  • оценка несущей способности пары трения в зависимости от параметров нагружения;
  • температура нагрева узла трения в зависимости от параметров нагружения;
  • износостойкость пары трения (ресурсные испытания);
  • образование плакирующего слоя на поверхности трения;
  • образование легированного поверхностного слоя, состав и глубина диффузионного проникновения легирующих элементов.

Приведенные параметры позволяют дать обоснованное заключение с указанием качественных и количественных показателей испытуемых материалов, сформулировать рекомендации по наиболее эффективному применению СК.

В ДонПКТИ разработана методика по оценке воздействия смазочных материалов на пару трения, включающая следующие этапы:

  1. Изучение предоставленной информации об испытуемых смазочных материалах.
  2. Разработка и согласование последовательности проведения испытаний, которая оговаривает порядок проведения испытаний, период фиксации данных испытаний, продолжительность испытаний, параметры нагружения, температурные режимы, тип и материал пары трения и др. с целью наибольшего приближения к реальным условиям эксплуатации оборудования.
  3. В процессе испытаний фиксируются приведенные ранее параметры СК, на основании которых производится сравнительный анализ испытуемых материалов с базово применяемыми смазками или друг с другом.
  4. Визуальная оценка состояния поверхностей трения до и после испытаний.
  5. Микрорентгеноструктурный анализ поверхностного слоя пары трения исследуемого образца с определением химических составляющих легирующего материала.

Проведение испытаний СК на базе ДонПКТИ позволяет избежать экспериментов на оборудовании предприятия, а также получить рекомендации по применению любого типа СК для конкретных условий эксплуатации оборудования.

Выводы

  1. Обоснована необходимость повышенного внимания к выбору и применению смазочных материалов на этапе эксплуатации оборудования. Современные тенденции указывают на перспективность использования СК, направленных на получение необходимых условий трения.
  2. Отмечена несостоятельность общепринятых подходов выбора СК для конкретных условий эксплуатации оборудования. Данная задача остаётся нерешённой, что в каждом отдельном случае приводит к необходимости проведения экспериментов на собственном технологическом оборудовании.
  3. Предложена классификация присадок в зависимости от механизма воздействия на трущиеся поверхности.
  4. Разработана методика оценки воздействия смазочных материалов на пару трения на основе предложенного перечня параметров в условиях, максимально имитирующих реальные.

Перечень ссылок

  1. Гаркунов Д.Н. Триботехника износ и безызносность. Учебник. – 4-е изд. перераб. и доп. – М.: Изд-во МСХА, 2001. – 616 с.
  2. ГОСТ 9490-75. Материалы смазочные жидкие и пластичные. Метод определения трибологических характеристик на четырехшариковой машине. // Взамен ГОСТ 9490-60; введ. 1978-01-01. – М.: Изд-во стандартов, 1978. – 40 с. – (Межгосударственный стандарт).