Влияние смазочного композиционного материала с наночастицами дисульфида вольфрама на трение в подшипниках качения

УДК 621.2.082.18

ВЛИЯНИЕ СМАЗОЧНОГО КОМПОЗИЦИОННОГО МАТЕРИАЛА

С НАНОЧАСТИЦАМИ ДИСУЛЬФИДА ВОЛЬФРАМА НА ТРЕНИЕ

В ПОДШИПНИКАХ КАЧЕНИЯ

А. Д. Бреки, В.В. Медведева, Ю.А. Фадин, О.В. Толочко, Е.С. Васильева,

А.Н. Сергеев, Д.А. Провоторов, А.Е. Гвоздев, Н.Е. Стариков

Представлены результаты исследования влияния наночастиц дисульфида вольфрама на трение в радиальных подшипниках лёгкой серии, смазываемых жидким смазочным материалом. Для создания жидкого смазочного композиционного материала были использованы полученные методом газофазного синтеза наночастицы дисульфида вольфрама размером 40 нм.

Ключевые слова: жидкие смазочные композиции, дихалькогениды вольфрама, наночастицы, газофазный синтез, трение, износ.

Величина потерь на трение в подшипниках качения имеет большое значение во многих машинах и приборах. Несмотря на высокий КПД отдельного подшипника (около 0,995 и выше), во многих машинах, особенно с длинными и разветвлёнными кинематическими цепями, их общее число бывает настолько велико, что может существенно влиять на сумму энергетических потерь. Известно [1], что в сложных коробках скоростей с большим количеством валов, например, у металлорежущих станков, общий КПД может составлять всего 60...70 % и меньше, главным образом, вследствие потерь на трение в подшипниках качения. Что касается приборов, то любые потери на трение в измерительных цепях влияют на точность получаемых показаний. По мере износа элементов подшипников качения в результате истирания, усталостного выкрашивания [2] и т.д. также происходит увеличение энергетических потерь на трение. В связи с интенсификацией нагрузок и скоростей в современных машинах и механизмах, а также в связи с их развитием и усложнением возникает необходимость снижения потерь на трение в подшипниковых узлах.

Для снижения энергетических потерь на трение в подшипниках, смазываемых маслами, наряду с жидкими присадками используются высокодисперсные добавки твёрдых смазочных веществ. Хорошими добавками для уменьшения энергетических потерь на трение, имеющими слоистую структуру, являются такие вещества, как графит, дисульфид молибдена, тетраборат натрия, хлорид кадмия, нитрид бора, иодид свинца, хлорид кобальта, сульфат серебра и стеарат цинка. Широкое использование имеют также сульфиды тяжёлых металлов, селениды и теллуриды [3]: Мо82, Ш8е2, Ш82, №82, №8е2, Та82, Та8е2. В большинстве случаев они имеют слоистую гексагональную структуру, хорошие антиокислительную и химическую стабильность и электропроводимость и применяются в виде по-

рошков, суспензий, золей и антифрикционных лаковых покрытий. Данные высокоанизотропные материалы обладают различной прочностью на срез в разных направлениях кристаллической решётки. Частицы твёрдых смазочных материалов взаимодействуют с поверхностями деталей и в процессе трения ориентируются базовыми плоскостями кристаллитов почти параллельно направлению скольжения, что обеспечивает срез частиц вдоль плоскостей спайности под воздействием тангенциальных сил. Именно в этом направлении сопротивление срезу незначительно, что и объясняет механизм смазочного действия твёрдых смазочных веществ. Известно, что коллоидные дисперсии твёрдых смазочных материалов проявляют проти-возадирные, противоизносные, антифрикционные и антипиттинговые свойства [4].

Целью настоящей работы является оценка влияния на трение в подшипниках качения смазочных композиционных материалов с матрицей из минерального смазочного масла «МС-20» и наполнителем из полученных методом газофазного синтеза наночастиц дисульфида вольфрама со средним размером частиц 40 нм в различных концентрациях.

Исследование влияния смазочных композиций на трение в подшипниках качения было реализовано на экспериментальном стенде ДМ-28М (рис.1.) [5, 6].

1 - литой корпус, 2 - электродвигатель, 3 - ременная передача, 4 - вал,

5 - рез ервуар для масла,

6 - испытуемые подшипники,

7 - общая втулка. 8 - стакан, 9- корпус, 10- нагружающий винт, 11 - вороток, 12 - динамометр, 13 - гайка, 14 - индикатор, 15-поршень, 16-винт, 17- фоторезистор, 18 - электролампа, 19 - диск, 20 - груз, 21 - штанга, 22 - стрелка,

23 - шкала моментов,

24 - лопатка, 25 - масляная ванна.

Рис. 1. Схема установки ДМ-28М

Установка позволяет определять характеристики трения покоя, а также проводить испытания при частоте вращения вала от 0 до 1000 об/мин. Суммарная нагрузка на подшипники в данной испытательной установке лежит в пределах от 0 до 8000 Н.

Смазывание испытуемых подшипников осуществляется при нормальном уровне масла (центр нижнего тела качения).

Для реализации исследований влияния жидких смазочных композиций на трение в подшипниках качения выбрали шариковые радиальные однорядные подшипники 208-й серии.

Ряд нагрузок на узел трения при испытаниях имеет следующий вид:

} = {500Н ;1000Н ;2000Н ;4000Н ;8000Н }.

Ряд частот вращения вала при испытаниях имеет следующий вид:

г ^ Г об ___об ___об ___об __об ]

{п.} = \ 0-;100-;200-;300-;400-к

мин

мин

мин

мин

мин

Количество повторных измерений момента трения по шкале 23 в границах одной серии испытаний равно 10. Средняя температура в узле трения поддерживалась на уровне 30 0С во всех сериях испытаний.

Графики зависимости момента трения в подшипниковом узле от нагрузки при фиксированных частотах вращения для базового масла МС-20 приведены на рис. 2.

Рис. 2. Зависимости момента трения от нормальной нагрузки на подшипники при испытаниях базового масла МС-20

На основании анализа полученных данных зависимость момента трения от нормальной нагрузки на подшипники и частоты вращения вала можно приблизительно выразить следующей функцией:

T(F,n) = 5,8 - Ю-6 • F2 - 0,0054 • F +1,5 • n +172,

где Т - момент трения; F — нагрузка на узел трения; п - частота вращения.

Из полученных зависимостей видно, что при использовании базового смазочного масла МС-20 приращение момента трения с увеличением частоты вращения вала происходит равномерно.

Графики зависимости момента трения от нормальной нагрузки на подшипники при испытаниях смазочных композиций с наночастицами дисульфида вольфрама приведены на рис. 3.

Рис. 3. Зависимости момента трения от нормальной нагрузки на подшипники при испытаниях МС-20 с наночастицами WS2

Зависимости момента трения от нагрузки на узел трения и частоты вращения вала при различных концентрациях наночастиц имеют вид Т(Р,п) |с=0 5% = 6,7 • 10-6 • Р2 - 0,015 • Р +1,5 • п +160 ,

Т

Т(Р,п)|с=4% = 7,3 -10-6 • Р2 -0,018 • Р +1,5 • п + 215.

Из полученных зависимостей так же, как и в случае с базовым маслом, видно, что приращение момента трения с увеличением частоты вращения вала происходит относительно равномерно при различных концентрациях наночастиц дисульфида вольфрама.

При нулевой нагрузке на узел (в процессе трения действует только собственный вес подшипников и обоймы) в режиме трения покоя (фиксируется максимальный момент, после которого начинается движение) наблюдается некоторое снижение момента трения в интервале 10...40 %. С увеличением частоты вращения вала при ненагруженном узле происходит повышение момента трения, причём смазочные композиции при малых концентрациях WS2 немного снижают момент трения относительно базового масла (3.8 %), либо несколько увеличивают его (2.12 %) при концентрациях 2.4 % за счёт увеличения гидродинамического сопротивления при возрастании вязкости.

При максимальной нагрузке 8000 Н на узел в режиме трения покоя также наблюдается некоторое снижение момента трения в интервале 11.17 %. С увеличением частоты вращения вала при нагруженном узле происходит повышение момента трения, причём смазочные композиции при разных концентрациях наноструктур по-разному снижают момент трения: 0,5 % WS2 (40 нм) на 5.11 %, 1 % WS2 (40 нм) на 4.7 %, 2 % WS2 (40 нм) на 1.6 %, 4 % WS2 (40 нм) близко к базовому маслу.

Поскольку функционирование шарикового подшипника реализуется преимущественно в режиме трения качения, но существуют явления скольжения и проскальзывания тел качения, то возникает необходимость оценки влияния наноструктур на трение скольжения шарика по диску (кольцу). Для оценки снижения энергетических затрат в условиях трения скольжения при наличии наноструктур в смазочном масле была использована универсальная машина трения 2070 СМТ-1 (аналог машины трения ИИ5018). Испытания проводились по схеме «шар - ролик». Подвижный образец (ролик) состоял из стали Р6АМ5, неподвижный (шар) - из стали ШХ-15. Трущиеся образцы предварительно смазывались испытуемой смазочной композицией и приводились в контактное взаимодействие. Смазывание трибосистемы в процессе трения реализовывалось окунанием в исследуемую смазочную композицию. Контактное взаимодействие подвижного и неподвижного образцов реализовывалось с нормальной силой 147 Н. Частота вращения подвижного образца составляла 500 об/мин. Объ-

ём испытуемого жидкого смазочного материала в ёмкости составлял 90 см , диаметр сферического образца - 8 мм, а диаметр ролика - 50 мм. Путь трения при испытаниях достигал 2000 м.

На рис. 4 показан график зависимости момента трения от концентрации наночастиц дисульфида вольфрама в масле МС-20.

0.5

2

Й -•-'-'-

О 12 3 4

Концентрация WSj tc. %}

Рис. 4. Зависимость момента трения от концентрации наночастиц дисульфида вольфрама в базовом масле МС-20

В результате проведённого исследования установлено, что введение 0,5 % (по массе) наночастиц WS2 в МС-20 способствует снижению момента трения в условиях скольжения на 41 %, при 1 % наночастиц происходит снижение момента на 44 %, при 2 % момент трения снижается на 41 %, а при 4% момент трения уменьшается на 12 %.

На основании полученных результатов исследований можно сделать следующие выводы.

1.Полученные методом газофазного синтеза антифрикционные на-ночастицы дисульфида вольфрама наиболее существенно проявляют себя в режиме трения покоя, снижая силу трения, после преодоления которой возникает движение. С увеличением нагрузки на подшипники антифрикционное действие частиц сохраняется, также происходит снижение максимальной силы трения покоя. Данный результат стендовых исследований показывает, что использование смазочных композиций с наночастицами WS2 может быть полезно для узлов, работающих в условиях частых запусков и остановок.

2.В легко нагруженном подшипниковом узле использование нано-частиц WS2 в концентрациях до 1 % способствует небольшому снижению силы трения движения на 3...8 %. Поскольку общее количество оборотов подшипников на протяжении всего их функционирования может быть достаточно большим, то и суммарные энергетические потери также представляются существенными, в связи с этим даже небольшие снижения трения являются полезными с точки зрения энергосбережения. При концентрациях более 1 % происходит увеличение трения за счёт гидродинамического сопротивления.

3. В более нагруженном подшипниковом узле (8000 Н) использование наночастиц WS2 в концентрациях до 2 % способствует небольшому снижению силы трения движения. Причём с увеличением концентрации наночастиц степень снижения трения уменьшается. Это связано с увеличением гидродинамического сопротивления, вызванного увеличением вязкости смазочного слоя при добавлении дисперсной фазы.

4. Введение антифрикционных наночастиц WS2 в смазочный слой способствует снижению силы трения скольжения подшипникового шара по диску на 12.44 %. В связи с этим смазочная композиция может быть полезна в условиях заклиниваний, проскальзывания тел качения в нормальных условиях эксплуатации (из-за погрешностей изготовления тел качения и других элементов), в условиях изменения формы элементов подшипника в результате выкрашивания, бринеллирования, истирания, а также в условиях воздействия абразивных частиц.

Работа выполнена при поддержке гранта Российского научного фонда по приоритетному направлению деятельности «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований по приоритетным тематическим направлениям исследований» в рамках научного проекта "Формирование беспористых покрытий из нанокомпозици-онных материалов типа «износостойкая матрица - наночастицы дисульфида молибдена (вольфрама)», обладающих низким коэффициентом трения, методом химического осаждения из газовой фазы", № 15-13-00045.

Работа выполнена при поддержке гранта РФФИ № 13-08-00553 в рамках государственного задания при финансовой поддержке Минобрнауки России. Коды проектов: № 933-2014, № 1972-2014.

Список литературы

1. Розенберг Ю.А. Влияние смазочных масел на долговечность и надёжность деталей машин. М.: Машиностроение, 1970. 315 с.

2. Гаркунов Д.Н. Триботехника. М.: «Машиностроение», 1985.

424 с.

3. Кламанн Д. Смазки и родственные продукты. Синтез. Свойства. Применение. Международные стандарты / пер. с англ.; под ред. Ю.С. Заславского. М.: Химия, 1988. 488 с.

4. Смазочные материалы; антифрикционные и противоизносные свойства; методы испытаний: справочник / под ред. Р.М. Матвеевский, В.Л. Лашхи, И.А. Буяновский и др. М.: Машиностроение, 1989. 224 с.

5. Методика исследования влияния смазочных материалов на три-ботехнические характеристики подшипников качения. / С.Г. Чулкин, М.М. Радкевич, А. Д. Бреки, И.В. Соловьёва // Материалы, технологии и обору-

84

дование в производстве, эксплуатации, ремонте и модернизации машин: сб. науч. трудов 7-й Междунар. науч.-техн. конф.: в 3 т. Т.2 / под общ. ред. П.А. Витязя, С.А. Астапчика. Новополоцк: ПГУ, 2009. С. 91 - 94.

6. Research of base and alloyed oil MC-20 influence on the tribotechnic-al characteristics of roller bearings / S.G. Chulkin, A.D. Breki, I.V. Soloviova, M.M. Radkevich // Bialystok university of technology, faculty of mechanical engineering. Acta mechanica et automatica. Quarterly Vol. 3. No. 4(10). 2009. P. 21 - 23.

Бреки Александр Джалюльевич, канд. техн. наук, доц., зам. зав. кафедрой, al-hreki'a yandex. ru, Россия, Санкт-Петербург, Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого,

Медведева Виктория Валерьевна, асп., vikamvamail.ru, Россия, Санкт-Петербург, Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого,

Фадин Юрий Александрович, д-р техн. наук, зав. лабораторией, fadinsphayandex. ru, Россия, Санкт-Петербург, Институт проблем машиноведения РАН,

Толочко Олег Викторович, д-р техн. наук, проф., директор научно-технологического комплекса «Материалы и технологии», plast-ftimamail.ru, Россия, Санкт-Петербург, Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого,

Васильева Екатерина Сергеевна, канд. техн. наук, доц., katrinfra inhox.ru, Россия, Санкт-Петербург, Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого,

Сергеев Александр Николаевич, д-р техн. наук, проф., ansergueevagmail.com, Россия, Тула, Тульский государственный педагогический университет им. Л.Н. Толстого,

Провоторов Дмитрий Алексеевич, канд. техн. наук, ведущий инженер-конструктор, prodm_ytaramhler.ru, Россия, Тула, ООО «НПП «Вулкан-ТМ»,

Гвоздев Александр Евгеньевич, д-р техн. наук, проф., technologya tspu.tula.ru, Россия, Тула, Тульский государственный педагогический университет им. Л.Н. Толстого,

Стариков Николай Евгеньевич, д-р техн. наук, проф., зам. зав. кафедрой, stari-kov taii a mail. ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет

THE INFLUENCE OF LUBRICATING COMPOSITE MATERIAL WITH NANOPARTICLES OF TUNGSTEN DISULFIDE FRICTION IN ROLLING BEARINGS

A. D. Breki, V. V. Medvedeva, Yu. A. Fadin, O. V. Tolochko, E. S. Vasilyeva,

A. E. Gvozdev, N.E. Starikov 85

In work results of research of influence of nanoparticles of tungsten disulfide friction radial bearings light series, oil lubricated with liquid lubricant. To create a liquid lubricating composite material used were obtained by gas-phase synthesis of nanoparticles of tungsten disulfide the size of 40 nm.

Key words: liquid lubricating composition, the tungsten dichalcogenides, nanoparticles, gas-phase synthesis, friction, wear.

Breki Alexander Dzhalyulevich, candidate of technical sciences, docent, deputy, head of chair, albreki@yandex.ru, Russia, Saint-Petersburg, St. Petersburg Polytechnic University of Peter the Great,

Medvedeva Victoria Valerevna, postgraduate, vikamv@mail.ru, Russia, St. Petersburg, St. Petersburg Polytechnic University of Peter the Great,

Fadin Yuri Alexandrovich, doctor of technicale sciences, professor, head of the laboratory, fadinspb@yandex.ru, Russia, St. Petersburg, Institute of problems of mechanical engineering RAS,

Tolochko Oleg Viktorovich, doctor of technical sciences, professor, director of scientific-technological complex "Materials and technologies", plast-ftim@,mail.ru, Russia, St. Petersburg, St. Petersburg Polytechnic University of Peter the Great,

Vasilyeva Ekaterina Sergeevna, candidate of technical sciences, docent, ka-trinfr@,inbox.ru, Russia, St. Petersburg, St. Petersburg Polytechnic University Peter the Great,

Sergeev Aleksandr Nikolaevich, doctor of pedagogical scienses, professor, ansergueev@gmail.com, Russia, Tula, Tula State Leo Tolstoy Pedagogical University,

Provotorov Dmitriy Alekseevich, candidate of technical sciences, leading design engineer, pprodmyt@rambler.ru, Russia, Tula, SME «Vulkan-TM»,

Gvozdyev Alexander Evgenievich, doctor of technical sciences, professor, technolo-gy@,tspu.tula.ru, Russia, Tula, Tula State Leo Tolstoy Pedagogical University,

Starikov Nikolay Evgenevich, doctor of technicale sciences, professor, deputy head of chair, starikov taii@,mail.ru, Russia, Tula, Tula State University