Перспективы использования модернизированных смазочных материалов в пожарной и аварийно-спасательной технике

УДК 669.058

В.В. Киселев, А.В. Топоров, П.В. Пучков

ПЕРСПЕКТИВЫ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ МОДЕРНИЗИРОВАННЫХ СМАЗОЧНЫХ МАТЕРИАЛОВ В ПОЖАРНОЙ И АВАРИЙНО-СПАСАТЕЛЬНОЙ ТЕХНИКЕ

Узлы и механизмы пожарной техники подвержены интенсивному износу. Разработана и исследована противоизносная присадка на основе солей меди и олова к маслам и смазкам. Разработанная смазка реализует избирательный перенос при трении, что существенным образом снижает износ и способствует повышению надёжности и долговечности пожарной техники.

Ключевые слова: смазка, износ, трение.

V. Kiselyov, A. Toporov, P. Puchkov

PROSPECTS OF USING THE IMPROVED LUBRICANT MATERIALS IN THE FIRE AND RESCUE EQUIPMENT

Units and mechanisms of fire equipment have high wear. The article puts forward a design of anti-wear lubricating composition containing the copper and tin salts. The lubricating composition implements the selective transfer that permits to reduce fire equipment wear and improve its reliability.

Keywords: lubricant, wear, friction.

Повышение надёжности автотранспортных средств, используемых в системе МЧС и в любой другой сфере, является важной хозяйственной задачей. Результаты анализа эксплуатационных испытаний, например, грузовых автомобилей, используемых также в МЧС, на пробегах, близких к капитальному ремонту, в качестве основной причины отказов указывают на преждевременный износ трущихся поверхностей. При этом 45 % отказов двигателя, 83 % сцепления, 98 % карданной передачи, 73 % заднего моста, 58 % переднего моста и 79 % рулевого управления происходят вследствие износа ограниченного количества быстроизнашивающихся деталей. Поэтому общая задача повышения долговечности автомобиля в большинстве случаев сводится к увеличению износостойкости отдельных деталей, лимитирующих надёжность узлов, систем и всего агрегата в целом.

Не секрет, что интенсивно используемая автомобильная техника подвержена негативным воздействиям ряда факторов. Это и неустановившийся режим работы, и реверс, и вибрации, и возможность попадания абразивных частиц в зону контакта трущихся поверхностей, и разнообразие внешних условий эксплуатации, вызванное как переменными нагрузками, так и изменениями в окружающей среде, - всё это приводит к существенному повышению интенсивности изнашивания трущихся поверхностей деталей машин.

Применительно к пожарной технике эта проблема наиболее актуальна, поскольку в данной сфере двигатели автомобилей кроме транспортного режима эксплуатируются ещё и в стационарном режиме в качестве привода на насос, кроме того, они работают и без нагрузки в режиме прогрева и при смене караула. Изнашивание механизмов приводит к ухудшению их технических характеристик, снижению скорости движения пожарных автомобилей, подачи и напора, развиваемых пожарными насосами, и в результате - к преждевременной постановке автомобилей на техническое обслуживание.

Ситуация обостряется тем, что около 45 % находящихся пожарных автоцистерн, являющихся основным техническим средством пожарной охраны, обеспечивающим ведение боевых действий по тушению пожаров и ликвидации чрезвычайных ситуаций, выработали установленный ресурс, морально устарели и подлежат замене.

На протяжении последних лет снабжение материально-техническими ресурсами органов управления и подразделений ГПС не позволяет кардинально решить проблему качественного укомплектования подразделений современной пожарно-спасательной техникой. Обеспеченность

подразделений государственной противопожарной службы МЧС России основными видами пожарной техники и пожарно-технического вооружения, согласно имеющейся штатной положенно-сти (из них с превышением срока службы и подлежит списанию), в 2008 году составляла в ряде регионов Российской Федерации:

основные пожарные автомобили - 86,2 % (подлежит списанию 47,1 %);

специальные пожарные автомобили - 71,0 % (подлежит списанию 37,7 %);

оперативно-служебный и специализированный транспорт - 73,2 % (подлежит списанию 32,6 %);

средства индивидуальной защиты органов дыхания пожарных - 82,3 % (подлежит списанию 33,0 %) [1].

Наиболее действенным и эффективным методом борьбы с износом является использование в узлах трения качественных смазочных материалов. Часто складывается на практике такая ситуация, когда пожарный автомобиль стоимостью в сотни тысяч рублей смазывают в лучшем случае солидолом, в то время как в обычных «жигулях» используют дорогие высококачественные смазки. Стоимость смазки ничтожно мала по отношению к стоимости узлов, а вот польза, которую можно получить при использовании хорошей смазки, может быть огромна.

Для решения вопроса улучшения применяемых масел предлагается к использованию разработанная металлоплакирующая присадка. Присадка представляет собой стеарат мягких металлов насыщенных и ненасыщенных жирных кислот растительных масел. Мягкие металлы в стеарате находятся в виде комплекса, который разрушается с выделением химически чистых металлов только в зоне трения, где присутствуют нормальные и сдвигающие нагрузки и повышение температуры. Химически чистые металлы очень активны и практически мгновенно восстанавливаются на металлических поверхностях деталей узлов трения, предотвращая непосредственный контакт пары трения.

Разработанная присадка хорошо растворима в минеральных и полусинтетических маслах, не выпадает в осадок и не задерживается фильтрами. Эффект безызносности в узлах трения достигается благодаря вводу в зону трения масел с присадками, содержащими металлические компоненты.

Действие разработанной присадки основано на явлении избирательного переноса, связанного с формированием на поверхности металла тончайших плёнок меди и других мягких металлов, которое позволяет в некоторых случаях добиться минимального износа. Избирательный перенос при трении (эффект безызносности) - явление, по своему характеру противоположное изнашиванию: если при изнашивании во время трения все процессы в зоне контакта сводятся к разрушению поверхности, то процессы при избирательном переносе носят созидательный характер: они необратимы и относятся к самоорганизующимся процессам неживой природы.

За последние четверть века использование избирательного переноса значительно расширилось. Стремление создать материалы для работы в узлах трения машин, реализующие процесс несамопроизвольного восстановления ионов металлов на металлической поверхности и обладающие комплексом положительных свойств, привело к обилию разработок металлосодержащих присадок. В настоящее время трудно указать область машиностроения, в которой избирательный перенос не был бы применён или апробирован.

Образующаяся плёнка мягкого металла на поверхности трения заполняет микронеровности и резко увеличивает фактическую площадь контакта, это приводит к такому же резкому снижению давления, что влечёт за собой снижение температуры в зоне контакта. Прочно сцепленная с поверхностью металла плёнка меди легко подвижна, пластична и имеет квазикристаллическую структуру, напоминающую расплав. Она пропускает микронеровности трущихся поверхностей и смыкается после прохода этих микронеровностей. Поскольку толщина медной плёнки превышает

высоту микронеровностей, то процесс трения локализуется в этой плёнке. Это приводит к снижению износа в десятки раз, а коэффициента трения - в сотни раз.

Исследование триботехнических характеристик смазочных материалов проводилось на машине для испытания материалов на трение и износ модели СМТ-1 (АО "Точприбор" г. Иваново), упрощённая схема которой представлена на рис. 1.

При исследовании износостойкости образца в масле с разработанной присадкой режимы трения были выбраны усреднёнными применительно к режимам работы большинства узлов трения машин и аппаратов. При этом скорость скольжения контртела по образцу составляла 1 м/с. Нагрузка при испытаниях повышалась ступенчато до резкого увеличения момента трения, путь трения при смазке маслом с присадками составлял 30 км. Смазочная композиция вводилась в зону трения капельным способом - 8 - 10 капель в минуту.

Образцы для испытаний масел изготавливались из стали 45 с твёрдостью (HRC 40...42). Все образцы имели поверхности 8 класса шероховатости. Контртелом служили ролики d = 40 мм, изготовленные из стали 45 с твёрдостью HRC 35...40. Измерение линейного износа проводили методом «искусственных баз» по заранее нанесённым отпечаткам на твердомере ТКС-1 М коническим твёрдосплавным индентором с углом при вершине 120°. Диаметры отпечатков определялись с помощью микроскопа МБС-10.

Технологический процесс получения металлосодержащей присадки может быть осуществлён как на серийном, так и на нестандартном оборудовании в масштабе, зависящем от желаемого годового объёма выпуска продукции. Описание технологического процесса получения стеарата меди и олова на основе композиции масложировых продуктов производится в соответствии с принципиальной разработанной технологической схемой. Для проведения исследований было разработано три типа стеаратов - стеарат меди, стеарат олова и медно-оловянный стеарат.

Для оценки и сравнения разработанных присадок были исследованы следующие триботех-нические характеристики - зависимости коэффициента трения от нагрузки, величины износа от пути трения при постоянной нагрузке и зависимость интенсивности изнашивания от приложенной нагрузки при фиксированном пробеге. Эти характеристики определяют границы работоспособности пары трения. Стойкость материалов к изнашиванию при различных режимах трения определяют ресурс и срок службы узлов трения. На рис. 2 и 3 приводятся основные триботехнические

Рис. 1. Схема испытаний: 1 - нижний (вращающийся) вал; 2 - верхний (неподвижный) вал; 3 - нагружающее устройство; 4 - образец; 5 - контртело; 6 - ванночка для смазочного материала

показатели масла И-40 с разработанными медным и оловянным стеаратами - это зависимость коэффициента трения от давления и зависимость интенсивности изнашивания от давления.

х

ф

п

3

0,3 0,25 0,2 0,15 0,1 0,05 0

0,35 0,3 0,25 0,2 0,15 0,1 0,05 0

А

-А г

4 6

Давление

10

2 4 6 Давление

10

Рис. 2. Зависимость коэффициента трения Рис. 3. Зависимость интенсивности изнашивания

от нагрузки поверхности от давления

- для базового масла И-40;  - для масла И-40 с 1,5% оловянного стеарата; • - для масла И-40 с 1,5% медного стеарата

Анализ зависимостей позволяет сделать следующие выводы:

введение стеарата олова позволяет в 1,3 раза увеличить нагрузочную способность по сравнению со стеаратом меди при одинаковом содержании стеаратов в базовом масле;

коэффициент трения в изученном диапазоне давлений несколько ниже при трении в масле с медным стеаратом, интенсивность изнашивания при этом практически одинаковая.

Введение в серийно выпускаемое минеральное масло разработанного медного стеарата позволило качественно улучшить его основные триботехнические показатели. В частности, коэффициент трения снизился в среднем в 2 раза, нагрузочная способность возросла примерно на 20 -30 %, износ уменьшился в 3 раза.

Что касается оловянного стеарата (рис. 4), то эта присадка к базовому маслу И-40 позволила получить ещё более значимые результаты. После введения её в масло нагрузочная способность возросла на 30 %, коэффициент трения снизился в среднем в 3 раза, значительно уменьшился износ испытуемой пары трения по сравнению с результатами в присутствии медного стеарата.

Разработанные медный и оловянный стеараты существенно улучшили основные триботехнические показатели масла И-40, однако эффекта безызносности, при котором коэффициент трения контактирующей пары был бы близок к нулю, достигнуто не было.

С учётом данных, полученных после проведения исследований с металлоплакирующими присадками, была разработана новая присадка, содержащая одновременно стеараты меди и олова жирных кислот - медно-оловянный стеарат. Для исследования основных триботехнических характеристик было приготовлено шесть однотипных присадок, отличающихся содержанием металлического компонента. Вводимый в смазочный материал медно-оловянный стеарат содержал 10 -30 мас. % в пересчёте на металлическую медь и 3 - 8 мас. % в пересчёте на металлическое олово. Указанное соотношение меди и олова является оптимальным, которое позволяет достичь эффекта безызносности.

0

2

8

0

8

с ш го Ч

81

61

41

21 0-1

5 I

£ н о

0,3-1 0,25] 0,2] 0,15] 0,1| 0,05] 0-1

2

1

2

£ * и 2 0 1 — хгс! шш*

0,3-, 0,250,20,150,10,050-

1

2

Рис. 4. Изменение триботехнических свойств масла И-40 с оловянным стеаратом: 1 - масло И-40 без присадки; 2 - масло И-40 с оловянным стеаратом

Полученные триботехнические зависимости представлены на рис. 5, 6. Можно заметить,

что:

масло, модифицированное медно-оловянным стеаратом, позволило увеличить нагрузочную способность контактирующей пары трения на 50 %;

коэффициент трения в 10 раз ниже, чем при трении в масле без присадки; интенсивность изнашивания в 12 раз меньше, чем при трении в масле без присадки.

0,3

0,25

0,2

£ 0,15

О

* 0,05

4 6

Давление

0,35 0,3

0

0 0,1 0,05 0

2 4 6

Давление

Рис. 5. Зависимость коэффициента трения от давления

Рис. 6. Зависимость интенсивности износа от давления

для базового масла И-40; • - для масла И-40 с 1,5% медно-оловянного стеарата

Проводились исследования с разработанным медно-оловянным стеаратом по определению его рабочего диапазона. При фиксированном давлении и постоянном коэффициенте трения f = 0,025 варьировалась скорость скольжения пары трения. Максимальная величина произведения давления на скорость скольжения - РУ достигала значения до 6 МПа • м/с.

0

Создание несущего сервовитного слоя при смазывании поверхностей трения маслом с разработанной присадкой происходит постепенно и сопровождается увеличением площади контакта и снижением интенсивности изнашивания. Сервовитный слой способен некоторое время сохранять свои свойства и после прекращения подачи масла с присадкой, обеспечивая малый коэффициент трения и малую интенсивность изнашивания. Испытания при нагрузке 5 МПа показали следующее. Контактирующая пара работала в режиме безызносного трения. На отметке 3000 м пробега была произведена замена смазочного материала: вместо масла И-40 с разработанным медно-оловянным стеаратом было применено масло И-40 без добавок. В результате минимальный коэффициент трения в зоне контакта наблюдался ещё в течение 500 м, а затем коэффициент трения начал быстро увеличиваться и вырос более чем в 5 раз. Однако если подачу модифицированного масла в зону трения возобновить, то коэффициент трения быстро возвращается к прежнему уровню.

Анализируя триботехнические свойства разработанного медно-оловянного стеарата и оловянного стеарата можно сделать вывод, что медно-оловянный стеарат при определённом соотношении меди и олова позволяет синергетически воздействовать на улучшение свойств смазочной композиции с присадкой (рис. 7), а в частности увеличивает нагрузочную способность на 10 %; уменьшает коэффициент трения в 4 раза; снижает интенсивность износа поверхности в 3,5 раза.

5 I

а>

£ *

о

о

0,3-. 0,25] 0,2] 0,15] 0,1| 0,05] 0-1

¿т

1

2

Рис. 7. Изменение триботехнических свойств масла И-40 с оловянным и медно-оловянным стеаратами: 1 - масло И-40 без присадки; 2 - масло И-40 с разработанным оловянным стеаратом; 3 - масло И-40 с разработанным медно-оловянным стеаратом

Эксперименты с медно-оловянным стеаратом дали возможность предполагать, что на стальных поверхностях трения образуется олово- и медьсодержащая плёнка. Профилографирование и фотографирование поверхностей трения подтвердило наличие плёнки. Профилографирование поверхностей трения проводилось до трения и после 30 км пути трения в масле И-40 с разработанным медно-оловянным стеаратом при давлении на рабочие поверхности 5 МПа. Фотографирование поверхностей осуществлялось при помощи электронного микроскопа с увеличением 2000 раз. Полученные профилограммы и фотографии позволили заметить на поверхности образцов плёнку в виде островков, вытянутых вдоль линии скольжения контртела по поверхности вкладыша. Пред-

28 _

Научные и образовательные проблемы гражданской защиты - 2011'3

положения о том, что эти островки есть не что иное, как плёнки мягких металлов подтвердились методом электронографии.

Проводились испытания на определение коррозионной активности масла с присадкой согласно ГОСТу 20502. Сущность метода заключается в изменении массы металлических пластин, подвергшихся периодическому воздействию испытуемого объекта и воздуха, нагретых до температуры 140 С. Коррозионную активность масла определяли без добавления катализатора. Испытания проводили в течение 10 часов при нормативной температуре и непрерывном вращении мешалки. Концентрации стеаратов в масле брали 3 мас.%. Потери массы пластин в масле с разработанным медно-оловянным стеаратом составили от 0,88 до 0,92 г/м2, что согласно ГОСТу 20502-75 соответствует отсутствию коррозионного воздействия данной присадки на испытуемое масло.

Одной из поставленных целей данной работы являлась определение оптимальной концентрации разработанного стеарата в маслах. В технической литературе нет однозначного ответа об оптимальной концентрации присадок в маслах, реализующих избирательный перенос при трении. Для каждой отдельной присадки существует своя оптимальная концентрация в масле, обусловленная определёнными критериями её применения, однако эта концентрация не выходит за рамки 0,2 ... 3 мас.%.

Статистической обработкой результатов экспериментов, учитывающей влияние случайных погрешностей, определено, что наилучшим значением концентрации присадки в масле является 1,5 мас.% медно-оловянного стеарата.

Результаты производственных испытаний подтвердили целесообразность использования разработанной присадки на основе стеаратов олова и меди в качестве добавки к моторным, трансмиссионным, компрессорным маслам. Разработанная присадка успешно прошла производственные испытания в автомобилях учебной пожарной части Ивановского института ГПС МЧС России, в компрессорных установках ООО «Полимерпром», в автомобилях агрокомплексов.

Таким образом, установлено, что присадка оказывает положительное действие на триботех-нические свойства масел (снижение коэффициента трения в 8 - 10 раз; снижение интенсивности изнашивания в 10 - 12 раз; повышение нагрузочной способности в 1,5 раза). Введение в испытуемое масло разработанной присадки на основе меди и олова не сказывается на увеличении коррозионной активности.

Разработанная присадка может найти широкий круг применения. Для использования в пожарных автомобилях рекомендуется модифицировать ею моторное масло для двигателей внутреннего сгорания. Также её можно применять в качестве добавки к трансмиссионному маслу для коробки передач и коробки отбора мощности. Выявленные в ходе экспериментов некоторые качественные показатели значительно превосходят показатели других аналогичных присадок. Важным эксплуатационным показателем является экономия ГСМ. Не последним достоинством присадки является простота в применении и относительная дешевизна в изготовлении.

Литература

1. Верзилин М.М. Актуальные проблемные вопросы и задачи в области совершенствования эксплуатации и оснащения подразделений ФПС новыми видами пожарной техники для успешного тушения пожаров на современном этапе. Сборник трудов 7-й международной специализированной выставки «Пожарная безопасность XXI века» и 6-й международной специализированной выставки «Охранная и пожарная автоматика» (Комплексные системы безопасности). - М.: Эксподизайн Холдинг, ПожКнига, 2008. - 296 с.

2. Патент № 2233866 (РФ) МПК7 С 10 М 159/18// С 10N 10:02. Смазочная композиция / Киселев В.В., Мельников В.Г., Замятина Н.И., Бельцова Е.А. (РФ); опубл. Бюл. № 22, 2004.

3. Киселев В.В., Мельников В.Г. Исследование свойств разработанных присадок на основе солей мягких металлов.// Эффект безызносности и триботехнологии. - 2004. - № 1. - С. 16 - 20.

4. Киселев В.В. К проблеме улучшения триботехнических свойств смазочных материалов // Известия высших учебных заведений. Химия и химическая технология. - 2006. - Т. 49. - № 12. - С. 113 - 114.