Влияние присадок, содержащих диалкилдитиофосфаты цинка, на триботехнические свойства железнодорожного пластичного смазочного материала

ISSN 1560-3644 BULLETIN OF HIGHER EDUCATIONAL INSTITUTIONS. NORTH CAUCASUS REGION. TECHNICAL SCIENCES. 2024. No 1

Научная статья УДК 621.89.09

http://dx.doi.org/10.17213/1560-3644-2024-1-46-51

Влияние присадок, содержащих диалкилдитиофосфаты цинка, на триботехнические свойства железнодорожного пластичного смазочного материала

М.Л. Шмановский1, С.А. Пожидаева1, Т.Г. Иванова1,

И.Ю. Сощенко2, В.Г. Булдакова2

1Южно-Российский государственный политехнический университет (НПИ) имени М.И. Платова,

г. Новочеркасск, Россия, 2Новочеркасский завод смазочных материалов ООО «Титан-СМ», г. Новочеркасск, Россия

Аннотация. Представлены результаты исследований влияния присадок, содержащих диалкилдитиофосфаты цинка различных модификаций (А-22 и ЦД-7) в железнодорожный пластичный смазочный материал типа ЖРО. Установлены оптимальные концентрации присадок, максимально влияющие на триботехнические свойства пластичного железнодорожного смазочного материала. Обе присадки позволяют снизить диаметр пятна износа, эффективную вязкость, повысить предел прочности на сдвиг. Сравнительные результаты исследований влияния присадок показали, что высокий уровень противоизносных и противозадирных свойств полученного пластичного смазочного материала с ЦД-7 проявляется при меньших значениях массовых концентраций по сравнению с А-22 (почти в 2 раза), что позволит снизить затраты на себестоимость продукта. Проведены успешные контрольные испытания, и разработанный состав пластичного смазочного материала типа ЖРО с присадками рекомендован к использованию в производство.

Ключевые слова: железнодорожные пластичные смазочные материалы, противоизносные присадки, триботехнические свойства, диаметр пятна износа, эффективная вязкость

Для цитирования: Шмановский М.Л., Пожидаева С.А., Иванова Т.Г., Сощенко И.Ю., Булдакова В.Г. Влияние присадок, содержащих диалкилдитиофосфаты цинка, на триботехнические свойства железнодорожного пластичного смазочного материала // Изв. вузов. Сев.-Кавк. регион. Техн. науки. 2024. № 1. С. 46-51. http://dx.doi.org/10.17213/1560-3644-2024-1-46-51.

Original article

The effect of additives containing zinc dialkyldithiophosphateson the tribotechnical properties of a railwaygrease

M.L. Shmanovsky1, S.A. Pozhidaeva1, T.G. Ivanova1,

I.Yu. Soshchenko2, V.G. Buldakova2

1Platov South-Russian State Polytechnic University (NPI), Novocherkassk, Russia, 2Novocherkassk Lubricants Plant «Titan-SM», Novocherkassk, Russia

Abstract. The article presents the results of studies of the effect of additives containing zinc dialkyldithiophosphates of various modifications (A-22 and CD-7) in railway grease of the LRW type. Optimal concentrations of additives have been established, which maximally affect the tribotechnical properties of a railway grease of the LRW type. Based on the test results, it was found that both additives can reduce the diameter of the wear spot, the effective viscosity, and increase the shear strength. Comparative results of studies of the effect of additives have shown that a high level of anti-wear and extreme pressure properties of LRW grease with CD-7 is manifested at lower values of mass concentrations compared to A-22 (almost 2 times), which will reduce the cost of the product. Based on the results of the work done, successful control tests were carried out, and the developed composition of the railway grease of the LRW was recommended for use in production.

Keywords: railway grease, additives, tribotechnical properties, wear spot diameter, effective viscosity

© Шмановский М.Л., Пожидаева С.А., Иванова Т.Г., Сощенко И.Ю., Булдакова В.Г., 2024

46

ISSN 1560-3644 BULLETIN OF HIGHER EDUCATIONAL INSTITUTIONS. NORTH CAUCASUS REGION. TECHNICAL SCIENCES. 2024. No 1

For citation: Shmanovsky M.L., Pozhidaeva S.A., Ivanova T.G., Soshchenko I.Yu., Buldakova V.G. The effect of additives containing zinc dialkyldithiophosphateson the tribotechnical properties of a railwaygrease. Izv. vuzov. Sev.-Kavk. region. Techn. nauki=Bulletin of Higher Educational Institutions. North Caucasus Region. Technical Sciences. 2024;(1):46-51. (In Russ.). http://dx.doi.org/10.17213/1560-3644-2024-1-46-51.

В нашей стране в советский период были разработаны специальные пластичные смазочные материалы (ПСМ), используемые специально для железнодорожного транспорта [1]. Для буксовых роликовых подшипников железнодорожного подвижного состава и метрополитена применяются ПСМ ЖРО и ЛЗ-ЦНИИ. Главным достоинством состава ПСМ ЖРО является то, что применять его можно в большом интервале температур от -40 до +120° С. Это позволяет использовать ПСМ ЖРО без замены в течение большого временного периода и в разные сезоны.

Буксы, располагающиеся на шейках оси, являются обязательным элементом в составе ходовых частей железнодорожных составов. Они защищают шейки от проникновения частиц грязи и от механического повреждения. Буксы способствуют движению вагона с заданной скоростью, препятствуют значительному смещению колёсных пар относительно рамы тележки как вдоль, так и поперёк. Внутри буксовых узлов размещаются подшипники и смазочный материал. Их конструкция разработана таким образом, чтобы движения поездов было безопасным вне зависимости от постоянно меняющихся климатических условий и нагруженности состава [2].

Надёжность работы буксы зависит от того, каким ПСМ и каким образом они обработаны. В настоящее время многие производители проводят научные изыскания с целью создания новых эффективных рецептов смазок для обработки букс подвижного состава железнодорожного транспорта с целью повышения их качества и расширения функциональных возможностей [3]. Нами исследовалась возможность улучшения триботехнических и эксплуатационных свойств железнодорожных смазочных материалов путем использования присадок, содержащих диалкилдитиофосфаты цинка различных модификаций. Выбор именно таких присадок более чем обоснован. На протяжении 30 лет в научной литературе приводится крайне мало данных об исследованиях в области наиболее распространенного класса противоизносных присадок к ПСМ - диалкилдитиофосфатов и дитиофосфа-тов цинка. Эти вещества, наряду с противоиз-носными и антифрикционными свойствами, придают ПСМ антикоррозионные свойства и

повышают их устойчивость к окислению. Принято считать, что интенсивные работы в этой области, проводившиеся в 1950-1970-е гг., дали исчерпывающую информацию об оптимальном составе, структуре и методах синтеза. Однако появившийся в последнее время интерес к импортозамещающим и импортонезависимым технологиям, вместе со значительным отставанием отечественных технологий производства смазочных материалов от зарубежных, заставляет вернуться снова к «хорошо известному» [4].

Экспериментальная часть

В качестве исходных веществ выбраны присадки А-22 (ТУ 0257-006-400-65452-97) и ЦД-7 (ТУ 0257-001-96449839-2007) (табл. 1), а в качестве базового ПСМ ЖРО (ТУ 0254-01380388604-2009, принадлежит ООО «Титан-СМ»), не содержащей присадок (табл. 2).

Таблица 1 Table 1

Состав используемых присадок Composition of additives used

Содержание активных

Состав элементов, %, в присадках

А-22 ЦД-7

Цинк 8,5 11,2

Фосфор 7,9 10,2

рн 6,1 6,3

Щелочное число, мг КОН/г 4,4 7,2

Таблица 2 Table 2

Состав базового железнодорожного ПСМ ЖРО The composition of the basic railway grease LRW

Наименование компонентов Нормативная документация Содержание, % по массе

Масло компрессорное КС-19 ГОСТ9243-75 47,0

Масло АУ ТУ 38.1011212-89 34,0

Осерненное касторовое масло ГОСТ 6757-96 7,0

Кислота 12-оксистеа-риновая СТО17321872-009-2017 10,0

Кислота олеиновая техническая ТУ 9145-1724731297-94 2,0

Лития гидроокись техническая ГОСТ 8595-83 2,0

Дифениламин технический ГОСТ 194-80 0,5

Присадки вводились в базовый ПСМ в количестве от 0,25 до 4,5 % по массе.

ISSN 1560-3644 BULLETIN OF HIGHER EDUCATIONAL INSTITUTIONS. NORTH CAUCASUS REGION. TECHNICAL SCIENCES. 2024. No 1

Компаундирование ПСМ ЖРО

ПСМ базовой и улучшенной рецептур были получены на экспериментальной установке, предназначенной для получения смазочных материалов. Основным аппаратом установки компаундирования ПСМ является реактор идеального смешения периодического действия. Основные технические параметры реактора: максимальное избыточное давление 0,1 МПа; максимальное вакуумное давление 0,1 МПа; максимальная температура 300оС; максимальная загрузка реактора 0,075 м3.

После получения базового ПСМ его охлаждали до 70 - 80 °С для предотвращения разложения присадки, после чего добавляли необходимое количество присадок.

Для определения триботехнических свойств получившихся пластичных смазочных материалов использовали следующие методы: метод определения трибологических характеристик на четырехшариковой машине (fourballtest) (DIN 51 350, ГОСТ 9490-75, ASTM D 2266); метод определения предела прочности и термоупрочнения с использованием пластометра К-2 (ГОСТ 7143-73); метод определения вязкости автоматическим капиллярным вискозиметром (ГОСТ 7163-84).

Для определения противоизносных свойств пластичных смазочных материалов использовалась четырехшариковая машина трения ЧМТ-1. Испытания проводились по диаметру пятна износа (испытание в течение 60 мин п.3.9 ГОСТ 9490-75).

Основной механизм ЧМТ-1 - узел трения, который состоит из четырех стальных (0 12,70±0,01 мм, по ГОСТ 3722-81 11, сталь ШХ15) контактирующих друг с другом шариков, расположенных в виде пирамиды: три в основании и один в вершине. Три нижних шарика находятся в специальной чашке, заполненной испытуемым ПСМ, где закреплены неподвижно. Верхний шарик закреплен в шпинделе, который вращается относительно трех нижних под нагрузкой и с определенной частотой вращения.

Испытание каждого образца проводили при температуре 20 ±1°C в соответствии с техническими условиями данного ПСМ. Испытания состояли из нескольких серий, при этом в каждой серии использовался новый образец ПСМ и новые шарики. Длительность одного испытания составляла 60 мин.

Испытуемый железнодорожный ПСМ помещался в чашку, после чего опускался шпиндель до соприкосновения шариков, плавно подавалась нагрузка, и затем включался двигатель. Для определения показателя износа была приложена постоянная нагрузка 196 Н по ГОСТ 9490-75. Частота вращения шпинделя составляла 1200 ± 20 мин-1. По истечении 60 ± 1 мин, нижние неподвижные шарики извлекались из чашки, промывались растворителем (Нефрас С 280/120). Диаметр пятен износа определяли с помощью микроскопа Альтами СМ0745.

Результаты и их обсуждение

С помощью вышеупомянутых методов определялись следующие показатели:

- диаметр пятна износа В (противоизнос-ные свойства);

- эффективная вязкость (обеспечивающая работоспособность и прокачиваемость ПСМ);

- предел прочности на сдвиг (эксплуатационные свойства).

Исследование эффективности присадок на противоизносные свойства железнодорожного ПСМ типа ЖРО представлено на рис. 1.

s =t

0,1

3

2

/-в-ЦД-7 1

2 —»-А-22 j ш Без поисадок

0 0,5 1 1,5 2 Z,5 3 3,5 ¿,5

Концентрация присадни, % гомассв

Рис. 1. Влияние концентрации присадок на диаметр пятна износа

Fig. 1. Effect of additive concentration on the wear spot diameter

Согласно экспериментальным данным, действие обеих присадок ведет к резкому уменьшению диаметра пятна износа, что свидетельствует об увеличении противоизносных свойств ПСМ. При этом уменьшение пятна износа с присадкой ЦД-7 может быть достигнуто при небольших его концентрациях по сравнению с

ISSN 1560-3644 BULLETIN OF HIGHER EDUCATIONAL INSTITUTIONS. NORTH CAUCASUS REGION. TECHNICAL SCIENCES. 2024. No 1

присадкой А-22 почти в 2,5 раза. В данном случае такой эффект можно объяснить тем, что ди-алкилдитиофосфаты цинка работают по принципу химического модифицирования, так как в качестве активных элементов содержат фосфор. На смазываемой поверхности происходит химическая реакция между активными компонентами присадки и металлом [5]. При этом на контактирующих поверхностях образуются тонкие пленки, препятствующие износу и задирам, благодаря модифицирующему действию присадок на контактирующие поверхности трибосопря-жения. Это препятствует образованию натиров, рисок, задиров, усталостному выкрашиванию и уменьшает истирание поверхностей трения [6, 7].

ПСМ имеют более высокую смазочную способность и способны работать в более широких температурных интервалах, чем масла. Они не растекаются под действием собственного веса, проявляя при малых нагрузках свойства твердого тела, но при напряжениях, превышающих определенный предел прочности на сдвиг, текут подобно вязким жидкостям, т.е. ПСМ обладают структурной вязкостью [6, 8].

Особенностью структурной вязкости является ее зависимость не только от температуры, но и от градиента скорости сдвига отдельных слоев или частичек относительно друг друга. Такие особенности вязкости пластичных смазок позволяют обеспечить прокачиваемость и заполнение узлов трения с необходимой способностью смазочного материала удерживаться в этих узлах [9].

В ПСМ ЖРО значение эффективной вязкости необходимо для определения ее работоспособности и прокачиваемости при температуре -30 оС, чем выше будет эффективная вязкость, тем вероятнее, что ПСМ застынет в подшипнике.

Согласно экспериментальным данным (рис. 2) использование присадок приводит к снижению эффективной вязкости ПСМ (начиная от концентрации 0,25 % по массе), при этом введение присадки ЦД-7 оказывает более существенное влияние, начиная с концентрации 1,5 % по массе по сравнению с присадкой А-22.

Предел прочности на сдвиг (характеризует механические свойства смазок) - это минимальная нагрузка, вызывающая переход от упругопластичной деформации к течению ПСМ. С повышением температуры он обычно уменьшается.

i

2

1

I. —ЦД-7

2- -♦-A-22

3  —&ез л p исэдкн

О 0,5 1 1,5 1 2,5 i 3,5 4 4,5 Концентраций присадки. & помаем

Рис. 2. Влияние концентрации присадок на эффективную вязкость

Fig. 2. Effect of additive concentration on effective viscosity

Температура, при которой предел прочности приближается к нулю, характеризует верхний предел работоспособности ПСМ. Предел прочности также позволяет судить о способности ПСМ удерживаться на вращающихся деталях. Чем выше предел прочности, тем надежнее удерживается ПСМ в подшипниках качения. Однако очень высокий предел прочности также не желателен, так как такие ПСМ плохо увлекаются движущимися поверхностями подшипников и не обеспечивают их нормальную смазку.

Для ПСМ ЖРО предел прочности исследуется при температуре +50 °С для определения предельной нагрузки ПСМ, при которой она начинает терять свои эксплуатационные свойства.

Рис. 3 иллюстрирует понижение предела прочности ПСМ ЖРО даже при минимальных концентрациях присадок. Присутствие присадки ЦД-7 позволяет уменьшить предел прочности в два раза даже при наименьших концентрациях. ею

I о

О 1 1 3 4 S

Кониешрация присэдки. % по массе

Рис. 3. Влияние концентрации присадок на предел прочности

Fig. 3. Effect of additive concentration on tensile strength

ISSN 1560-3644 BULLETIN OF HIGHER EDUCATIONAL INSTITUTIONS. NORTH CAUCASUS REGION. TECHNICAL SCIENCES. 2024. No 1

Заключение

1. В результате исследований выявлено, что присадки на основе диалкилдитиофосфата цинка способны улучшить триботехнические и эксплуатационные свойства железнодорожного ПСМ ЖРО, применяемого в настоящее время для смазки вагонных букс и локомотивов.

2. Установлено, что обе присадки позволяют уменьшить диаметр пятна износа, предел прочности, эффективную вязкость, при этом рабочий интервал концентраций составляет от 0,3 до 2,5 - 3,0 % по массе.

3. Сравнительные результаты исследований влияния присадок показали, что высокий уровень противоизносных и противозадирных свойств ПСМ ЖРО с ЦД-7 проявляется при меньших значениях массовых концентраций по сравнению с А-22 (почти в 2 раза), что позволит снизить себестоимость продукта.

Список источников

1. Синицын В.В. Пластичные смазки в СССР. М.: Химия, 1984, 272с.

2. Износ рельсов и колес подвижного состава / под ред. К. Л. Комарова, Н. И. Карпущенко. СГАПС, 1997. 153 с.

3. Жданов И.П., Подольский Ю.А., Цуркан И.Г. Об эффективности действия противозадирных присадок в пластичных смазках для буксовых узлов же-лезнодорожныхвагонов // Нефтепереработка и нефтехимия. 1977. № 4. С. 34-39

4. Мухортов И.В., Почкайло К.А., Дойкин А.А., Лева-нов И.Г. Связь структуры и трибологических характеристик диалкилдитиофосфатов цинка // Вестн. ЮУрГУ. Серия «Машиностроение». 2016. Т. 16, № 4. С. 67-74

5. Климов К.И. Антифрикционные пластические смазки. Основы применения. М.: Химия, 1988. 160 с.

6. Основы трибологии (трение, износ, смазка): учебник для технических вузов / А.В. Чичинадзе [и др.]; под общ.ред. А.В. Чичинадзе. М.: Машиностроение, 2001. 664 с.

7. Специальные технологии переработки природных энергоносителей. Производство присадок и пакетов присадок к маслам: учеб. -метод. комплекс для студентов специальности 1-48.01.03 «Химическая технология природных энергоносителей и углеродных материалов» / С.В. Покровская [и др.]. Но-вополоцк: ПГУ, 2014. 132 с.

8. Мышкин Н.К., Петроковец М.И. Трение, смазка, износ. Физические основы и технические приложения трибологии. М.: ФИЗМАТЛИТ, 2007. 368 с.

9 Школьников В.М., Анисимов И.Г., Бадыштова К.М., Бантов С.А. Топлива, смазочные материалы, технические жидкости. Ассортимент и применение. М.: Издательский центр «Техинформ», 1999. 596 с.

References

1. SinitsynV.V. PlasticlubricantsintheUSSR.Moscow: Chemistry.1984.272 p.

2. Wear of rails and wheels of rolling stock / ed. K. L. Komarova, N. I. Karpuschenko. SGAPS.1997.153 p.

3. Zhdanov I.P., Podolsky Yu.A., Tsurkan I.G. On the effectiveness of extreme pressure additives in greases for axle boxes of railway wagons. Oil refining andpetrochemistry.1977;

4. Mukhortov I. V., Pochkailo K. A., Doikin A. A., Levanov I. G. Relationship between the structure and tribological characteristics of zinc dialkyldithiophosphates. Vestnik SUSU. Series "Engineering". 2016;16

5. Klimov K.I. Antifriction plastic lubricants. Fundamentals of application. Moscow: Chemistry. 1988. 160 p.

6. Chichinadze A.V. et al. Fundamentals of tribology

7. Pokrovskaya S.V. et al. Special technologies for processing natural energy carriers. Production of additives and additive packages for oils: textbook - method. complex for students of the specialty 1-48.01.03 "Chemical technology of natural energy carriers and carbon materials". Novopolotsk: PGU.2014.132 p.

8. Myshkin N.K., Petrokovets M.I. Friction, lubrication, wear. Physical foundation and technicfl applications of tribology. Moscow: FIZMATLIT. 2007. 368 p.

9. Shkolnikov V.M., Anisimov I.G., Badyshtova K.M., Bantov S.A. Fuels, lubricants, technical liquids. Assortment and application. Moscow: Tekhinform Publishing Center. 1999. 596 p.

ISSN 1560-3644 BULLETIN OF HIGHER EDUCATIONAL INSTITUTIONS. NORTH CAUCASUS REGION. TECHNICAL SCIENCES. 2024. No 1

Сведения об авторах

Шмановский Максим Леонидович - магистр, кафедра «Химические технологии».

Пожидаева Светлана Александровная - канд. техн. наук, доцент, кафедра «Химические технологии», ford08@yandex.ru

Иванова Татьяна Геннадиевна - канд. техн. наук, доцент, кафедра «Химические технологии», tgalikyan@mail.ru

Сощенко Ирина Юрьевна - технический директор. Булдакова Валентина Геннадьевна - ведущ. инженер-технолог.

Information about the authors

Maxim L. Shmanovsky - Master Student, Department «Chemical Technology».

Svetlana A. Pozhidaeva - Cand. Sci. (Eng.), Assistant Professor, Department «Chemical Technology», ford08@yandex.ru

Tatyana G. Ivanova - Cand. Sci. (Eng.), Assistant Professor, Department «Chemical Technology», tgalikyan@mail.ru

Irina Y. Soshchenko - Technical Director. Valentina G. Buldakova - Lead Process Engineer.

Статья поступила в редакцию / the article was submitted 25.09.2023; одобрена после рецензирования / approved after reviewing 10.01.2024; принята к публикации / acceptedfor publication 15.01.2024.