СПОСОБ ОЦЕНКИ ЭФФЕКТИВНОСТИ СМАЗОЧНЫХ МАТЕРИАЛОВ
METHOD FOR EVALUATING EFFICIENCY OF LUBRICANTS

Изобретение относится к способам исследования трибологических свойств смазочных материалов, используемых в узлах трения.
Известен способ определения качества смазочных масел [Пат. 2454654 Российская Федерация, МПК G01N 3/56 (2006.01) G01N 33/30 (2006.01). Способ определения качества смазочных масел./ Б.И. Ковальский, Ю.Н. Безбородов, Н.Н. Малышева, А.В. Кузьменко, P.M. Михайлович; заявитель и патентообладатель Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования Сибирский федеральный университет (СФУ) - №2011107418/28; заявл. 25.02.2011; опубл. 27.06.2012, Бюл. №18. - 5 с.], заключающийся в том, что испытывают смазанную пару трения и определяют качество масел, при этом пробу масла нагревают при постоянной температуре с перемешиванием постоянной массы, причем через равные промежутки времени отбирают часть пробы окисленного масла, определяют фотометрированием коэффициент поглощения светового потока, испытывают на противоизносные свойства, определяют диаметр пятна износа и коэффициент противоизносных свойств по формуле
П=Кп/U,
где Кп - коэффициент поглощения светового потока; U - диаметр пятна износа, мм;
затем строят графическую зависимость коэффициента противоизносных свойств от коэффициента поглощения светового потока и по тангенсу угла наклона зависимости оси абсцисс определяют качество смазочных масел, чем больше тангенс угла наклона, тем выше противоизносные свойства смазочных масел и лучше качество.
Известен способ определения смазывающей способности масел, заключающийся в том, что эксплуатируют пару трения в присутствии смазки, пропускают через нее электрический ток, снимают статическое напряжение на поверхностях пары трения изменением полярности электрического тока, измеряют постоянный ток при неподвижной паре трения и при установившемся режиме трения в присутствии смазки в контакте, а в качестве параметра используют их отношение [А.с. 1054732 СССР, МКИЗ G 01 №3/56. Способ определения смазывающей способности масел. / Б.И. Ковальский, Г.М. Сорокин, А.П. Ефремов; заявитель и патентообладатель Проектный и научно-исследовательский институт «Красноярский промстройниипроект» - №3468408/25 - 28; заявл. 08.07.82; опубл. 15.11.83, Бюл. №42].
Известен способ исследования, осуществляемый в приборе «Поляризационный трибометр» для исследования надмолекулярной структуры смазочного слоя непосредственно в работающем смазочном слое [Левченко В.А. Нанотрибология // Современная трибология: итоги и перспективы. Под ред. К.В. Фролова. М.: Изд-во ЛКИ, 2008, 480 с., с. 321-326]. Согласно описанию тонкий слой смазочного материала помещают между стеклами. Верхнее стекло при этом осуществляет возвратно-поступательное движение относительно нижнего, при этом динамометр измеряет сдвиговую силу. В процессе движения через поляризационный микроскоп, в поле зрения которого находится смазочный слой, наблюдают за мезогенной структурой образца и осуществляют фотографическую микросъемку. По полученным результатам судят о качестве смазочного материала.
С
За прототип принят способ определения смазывающей способности масел, заключающийся в том, что эксплуатируют пару трения в присутствии смазки, пропускают через нее электрический ток, снимают статическое напряжение на поверхностях пары трения изменением полярности электрического тока, измеряют постоянный ток при неподвижной паре трения и при установившемся режиме трения в присутствии смазки в контакте, при этом величину тока измеряют за период от начала испытания до стабилизации его значения при установившемся режиме трения в зависимости от времени трения, нагрузки, скорости скольжения, механических свойств материалов пары трения и температуры масла, строят их графические зависимости и оценивают смазочную способность масла по параметрам: приспосабливаемости, скорости приспосабливаемости масла к данным условиям трения и коэффициенту совместимости масла, а приспосабливаемость масла определяют по периоду времени от начала уменьшения тока до его стабилизации, скорость приспосабливаемости - по углу наклона графических зависимостей к оси ординат, а коэффициент совместимости масла К определяют по формуле ,
з
C
где I - заданная величина тока, пропускаемого через пару трения при неподвижности; I - величина постоянного тока при его стабилизации в процессе трения [Пат. 2186386 Российская Федерация, МПК G01N 33/30, G01N 3/56 Способ определения смазывающей способности масел / Б.И. Ковальский, С.И. Васильев, С.Б. Ковальский, Д.Г. Барков; заявитель и патентообладатель Красноярский государственный технический университет - №2001106404/04; заявл. 06.03.2001; опубл. 27.07.2002, Бюл. №21].
Недостатком известных способов определения смазочных способностей исследуемых материалов является сложность оценки трибологических свойств ввиду необходимости проведения большого объема экспериментов с соответствующими затратами материалов и времени. Кроме того, указанные способы не позволяют исследовать широкий спектр смазочных материалов ввиду ограниченности материальной базы химических веществ.
Техническим результатом изобретения является: повышение производительности труда с одновременным упрощением процесса оценки смазочных свойств исследуемых материалов и экономичность способа.
Указанный технический результат достигается тем, что в способе оценки эффективности смазочных материалов, основанном на использовании верхнего и нижнего слоя поверхностей трения в присутствии исследуемого слоя смазки между ними, согласно изобретению, формируют молекулярную модель пары трения с рандомизированным расположением молекул в смазочном слое с использованием ЭВМ и программы молекулярного моделирования, реализующей методы молекулярной механики, молекулярной динамики и квантовой химии, при этом после размещения двух параллельных слоев поверхностей трения с исследуемым слоем смазки между ними, проводят, используя процедуры минимизации энергии системы, оптимизацию положения молекул в смазочном слое, после чего находят межфазную поверхностную энергию, путем определения разницы энергий системы до взаимодействия смазочного слоя с поверхностью трения и после взаимодействия; затем осуществляют циклический сдвиг верхней поверхности трения относительно нижней, сохраняя параллельность заданное количество раз, повторяя процесс оптимизации положения молекул на каждом шаге сдвига, вследствие чего молекулы в смазочном слое принимают определенное геометрическое расположение в пространстве; после чего с учетом расположения молекул относительно поверхностей трения по известным зависимостям рассчитывают ориентационный коэффициент, а коэффициент упорядоченности молекул в смазочном слое по математическому выражению
где δ(cosα) - среднеквадратичное отклонение направляющих косинусов векторов всех молекул смазочного слоя относительно оси X; δ(cosβ) - среднеквадратичное отклонение направляющих косинусов векторов всех молекул смазочного слоя относительно оси Y; δ(cosγ) - среднеквадратичное отклонение направляющих косинусов векторов всех молекул смазочного слоя относительно оси Z;
затем с помощью программы молекулярного моделирования рассчитывают потенциальную энергию системы, при этом ориентационный коэффициент, коэффициент упорядоченности молекул в смазочном слое и максимальное значение потенциальной энергии системы коррелируют с напряжением сдвига и, соответственно, силой трения; после чего по полученным данным определяют наиболее эффективное смазочное средство, которое обладает наименьшим напряжением сдвига при наименьшем значении потенциальной энергии системы и наибольших ориентационном коэффициенте и коэффициенте упорядоченности.
Заявляемая совокупность существенных признаков позволяет осуществлять замену физических экспериментов способа на виртуальные эксперименты, которые являются более экономичными и производительными с одновременным упрощением процесса оценки смазочных свойств. Возможность такой замены подтверждается результатом сравнения данных полученных с помощью экспериментов проведенных заявляемым способом и физическими средствами.
На фигуре показана корреляционная зависимость между расчетными (заявляемый способ) и экспериментальными данными.
Способ осуществляется следующим образом.
С помощью ЭВМ и программы молекулярного моделирования, реализующей методы молекулярной механики, молекулярной динамики и квантовой химии, например HyperChem, по средствам использования встроенных в программу инструментов моделируют слой смазки, путем моделирования сначала одной молекулы смазочного слоя, а потом смазочного слоя заданного размера с рандомизированным расположением молекул. Далее проводят, используя процедуры минимизации энергии системы, оптимизацию положения молекул в смазочном слое. На следующем шаге моделируют поверхности трения заданного размера и горизонтально размещают их на заданном расстоянии параллельно друг другу, между которыми располагают слой смазочного материала. Далее находят межфазную поверхностную энергию, путем определения разницы энергий системы до взаимодействия смазочного слоя с поверхностью трения и после взаимодействия, вследствие произведенной оптимизации системы. На следующем шаге осуществляют циклический сдвиг верхней поверхности трения относительно нижней, сохраняя параллельность, заданное количество раз и повторяя процесс оптимизации положения молекул по минимуму энергии межмолекулярного взаимодействия на каждом шаге сдвига, вследствие чего молекулы в смазочном слое принимают определенное геометрическое расположение в пространстве. После чего с учетом расположения молекул относительно поверхностей трения по известным зависимостям рассчитывают ориентационный коэффициент, а также коэффициент упорядоченности молекул в смазочном слое по математическому выражению
где δ(cosα) - среднеквадратичное отклонение направляющих косинусов векторов всех молекул смазочного слоя относительно оси X; δ(cosβ) - среднеквадратичное отклонение направляющих косинусов векторов всех молекул смазочного слоя относительно оси Y; δ(cosγ) - среднеквадратичное отклонение направляющих косинусов векторов всех молекул смазочного слоя относительно оси Z.
Затем с помощью программы молекулярного моделирования рассчитывают потенциальную энергию системы, при этом ориентационный коэффициент, коэффициент упорядоченности молекул в смазочном слое и максимальное значение потенциальной энергии системы коррелируют с напряжением сдвига и, соответственно, силой трения; после чего по полученным данным определяют наиболее эффективное смазочное средство, которое обладает наименьшим напряжением сдвига при наименьшем значении потенциальной энергии системы и наибольших ориентационном коэффициенте и коэффициенте упорядоченности.
При этом все вышеуказанные шаги, начиная с построения рандомизированного смазочного слоя, могут осуществляться с помощью управляющей программы, путем использования в ней OLE или DDE технологий, добиваясь, таким образом, автоматизации вычислений.
Результаты осуществления заявляемого способа на примере оценки эффективности смазочных свойств ряда веществ приведены в таблице.
Эксперимент показал, что наименьшим из значений потенциальной энергии системы при сдвиге верхней поверхности трения (которое коррелирует с напряжением сдвига) обладает глицерин, при этом это же вещество имеет наибольший ориентационный коэффициент и коэффициент упорядоченности молекул. Динатриевая соль сульфоянтарной кислоты имеет наибольшее значение потенциальной энергии системы. Таким образом, из исследуемых материалов наименьшим напряжением сдвига, а значит и коэффициентом трения обладает глицерин, что свидетельствует о его наибольшей эффективности как смазочного компонента по сравнению с другими веществами.
Для достоверности получаемых результатов заявляемым способом были проведены эксперименты с наиболее часто используемым в триботехнике способом, основанном на измерении, с использованием трибометра ТАУ-1, коэффициента трения пары трения сталь-сталь по схеме «палец-плоскость» при возвратно-поступательном движении. Средняя скорость скольжения составляла 2,5 см/с, нормальная нагрузка - 0,1 Н. Для испытаний в качестве смазочных материалов выбирали вещества, приведенные в таблице. Смазочный материал однократно наносили на плоскость скольжения. Для сравнения результатов эксперимента строилась корреляционная зависимость, при этом по оси ординат откладывались значения коэффициента трения полученных при исследовании веществ экспериментальным способом с использованием трибометра ТАУ-1, а по оси абсцисс откладывались полученные заявляемым способом значения потенциальной энергии системы при сдвиге верхней поверхности трения; после чего определялся коэффициент линейной корреляции. Из графика (см. фигуру) видно, что коэффициент линейной корреляции между расчетной оценкой сдвигового сопротивления смазочного материала путем молекулярного моделирования (предлагаемый способ) и экспериментально измеренным коэффициентом трения составляет R=0,97, что подтверждает достоверность получаемых результатов заявляемым способом.