Исследование железнодорожных пластичных смазок с присадками на основе полифосфатов

МАШИНОСТРОЕНИЕ

УДК 621.892

ИССЛЕДОВАНИЕ ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНЫХ ПЛАСТИЧНЫХ СМАЗОК С ПРИСАДКАМИ НА ОСНОВЕ ПОЛИФОСФАТОВ

© 2006 г. А.В. Челохьян, М.А. Савенкова, Е.А. Булавина

На железнодорожном транспорте широко применяются карданные валы, в частности в системе энергоснабжения пассажирских вагонов.

Карданные валы имеют шлицевые соединения в средней части, износ которых является определяющим фактором срока их службы. Причем восстановление шлицевого соединения - достаточно трудоемкая, технологически сложная и дорогостоящая процедура. Для снижения изнашивания шлицевых соединений в настоящее время используются пластичные железнодорожные смазки ЖРО-М (ТУ 38 ЦТ 520-83) и Буксол (ТУ 32 ЦТ 2154-90).

Эффективность применения смазочных материалов зависит от ряда факторов. Нами исследовалась возможность улучшения триботехнических и эксплуатационных свойств железнодорожных смазок путем использования присадок. Для выявления изменений физико-химических свойств ЖРО-М и Буксола в процессе эксплуатации были проведены исследования этих смазок, взятых из узлов трения - шлицевых соединений карданных валов со значительным сроком службы.

В результате было выявлено [1], что физико-химические свойства указанных смазок ухудшаются (по сравнению с нормативными показателями) в процессе работы трибосопряжения. Наиболее значительные изменения наблюдаются у ЖРО-М, но и Буксол не полностью удовлетворяет условиям эксплуатации шлицевых соединений.

Для улучшения их триботехнических свойств были разработаны экономичные присадки, способствующие повышению износостойкости и долговечности шлицевых соединений карданных валов пассажирских вагонов.

В качестве присадок исследовано несколько соединений. В железнодорожные смазки вводились (в количестве 3-5 % массы) триоксид молибдена, полифосфат натрия, а также их гетероанионное соединение состава 1:1, выделенное при исследовании методами физико-химического анализа фазовой диаграммы системы МаР03-Мо03 [2]. Тщательным перемешиванием смазок ЖРО-М и Буксол с данными присадками при температуре 20-25 °С удалось быстро достичь полной гомогенизации систем, но особенно легко этот процесс осуществлялся при введении соединения

фосфоромолибдата натрия в Буксол. Смазки ЖРО-М и Буксол после введения гетероанионного соединения имели вид светло-коричневого однородного плотного желе с хорошими адгезионными свойствами. Чрезвычайно важным является отсутствие энергозатрат при введении в смазки исследуемых загустителей, что снижает экономические расходы на улучшение смазочных материалов.

С целью оценки влияния присадок триоксида молибдена, полифосфата натрия и фосфоромолибдата натрия на различные характеристики пластичных железнодорожных смазок ЖРО-М и Буксол проведено исследование их реологических, физико-химических и триботехнических показателей.

В качестве реологических свойств смазок (с присадками и без них) исследовались пенетрация и предел прочности при сдвиге. Пенетрацию определяли на приборе ПН-1-С «Игла», а предел прочности при сдвиге изучали на пластометре К-2. Выявлено, что введение присадок оказывает благоприятное влияние как на значения пенетрации, так и на повышение предела прочности смазок (на 3-15 % для обоих типов смазок). Исключение составляет присадка полифосфата натрия в Буксоле, при которой наблюдается снижение предела прочности смазки на сдвиг до 17 %, что негативно сказывается на ее эксплуатационных свойствах.

О термической устойчивости смазок судили по значению температуры каплепадения с помощью термометра Уббелоде по утвержденной методике [3]. Введение присадок (в оба типа смазок) оказывает незначительное влияние на изменение этого параметра (повышение на 1-3 %).

Способность смазок сохранять свои первоначальные показатели и присущие им физико-химические свойства оценивалась по коллоидной стабильности и испаряемости. Коллоидная стабильность исследовалась на приборе КСА по количеству отпрессованного масла (% по массе) при температуре 20 °С. Коллоидная стабильность у смазки ЖРО-М с присадками повышается на 16 %, у Буксола - от 30 (с присадкой МаР03) до 53 % (с присадкой фосфоромолибдата натрия). Таким образом, выявлено, что использование присадок повышает способность смазок сохранять свой структурный каркас.

Потери на испарение дисперсионной фазы (также % по массе) в струе воздуха при нагревании до 100 °С в течение часа выявляли с помощью аппарата К.К. Папока [3]. Снижение испаряемости после введения присадок составило от 5 (для ЖРО-М) до 16 % (для Буксола).

Антикоррозионные свойства смазок с добавлением указанных присадок определяли при 100 °С в течение пяти часов на стальных пластинах нормированных размеров. Оба вида смазок (с содержанием любой из исследуемых присадок) выдерживают коррозионное воздействие на металлы. Их защитную способность оценивали по величине износа металла в процессе лабораторных испытаний на машине трения (взвешивая образцы до и после испытаний), а также по содержанию механических примесей, которое устанавливалось гравиметрически по массе осадка после экстрагирования смазок спирто-толуольной смесью и фильтрованием растворов по методике [3].

Контроль химического состава смазок после испытаний осуществляли нахождением массовой доли сконденсированной воды (в %) после нагревания смазок в органических растворителях до 180 °С, а также титриметрическим определением массовой доли свободной щелочи (в пересчете на NaOH) и свободных органических кислот (в мг KOH на 1 г смазки). При этом наблюдалось полное отсутствие органических кислот в смазках (с присадками и без). Содержание свободной щелочи выявлено только в ЖРО-М с присадкой оксида молибдена, однако его величина находится в пределах нормы (0,06 % при допуске 0,3 %).

Триботехнические характеристики смазок оценивали по результатам лабораторных испытаний на трение и износ на машине трения СМЦ-2 по схеме «колодка-ролик», а также на четырехшариковой машине трения (определялись нагрузка сваривания и диаметр пятна износа). Диаметр пятна износа при испытании на четырехшариковой машине трения уменьшается на 9-18 % для Буксола и на 10-25 % для ЖРО-М (в зависимости от типа присадки). Нагрузка сваривания растет (по сравнению с использованием нормативных смазок) на 5-18 %. При этом наибольшему ее увеличению, т.е. повышению нагрузочной способности смазочного материала, способствует применение фосфоромолибдата натрия. Его введение также оказывает антифрикционное действие, снижая коэффициент трения до 1,5-2,0 раз по сравнению с нормативными смазками, и на 26-37 % по сравнению со смазками, содержащими присадки.

Как показали исследования, свойства нормативных смазок ЖРО-М и Буксол изменяются в процессе эксплуатации, о чем свидетельствует даже их внешний вид - нарушение цвета и однородности, особенно у ЖРО-М. При работе же смазок с предлагаемыми присадками их внешний вид мало изменяется, особенно с использованием гетероанионного соединения фосфоромолибдата натрия.

Химический состав смазок (по содержанию щелочи и свободных органических кислот), содержащих присадки, не претерпел существенных изменений в

процессе лабораторных испытаний. При этом особенно благоприятное влияние оказывает введение в смазочные среды фосфоромолибдата натрия. У смазки Буксол с добавкой этого соединения было установлено отсутствие влагопоглощения в течение 24 ч.

Стабилизируются и несколько улучшаются такие показатели, как температура каплепадения, испаряемость, коллоидная стабильность, а также фрикционные характеристики смазочных материалов. Согласно результатам проведенного исследования, между такими важными в эксплуатационном плане свойствами смазок с добавкой фосфоромолибдата натрия, как коллоидная стабильность, нагрузка сваривания и диаметр пятна износа, имеется полная корреляция.

Очевидно, что фосфоромолибдат натрия оказывает значительное влияние на формирование структурного каркаса смазок благодаря химической природе (смешанный триметафосфат относится к моноклинной сингонии, термически и химически устойчив) и диэлектрическим свойствам. Его диэлектрическая проницаемость мало меняется вплоть до температуры 180 °С. Отмечалось [4], что диэлектрические свойства дисперсной фазы оказывают превалирующее действие на тиксотропию смазок и на характер их структурооб-разования.

Введение полярной присадки фосфоромолибдата натрия повышает диэлектрическую проницаемость смазок и энергию контактных взаимодействий их элементов, увеличивая предел прочности, что косвенно подтверждается исследованием таких свойств, как температура каплепадения, нагрузка сваривания, испаряемость и коллоидная стабильность.

Изучение фрикционных свойств смазок ЖРО-М и Буксол с введенной присадкой фосфоромолибдата натрия подтверждает предположение о сохранности пространственной структуры систем и отсутствие процесса агрегации частиц, вероятно, из-за увеличения числа коагуляционных контактов [5]. Очевидно, что это соединение способствует более упорядоченному расположению частиц дисперсионной среды в межслоевом пространстве [6]. Данные выводы хорошо согласуются с ранее проведенными ИК-спектроскопическими исследованиями смазок ЖРО-М и Буксол с присадками и без них (прошедших лабораторные испытания на машине трения) [7].

Как показали проведенные исследования, при увеличении нагрузки и незначительном повышении температуры (в случае со смазкой ЖРО-М с введенной присадкой фосфоромолибдата натрия) в контакте не происходит деструкции смазки, перехода к режиму сухого трения и заеданию поверхностей, не наблюдается задиров.

Таким образом, в результате исследования выявлено, что присадки на основе неорганических соединений фосфора (особенно фосфоромолибдата натрия) способны улучшить триботехнические и эксплуатационные свойства железнодорожных смазок ЖРО-М и Буксол, применяемых в настоящее время в шлицевых соединениях карданных валов приводов генераторов пассажирских вагонов.

Проведенные исследования позволяют расширить возможности создания новых смазочных композиций с применением неорганических полимерных соединений и внедрения их в различные отрасли промышленности.

Литература

1. Савенкова М.А., Булавина Е.А. Изменение физико-химических параметров смазок ЖРО-М и Буксол в процессе эксплуатации // Тр. Всерос. науч.-практич. конф. «Транспорт-2005». Ч. 2. Ростов н/Д, 2005.

2. СавенковаМ.А., Мардиросова И.В., Очерет Н.П. Электрофизические свойства фосфоромолибдатных комплексов // Совр. проблемы энергетики: Межвуз. сб. науч. тр.Ростов н/Д, 1998. С. 77-81.

3. ГОСТ «Смазки пластичные». Ч. 2. М., 1982.

4. ИщукЮ.Л. Состав, структура и свойства пластичных смазок. Киев, 1996.

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

6. Комарова Т.Г., Мельникова В.Г., Бельцова Е.А. Процессы в дисперсных средах // Межвуз. сб. науч. тр. Иваново, 1997. С. 179-183.

7. Булавина Е.А., Савенкова М.А., Челохьян А.В. Механизм смазочного действия пластичных смазок с участием ге-терополифосфатов // Тез. докл. III междунар. семинара по контактному взаимодействию и сухому трению. М., 2005. С. 649.

15 декабря 2005 г.

Ростовский государственный университет путей сообщения

УДК621.89+06

МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ СТРАТИФИЦИРОВАННОГО ТЕЧЕНИЯ ВЯЗКО-УПРУГО-ПЛАСТИЧНОЙ СМАЗКИ В ЗАЗОРЕ УПОРНОГО МЕТАЛЛОПОЛИМЕРНОГО ПОДШИПНИКА СКОЛЬЖЕНИЯ

© 2006 г. К.С. Ахвердиев, В.М. Приходько, М.В. Яковлев

Свойства минеральных смазочных масел удается улучшить за счет добавок высокомолекулярных полимеров, благодаря которым вязкость становится сравнительно слабо зависящей от температуры, а также происходит уменьшение вязкости с ростом скорости сдвига. Все это характеризует «неньютоновское» поведение смазки. Кроме того, высокомолекулярные добавки к минеральным маслам делают их более вязко-упруго-пластичными с большим временем релаксации, чем у обычных масел. Исследования [1-3] показали, что свойство релаксации напряжений, оказывает положительное влияние на характеристики гидродинамических подшипников. В классической гидродинамике изотропной жидкости Навье - Стокса не делаются различия между внутренним (адгезионным) трением слоев жидкости между собой и внешним трением жидкости. Мерой трения служит сдвиговая вязкость. Между тем в настоящее время установлено, что взаимодействие жидкости с твердой поверхностью не является универсальным, как в гидродинамике Навье-Стокса, а зависит от ряда факторов. Наиболее общим выступает уровень активности молекулярных сил твердой подложки, которая обнаруживается в известных явлениях смачивания жидкостью поверхности твердого тела. Стало очевидным, что при наличии в смазочной жидкости твердых частиц присадок или продуктов износа или окисления, а также благодаря пристенчатой ориентации ее молекул происходит разделение смазки на слои с разной вязко -стью, с разными модулями упругости и с разными

предельными напряжениями сдвига. Представляет значительный интерес разработка математической модели прогнозирования возможной роли вязко-упруго-пластичных свойств двухслойной вязко-упруго-пластичной смазочной композиции в рамках гидродинамической смазки.

Задача о раздельном стационарном движении между ползуном и направляющей двухслойной смазки, в качестве уравнения состояния которой используется линейная модель Максвелла, решена в работе [4]. Ниже нами решение этой задачи приводится для двухслойной смазочной композиции с применением нелинейной модели Максвелла с предельным напряжением сдвига т0 (т.е. для смазочной композиции, одновременно обладающей вязко-упруго-пластичными свойствами).

ди' т П: т' и * дт'

-= +-,

дУ М - т 01 О, дх Здесь и * - скорость движения направляющей, О . -модуль упругости, м - динамический коэффициент вязкости, т' - начальное напряжение, т - предельное напряжение сдвига.

Предполагается, что скорость и' в направлении оси оу достаточно мала по сравнению со скоростью и'- вдоль оси ох. Кроме того, изменение скорости и' в направлении х достаточно незначительно по сравнению с изменением в направлении у (рис. 1).