Энергосберегающие смазочные материалы для червячных передач

УДК 621.89

ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИЕ СМАЗОЧНЫЕ МАТЕРИАЛЫ ДЛЯ ЧЕРВЯЧНЫХ ПЕРЕДАЧ

Б.Р. Киселев, К.Г. Березин, Н.И. Замятина,

Ивановский государственный химико-технологический университет

В.А. Годлевский Ивановский государственный университет

В червячных передачах для исключения задира и повышения к.п.д. применяются антифрикционные материалы. Выбор конструкционных и смазочных материалов для червячной передачи определяется главным образом задиростойкостью пары трения. Необходимы критерии оценки задиростойкости смазочных материалов для разработки энергосберегающих трибосистем. Использовались конструкционные и смазочные материалы с противозадирными и антифрикционными присадками. Исследования проводились на машине трения СМТ-1, установке по изучению износа, а также на трибометрическом стенде с червячной передачей. Предложен безразмерный критерий задиростойкости смазочного материала, позволяющий рационально выбирать смазочный материал для определенных эксплуатационных условий червячной передачи. Возможна замена традиционных материалов червячной передачи «бронза - сталь» на пару «сталь - сталь» в которой использовался смазочный материал с повышенными противозадирными свойствами, обеспечивающими снижение энерго-эксплуатационных затрат.

Ключевые слова: червячная передача, масло, присадки, к.п.д., энергосбережение.

Одной из наиболее актуальных и фундаментальных задач, связанных с энергосбережением при работе машин и механизмов является трение. В связи с созданием новой техники с более высокими скоростными параметрами для увеличения производительности технологических машин особенно важно не только повышать надежность работы машин и механизмов, но и обеспечивать такие условия эксплуатации, при которых технико-экономические затраты будут минимальными.

Имеются в машиностроении механизмы, имеющие антифрикционные материалы из цветных металлов. К такой группе механизмов относятся червячные передачи. Применение антифрикционных материалов в червячном колесе обусловлено исключением эффекта задира, повышением к.п.д., так как контакт зацепления элементов передачи связан с большими скоростями скольжения при неблагоприятных условиях смазки. В этом случае поверхностный слой бронзы разу-прочняется и превращается в квазижид-

кое тело. При этом происходит перенос бронзы на твердую стальную поверхность. Существенным является упрочняющее действие твердой стальной поверхности на медную пленку в результате адгезионных сил [1]. Однако, известно, что бронзы имеют низкие механические характеристики (Бр05Ц5С5: ов = 18 кг/мм2, НВ = 60 кг/мм2; БрА9ЖЗЛ: ов = 50 кг/мм2, НВ =100 кг/мм2; для сравнения сталь 40Х: ов = 85 кг/мм2, НВ = 3 80^-410 кг/мм2 - улучшение, модуль упругости в 2 раза больше бронзы), что ограничивает величины передаваемых крутящих моментов, а также бронзы в 12^-16 раз дороже конструкционной стали.

Явление схватывания металлов зависит от их расположения в периодической системе элементов, от группы периодической системы и заполнения внешних электронных уровней. Установлено, что схватывание наступает при определенном состоянии металла и в такое состояние могут быть приведены все металлы, несмотря на их различное расположение в периодической системе, изме-

нением условий деформации. С этой точки зрения обоснование выбора материала очень актуально и может повлиять на конструкционное развитие червячных передач [2].

Для выяснения теоретических предпосылок возможной замены материала венца червячного колеса, бронзы на конструкционную сталь рассмотрим условия применения специального смазочного материала (СМ). Известно, что маслорастворимые металлоплакирующие присадки обеспечивают высокие трибологические параметры: повышают зади-ростойкость, износостойкость и, в целом, ресурс работы узлов трения, поэтому в качестве СМ принимаем металлические мыла, носителем поверхностной активности которых являются длинноцепочечные поверхностно-активные ионы, адсорбирующиеся на стальной поверхности. В связи с этим рациональная трибосистема червячной передачи представляет собой три компонента: два стальных элемента пары трения и смазку, представляющую собой металлоплакирующий смазочный материал (МСМ).

Очевидно, смазочный материал должен иметь металлоплакирующие компоненты, которые составляют основу бронзы. Это медь, олово, никель, железо и др. В качестве металлоплакирующей присадки исследована смазочная композиция, содержащая медно-оловянный стеарат [3], которая эффективно повышает антифрикционные свойства стальной пары трения. Однако отметим, что противозадирные свойства материала определяются не только способностью к схватыванию основной пластичной фазы, но и наличием в сплавах хрупких, не способных к схватыванию включений металлов Сг, №, Со. Магнитные свойства ферромагнетиков Бе, № и Со положительно влияют на образование и свойства металлоплакирующих пленок на стальных поверхностях трения [4]. Механизм взаимодействия стеарата никеля с металлом заключается в вытеснении атомов

никеля атомами железа. Свободный никель остается на поверхности металла. Однако этот процесс конкурирует с окислением, но при больших скоростях в присутствии стеарата никеля происходит более интенсивное образование вторичных структур на поверхностях трения [5]. Исследованиями установлено, что противо-износные показатели стеарата никеля повышаются при добавлении стеарата кобальта.

Одним из основных параметров, входящих в предлагаемый критерий за-диростойкости является поверхностное натяжение СМ, характеризующее адсорбционные свойства ПАВ. Для определения поверхностного натяжения смазочных материалов используем сталаг-мометрический метод, который основан на взвешивании капель.

Поверхностные натяжения известных масел, используемых для смазки червячных передач, а также исследуемых смазочных композиций на основе базового масла МС - 20, состоящих из маслорастворимых присадок стеаратов меди Си81:, олова БпБ!:, железа РеБ!:, никеля МБ!:, кобальта СоБ1 приведены в табл. 1.

Оценку влияния СМ на работоспособность трибосопряжения сталь - сталь производим по безразмерному критерию задиростойкости, который включает в качестве одного из параметров поверхностное натяжение СМ. Так как речь идет о работоспособности червячной передачи, величина которой зависит от условий задира, поэтому предложенный критерий задиростойкости должен учитывать ряд параметров пары трения

К3=Р3¥^/ст,

где Р3 — контактное давление задира 1Л; —скорость скольжения в зацеплении, характеризующий свойства смазочного материала; / - время работы пары трения до момента задира при плавном нагружении, а — поверхностное натяжение СМ.

Таблица 1

Результаты испытаний масел с присадками на машине трения СМТ-1

№ Вид смазки Поверхи, натяжение, а, мН/м Давление контакта задира,Р3, МПа Критерий задирост., Кз

1 И-40 29,2 210 10,8

2 ИГП-114 30,6 320 21

3 гіс 0-5 30,9 337 23,4

4 Т АД-17 29,02 295 14,9

5 МС-20 31,15 217 12,5

6 МС-20+Си81 27,2 324 28,5

7 МС-20+ 8п81 28,8 228 17,8

8 МС-20+Си81+8п81 28,2 335 29,3

9 МС-20 + Ї-Ш 28,3 277 27,9

10 МС-20 +Со81 28,1 216 23,1

11 МС-20 +Ре81 29,7 212 19,9

12 МС -20+№ 81+С о 81 28 240 24

13 МС-20 +Си81 +№81 27,8 312 28,1

14 МС-20 +Си81 +8п81+№81 28,1 329 31,6

15 МС-20+8п81+№81+Со81 27,5 313 30,7

16 МС-20+Си81+№81+Со81 28,5 244 27,4

17 МС-20+Си81+8п81+№81+Со81 28,7 371 33,6

Определим критерий задиростойко-сти смазочных материалов на машине трения СМТ-1 при ^ = 1 м/с в стальной паре, представляющей диск - ведущее звено и вкладыш - ведомое звено. Для диска принимаем материал - сталь 45 (закалка + высокий отпуск, НВ 410+420), которая имеет место для червяка в серийно выпускаемых редукторах типа «Ч». Так как содержание хрома в металле увеличивает энергию активации и оказывает значительное влияние на электрохимический потенциал в процессе трения, который препятствует окислению стали [6], поэтому для изготовления ведомого элемента (червячного колеса) принимаем широко используемую хромистую сталь 40Х (закалка + низкий отпуск, НВ 365+380) [7], см. табл.1. Результаты исследования СМ показывают, что определенное сочетание стеаратов металлов повышает эффективность задиростойкости. Например, при сочетании СиБ! + БпБ! за-диростойкость повышается в сравнении с маслом МС-20 в 2,3 раза, в сравнении с новым товарным маслом ZicG5 в 1,25

раза. При тройном сочетании СиБ! + БпБ! + МБ! задиростойкость повышается в сравнении с МС-20 в 2,5 раза, с ZlC 0-5 в 1,35 раза, а при сочетании стеаратов СиБ! + БпБ! + МБ! + СоБ1 повышается задиростойкость в 2,7 раза в сравнении с МС-20, с ZlC О-в 1,4 раза. Следовательно, многокомпонентные сочетания присадок повышают эффективность задиростойкости.

Исходя из вышеизложенного, для создания физической модели стальной червячной передачи принимаем металлоплакирующую смазочную композицию состоящую из СиБ! + БпБ! + МБ! + СоБ1 в виде смеси маслорастворимых солей высших жирных предельных и непредельных кислот. Для увеличения растворимости стеаратов металлов в минеральных маслах, их получение проводилось в присутствии определенного количества ненасыщенных высших жирных кислот. Исследованиями определен оптимальный состав МСМ, где критерием оптимизации являлись коэффициент трения скольжения и изнашивание стальных материалов.

Лучшим составом по содержанию присадок является композиция, состоящая из 1,5 % масс СиБ!, 1,5% масс БпБ!:, 3 % масс и 1% масс СоБ!:, где коэффициент трения пары трения: сталь 45 - сталь 40Х равен / = 0,006 при нагрузке 0,8 кН, а средняя интенсивность изнашивания стали 40Х равна I = 0,1 мг/км, что соответствует интенсивности изнашивания бронзы БрА9ЖЗЛ [8].

Стендовые испытания червячной передачи со стальными компонентами в совместимости с разработанным МСМ подтвердили теоретические предпосылки замены бронзы на сталь 40Х в червячном колесе, исключая задир при определенных эксплуатационных условиях. Результаты испытаний показали, что влияние МСМ в стальной червячной паре на коэффициент трения скольже-

ния существенно и достигает разницы до 0,12 в сравнении с маслом МС-20, что составляет 42% при передаваемом моменте 100 Нм, то есть в 3,3 раза меньше, рис.1. При сравнении с антифрикционной парой коэффициент трения скольжения меньше в 1,4 раза. Для стальной червячной пары трения, работающей в разработанном МСМ, к.п.д. повышается по сравнению с маслом МС-20, и эта разница составляет 47% при передаваемом моменте М, на ведомом валу с 65 Нм, рис. 2. Это хороший показатель к.п.д. для стальной пары червячной передачи (Ъ\ = 1), работающей в МСМ, так как он приближается к аналогичным показателям антифрикционной пары, рис.З.

40 60 80 100

Момент на ведомом валу, Нм

Рис. 1. Изменение коэффициентов трения в трибосистеме червяк-колесо в зависимости от величины передаваемого крутящего момента: 1 - бронзовое колесо, МС-20; 2 - бронзовое колесо, МСМ; 3

- стальное колесо, МС-20; 4 - стальное колесо, МСМ

8

Т

еЗ

ч

а.

С

«

о

X

т

№

и

а.

«

Т

ч

с

И

Момент на ведомом валу, Нм

Рис. 2. Изменение к.п.д. стальной червячной передачи в зависимости от вида применяемого СМ:

1 - МС-20; 2 - металлоплакирующий СМ

Момент на ведомом валу, Нм

Рис. 3. Влияние вида СМ на коэффициент полезного действия червячной бронзовой пары редуктора

4-80: 1 -МС-20; 2 - МСМ

Производственными испытаниями червячной передачи с использованием разработанного МСМ установлено снижение энергетических затрат за счет уменьшения потерь на трение, что дает экономию потребляемого тока около 14 % (данные показатели подтверждаются актами испытаний). В целом применение специального металлоплакирующего смазочного материала в червячной передаче, изготовленной из конструкционных сталей, в редукторах типа «Ч» даст технико-экономический эффект, заключающийся в уменьшении стоимо-

сти материала и изготовления червячного колеса, в 11,6 раза и эксплуатационного потребления электроэнергии в размере 0,77 руб. за 1квт/ч.

ЛИТЕРАТУРА

1. Гаркунов Д.Н. Триботехника (износ и бе-зызносность): Учебник. - 4-е изд., прераб. и доп.

- М.: «Издательство МСХА», 2001. - 616 с.

2. Зак П.С. Глобоидная передача. М.: Маш-гиз, 1962. - 256 с.

3. Мельников В.Г., Киселев В.В., Гунина В.В. Влияние металлоплакирующей присадки на основные триботехнические характеристики пары трения сталь - сталь // Физика, химия и ме-

ханика трибосистем - Иваново, ИвГУ, 2003. - С. 49-51.

4. Киселев Б.Р., Березин К.Г., Замятина И.И. Влияние ферромагнитных присадок на работоспособность смазочных материалов при фрикционном контакте стальных образцов // Трение и смазка в машинах и механизмах, 2010, №4. с. 27-32.

5. Костецкий Б.И., Натансон М.Э., Бершадский Л.И. Механо-химические процессы при граничном трении. М.: Наука, 1972,- 170 с.

6. Радин Ю.А., Суслов П.Г. Безызносность деталей машин при трении. Л.: Машиностроение. 1989. - 229 с.

7. Киселев Б.Р., Зарубин В.П., Березин К.Г., Осипов А.Е. Повышение надежности работы стальных узлов трения. // Современные наукоемкие технологии. Региональное приложение. Иваново. №3, 2011. с. 81-84.

8. Березин К.Г., Егоров С .А., Замятина Н.И., Киселев Б.Р., Комарова Т.Г. Влияние процессов деструкции на работоспособность смазочной композиции // Известия вузов. Химия и химическая технология. 2010,Т. 53, №9. с. 116-119.

Рукопись поступала в редакцию 03.09.12.

ENERGY-EFFICIENT LUBRICANTS FOR THE WORM GEARS

B. Kiselev, K. Berezin, N. Zamyatina, V. Godlevskiy

In the worm gears for seizure exception and efficiency increasing the antifrictional materials are applied. The constructional and lubrication materials choice for worm gear is defined mainly by scoring resistance of friction couple. So the seizure durability special criteria for energy-efficient tribo-systems working out are necessary. The constructional and lubrication materials with anti-seizure and antifrictional additives were used. The researches were conducted on tribometer CMT-1, the installation for wear studying, and also on tribometrical set with the worm gear. The dimensionless seizure durability criterion of lubricant allowing choosing rationally the lubricant for certain operational conditions of the worm gear is offered. The worm gear traditional material couple «bronze - steel» replacement by couple «steel - steel» in which lubricant with raised anti-seizure properties providing energo-operational expenses decrease was used is possible.

Keywords: the worm gear, oil, additives, efficiency, energy conservation.

НОВЫЕ КНИГИ

Посткризисное развитие социально-экономической инфраструктуры малых городов / под ред. А.Н. Ильченко и Е.А. Абрамовой; Иван. гос. хим.-технол. ун-т. - Иваново, 2012. - 240 с.

Рассматривается концепция комплексного анализа инфраструктурного потенциала малых городов депрессивного региона; особенности функционирования моногородов Ивановского региона в кризисный и посткризисный период; реструктуризация промышленного потенциала моногородов; обоснование направлений и параметров стратегии развития социально-экономической инфраструктуры региона на среднесрочную перспективу: в области адресной поддержки социально-нуждающимся гражданам, в сфере обеспеченности экономически активного населения образовательными услугами в области дошкольного образования детей и профессиональной переподготовки взрослых.

Для научных работников, преподавателей экономических вузов, специалистов региональных органов управления, а также для студентов и аспирантов.