Перспективы использования искусственных геомодификаторов трения для пожарной техники

УДК 669.058

В.П. Зарубин, В.В. Киселёв, П.В. Пучков, А.В. Топоров, С.А. Никитина

ПЕРСПЕКТИВЫ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ИСКУССТВЕННЫХ ГЕОМОДИФИКАТОРОВ ТРЕНИЯ ДЛЯ ПОЖАРНОЙ ТЕХНИКИ

Пожарная техника подвержена интенсивному износу под действием различных отрицательных факторов. Разработан порошок искусственного серпентина с частицами наноразмеров, который может являться универсальным наполнителем масел и смазок, используемых в пожарной технике. Представлены результаты экспериментальных исследований по изучению влияния на основные триботехни-ческие характеристики смазочных композиций с нанопорошками искусственно полученных серпентинов. Применение в качестве наполнителя такого порошка, положительно влияет на триботехнические свойства смазок, что способствует повышению надёжности пожарной техники.

Ключевые слова: износ, искусственный серпентин, нанопорошок, пожарная ткхника.

V. Zarubin, V. Kiselyov, P. Puchkov, A. Toporov, S. Nikitina

PROSPECTS OF USING ARTIFICIAL GEOMODIFIER OF FRICTION IN FIRE EQUIPMENT

Fire equipment has high wear under various negative factors. The authors of the article suggest the powder of artificial serpentine with particles of the nanosizes can be a universal filler of oils and the lubricants used in fire equipment. The article presents the results of pilot studies and the influence on the main tribotechnical characteristics of lubricant compositions with nanopowders of artificial serpentine. Application as a filler of such powder positively influences on the tribotechnical properties of lubricants and increase the reliability of fire equipment.

Ключевые слова: wear, artificial serpentine, nanopowder, fire equipment.

Результаты анализа эксплуатационных испытаний на пробегах пожарных автомобилей, близких к капитальному ремонту, в качестве основной причины отказов указывают на преждевременный износ трущихся поверхностей.

В последние годы широко используется в качестве наполнителя масел и смазок порошок измельчённого природного серпентина. Основным недостатком при этом является сложность измельчения минерала. Как правило, размер частиц порошков серпентина находится в пределах 1 - 40 мкм. А это значит, что часть наполнителя может задерживаться фильтрами. Попадая в зазоры трущихся поверхностей крупные частицы минерала, работают как абразивные. Поэтому важной задачей является разработка порошка искусственного серпентина. Искусственный серпентин лишён недостатков природного аналога. Он имеет частицы наноразмеров и может являться универсальным наполнителем масел и смазок.

Исследование полученных разными методами порошков серпентина проводили на рентгеновском дифрактометре ДРОН-2,0 - общего назначения. Исследование триботехнических характеристик разработанных присадок проводилось на машине для испытания материалов на трение и износ моде-

ли СМТ-1. Для контроля размеров частиц наполнителей и количества тех или иных частиц в составе порошков использовался лазерный дисперсионный анализатор микрочастиц «AraПzetter 22».

Исследования показали, что использование в качестве наполнителя, к смазочным материалам, порошков серпентинов приводит к улучшению триботехнических свойств. Снижение коэффициента трения и интенсивности изнашивания связано с образованием на поверхности трения слоя с повышенной твёрдостью. Но, как показывают исследования, для максимального улучшения триботехнических свойств пары трения сталь - баббит, микротвёрдость не должна возрастать более чем в 1,5 раза.

Применение в качестве наполнителя нанопорошка искусственного серпентина положительно влияет на триботехнические свойства смазочной композиции, снижая коэффициент трения и интенсивности изнашивания. Применение новых присадок позволит добиться значительных положительных результатов, а именно продлить ресурс работы узлов автотранспортной техники до 2 раз, резко снизить аварийные разрушения оборудования, сократить затраты на внеплановые ремонты оборудования, экономить горюче-смазочные материалы.

Повышение надёжности автотранспортных средств, используемых в системе МЧС и в любой другой сфере, является важной хозяйственной задачей. Результаты анализа эксплуатационных испытаний на пробегах пожарных автомобилей, близких к капитальному ремонту, в качестве основной причины отказов указывают на преждевременный износ трущихся поверхностей [1].

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.

Одним из способов повышения надёжности пожарной техники является улучшение триботехнических показателей смазочных материалов. Авторами проводится активная работа по разработке различных присадок и добавок к смазочным материалам. В работе [1] описано действие разработанной присадки на основе солей мягких металлов, описано её положительное действие на исследованные смазочные материалы. Однако в дальнейших исследованиях были выявлены её недостатки, а именно невозможность растворения в синтетических маслах и в некоторых консистентных смазках.

В последние годы широко используется в качестве наполнителя масел и смазок порошок измельченного природного серпентина. Природный серпентин - геомодификатор трения (далее по тексту - ГМТ) содержит в виде примесей большое количество оксидов и других компонентов (алюминий, железо, никель, кремний, магний, асбест, шамот, базальт и др.), роль которых в зоне трения является неоднозначной. К недостаткам такого наполнителя можно отнести большой разброс по содержанию примесей и гранулометрическому составу измельчённого минерала, присутствие в составе крупных твёрдых частиц, что может привести к абразивному износу антифрикционных сплавов.

Эффективность наполнителей определяется поверхностными явлениями, возникающими на границе раздела фаз. С уменьшением размера частиц наполнителя увеличивается удельная поверхность и соответственно возрастает роль поверхностных явлений и связанная с ними активность добавок.

Известно, что по химическому и фазовому составу порошки природного геомодификатора представляют собой классический магнезиально-железистый силикат (серпентин), являющийся формой целого ряда минеральных руд класса оливинов, конечными фазами которого являются форстерит (Mg2SiO4) и фаялит

Поскольку минералы, входящие в состав геомодификаторов, химически инертны, то на эксплуатационные свойства масел они действия не оказывают. Изначально ГМТ представляют собой абразивные невысокой твёрдости частицы. Попав в зону трущихся деталей, они под воздействием энергии трения вступают в реакцию с металлом и образуют на нём гладкий металлокерамический слой (согласно рекламным описаниям), благодаря чему смазочные материалы с ГМТ могут применяться практически во всех машинах и механизмах.

Большинство производителей, выпускающих металлокерамические восстановители в качестве наполнителя к маслам и смазкам, применяют природный серпентин и его разновидности. Основным недостатком при этом является сложность измельчения минерала. В большинстве патентов, описывающих подобные процессы, размер частиц порошков серпентина находится в пределах 1-40 мкм. А это значит, что часть наполнителя может задерживаться фильтрами, попадая в зазоры трущихся поверхностей крупные частицы минерала, работают как абразивные. Как следствие применения таких наполнителей - высокие значения интенсивности изнашивания - 3,2-5,2 мкм/км и высокие значения коэффициентов трения - 0,08-0,16.

Важным недостатком, на наш взгляд, является отсутствие систематических исследований работоспособности предлагаемых ГМТ. В технической литературе и патентах приводятся только данные по улучшению отдельных свойств или комплекса свойств.

Не отрицая положительную роль порошка природного серпентина как наполнителя, важной задачей, поставленной в данной работе, является разработка порошка искусственного серпентина, который, лишённый недостатков природного, являясь его аналогом с частицами наноразмеров, может являться универсальным наполнителем масел и смазок.

Серпентин представляет собой слоистую разновидность гидросиликатов магния с общей формулой MgзSi2O5(OH)4. Он может быть синтезирован с применением геля кремниевой кислоты и соединений магния (растворимыми и нерастворимыми).

Золь-гель технология является основным методом синтеза антигорита различной степени дисперсности и большей степени чистоты, чем природный.

Вторым способом получения искусственного серпентина является гидротермальный синтез. Такой способ получения смазочной композиции включает обработку смеси гидроокиси магния Mg(OH)2 и кремнийорганического эфира при температуре свыше 300° С и давлении свыше 3,5 МПа.

Исследование полученных разными методами порошков серпентина проводили на рентгеновском дифрактометре ДР0Н-2,0 - общего назначения. Параметры измерений были выбраны следующие: напряжение на рентгеновской трубке U = 40 кВ; ток рентгеновской трубки I = 20 мА; скорость счётчика равна 4 об/мин -1, излучение - CuKa.

Разработанные геомодификаторы выступали в качестве наполнителя к базовому маслу (И-20). На базе масла И-20 были получены смазочные композиции (№ 1, № 2, № 3), содержащие 10 % геомодификатора трения. Композиция № 1 содержит природный геомодификатор, № 2 и № 3 содержат 10 % искусственного аналога геомодификатора трения, полученного гидротермальным синтезом и по золь-гель технологии.

Размер частиц синтезированного минерала определяли с помощью лазерного дисперсионного анализатора микрочастиц «Аnаlizetter 22».

Триботехнические свойства разработанных серпентиноподобных соединений проводились по следующим методикам: частичный вкладыш и контртело (рис. 1) были изготовлены из стали 45 (ГОСТ 1050) с поверхностной твёрдостью (45 - 48) HRC. Все образцы имели рабочие поверхности с Ra = 0,16 [2].

0,16

_ о ч-

а)

б)

Рис. 1. Частичный вкладыш (а) и контртело (б) для проведения испытаний на трение и изнашивание

Исследование триботехнических характеристик разработанных присадок проводилось на машине для испытания материалов на трение и износ модели СМТ -1 (рис. 2).

При исследовании износостойкости образца в присутствии разработанной смазочной композиции были выбраны усреднённые режимы трения, применительно к режимам работы большинства узлов трения машин и аппаратов: скорость скольжения составляла 1 м/с; нагрузка повышалась ступенчато до резкого увеличения момента трения; смазочная композиция вводилась в зону трения капельным способом - 8-10 капель в минуту.

Поскольку ГТМ организует на поверхностях контакта слой с повышенной микротвёрдостью, было исследовано изменение микротвёрдости поверхностного слоя образцов при изнашивании.

Из исследованных смазочных композиций следует выделить смазочную композицию № 2. При введении в масло порошка этого наполнителя коэффициент трения снижается более чем в 5 раз при давлении до 3 МПа, интенсивность изнашивания уменьшается в 2-4 раза во всём диапазоне исследованных давлений. Улучшение триботехнических свойств масла можно объяснить образованием на поверхности стальных образцов слоя с повышенной микротвёрдостью (микротвёрдость поверхности трения увеличилась в 1,5-2 раза). Попадая в зону трения частицы наполнителя под действием нагрузки разрушаются с выделением большого количества тепла и внедряются, размягчая верхние слои металла. Повышенная микротвёрдость оказывает непосредственное влияние на снижение интенсивности изнашивания и, как следствие, продления срока службы узла трения. Изменение микротвёрдости поверхности трения стальных образцов показано на рис. 3.

Рис. 2. Упрощённая схема узла трения машины СМТ - 1: 1 - нижний (вращающийся) вал; 2 - верхний (неподвижный) вал; 3 - нагружающее устройство; 4 - образец; 5 - контртело

Рис. 3. Зависимость микротвёрдости поверхности трения от давления: № 1 - для базового масла И-20 с 10 % природного геомодификатора; № 2 - для масла И-20 с 10 % наполнителя, изготовленного гидротермальным способом; № 3 - для масла И-20 с 10 % наполнителя, изготовленного по золь-гель технологии

Результаты триботехнических испытаний масла И-20 с 10 % разработанных наполнителей представлены на рис. 4, 5.

Р, МПа

Рис. 4. Зависимость коэффициента трения от давления на образец:  - масло И-20 без наполнителей;  - масло И-20 со смазочной композицией № 1; ♦ - масло И-20 со смазочной композицией № 2; • - масло И-20 со смазочной композицией № 3

Р, МПа

Рис. 5. Зависимость интенсивности изнашивания от давления на образец:  - масло И-20 без наполнителей;  - масло И-20 со смазочной композицией № 1; ♦ - масло И-20 со смазочной композицией № 2; • - масло И-20 со смазочной композицией № 3

Анализируя результаты исследований, можно сделать выводы:

1. Смазочная композиция № 1 проявила себя как противоизносная. В её присутствии интенсивность изнашивания снижается в 2-4 раза. Коэффициент трения при этом мало отличался от значений коэффициента трения в масле без наполнителей. Микротвёрдость поверхности трения частичного вкладыша увеличилась в 1,5-2 раза. Таким образом, смазочная композиция № 1 снизила интенсивность изнашивания за счёт образования на поверхности трения прочного слоя.

2. Смазочная композиция № 2 мало отличается от смазочной композиции № 1. В её присутствии коэффициент трения снизился в 1,5-2 раза, интенсивность изнашивания уменьшилась в 1,5-2,5 раза, микротвёрдость поверхности трения увеличилась в 1,5-3 раза.

3. Лучшие триботехнические характеристики показала смазочная композиция № 3: коэффициент трения снизился в 5-12 раз, интенсивность изнашивания уменьшилась в 3-4 раза, микротвёрдость поверхности трения увеличилась в 1,5 раза.

Исследования показали, что использование в качестве наполнителя к смазочным материалам порошков серпентинов приводит к улучшению триботехнических свойств. Снижение коэффициента трения и интенсивности изнашивания связано с образованием на поверхности трения слоя с повышенной твёрдостью.

Положительный эффект от использования в качестве наполнителей к маслам силикатных наполнителей напрямую зависит от дисперсности порошков минералов, вводимых в смазку.

На рис. 6 представлены фотографии порошков наполнителей.

а) б) в)

Рис. 6. Фотографии порошков наполнителей (увеличение х 150): а) наполнитель № 1; б) наполнитель № 2; в) наполнитель № 3

Для контроля размеров частиц наполнителей и количества тех или иных частиц в составе порошков использовался лазерный дисперсионный анализатор микрочастиц «Analizetter 22». В приборе используется физический принцип возможных перемещений электромагнитных волн. Через жидкость с порошком проходит лазерный луч и отражается от частиц под разными углами, которые зависят от величины и оптических свойств частиц. Прибор имеет набор линз, которые концентрируют отражённый свет в пучок. Пучок света попадает на измеряющий датчик. Датчик посылает сигнал в компьютер, который с помощью комплекса математических программ рассчитывает размер частиц исследуемого порошка.

По данным лазерного дисперсионного анализатора микрочастиц следует, что наполнитель № 1 имеет 85 % частиц с размерами менее 40 мкм, наполнитель № 2 - 93 %, наполнитель № 3 - 96 %, что говорит о тонкой дисперсности порошков наполнителей и о возможности применения смазок, наполненных порошками силикатов в машинах с фильтрами тонкой очистки масла. Порошки наполнителей не будут отфильтровываться и в достаточном количестве попадут в зону трения.

Как отмечалось в работе [3], при трении скольжения независимо от изменения в относительно широких пределах исходной шероховатости поверхностей трения, к концу периода приработки устанавливается для каждой из поверхностей определённая, свойственная именно данному сочетанию материалов и условиям трения шероховатость, которая сохраняется при дальнейшем постоянном режиме трения. Исходная шероховатость поверхностей, независимо от вида трения, переходит в эксплуатационную, т. е. в ту, при которой происходит работа трения. На формирование эксплуатационной шероховатости оказывает влияние сложный комплекс разного рода механических, физико-

104 -

Научные и образовательные проблемы гражданской защиты - 2013'3

механических, электрохимических и других процессов, протекающих в контакте. Наличие в смазочном материале наполнителей оказывает непосредственное влияние на поверхности трения трущихся деталей, и, как следствие, на триботехнические свойства (коэффициент трения и интенсивность изнашивания).

Влияние наполнителей на поверхности трения представлено на фотографиях поверхностей (рис. 7).

в) г)

Рис. 7. Поверхности образцов после трения в масле И-20: а) без наполнителей; б) с наполнителем № 1; в) с наполнителем № 2; г) с наполнителем № 3

Фотографии поверхностей трения подтверждают предположение о том, что в процессе синтезирования искусственного серпентина получился порошок с частицами наноразмеров. Применение в качестве наполнителя такого порошка положительно влияет на триботехнические свойства смазочной композиции, снижая коэффициент трения и интенсивности изнашивания [4]. На снижение интенсивности изнашивания значительное влияние оказывает отсутствие микрорезания в зоне трения. Это подтверждают фотографии поверхностей трения. На поверхностях трения отсутствуют риски и царапины от попадания крупных и твёрдых частиц.

Внедряясь в поверхность трения, наночастицы порошка искусственного серпентина образуют слой с повышенной микротвёрдостью. Повышенная микротвёрдость оказывает непосредственное влияния на снижение интенсивности изнашивания и, как следствие, продления срока службы узла трения.

Применение прогрессивных смазочных материалов в пожарной технике позволит добиться значительных положительных результатов, а именно: продлить ресурс работы узлов автотранспортной техники до 2 раз, резко снизить аварийные разрушения оборудования, сократить затраты на внеплановые ремонты оборудования, экономить горюче-смазочные материалы [5].

Разработанная присадка может найти широкий круг применения. Выявленные в ходе экспериментов некоторые качественные показатели, значительно превосходят показатели других аналогичных присадок. Не последним достоинством присадки является простота в применении и относительная дешевизна в изготовлении.

Литература

1. Киселёв В.В., Топоров А.В., Пучков П.В. Повышение надёжности пожарной техники применением модернизированных смазочных материалов // Пожаровзрывобезопасность. - 2010. - Т. 19. - № 2. - С. 50 - 53.

2. Киселёв В.В., Полетаев В.А. Исследование триботехнических характеристик металлосодержащих присадок к маслам, используемым в электрических машинах // Вестник ИГЭУ. - 2011. - № 2. - С. 65 - 67.

3. Гаркунов Д.Н. Триботехника. - М.: Машиностроение, 1999. - 336 с.

4. Пучков П.В., Киселёв В.В., Топоров А.В. Разработка конструкции трибологически безопасного резьбового соединения // Вестник ИГЭУ. - 2012. - № 1. - С. 28 - 31.

5. Киселёв В.В., Топоров А.В., Пучков П.В. Перспективы использования модернизированных смазочных материалов в пожарной и аварийно-спасательной технике // Научные и образовательные проблемы гражданской защиты. - 2011. - № 3. - С. 23 - 29.