автореферат диссертации по кораблестроению, 05.08.05, диссертация на тему:Активация и эффективное использование в судовых средневоротных дизелях жидкокристаллических свойств масла

РГ6 Ой

2 7 Ш I;.

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ УКРАИНЫ ОДЕССКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ МОРСКОЙ УНИВЕРСИТЕТ

АКТИВАЦИЯ И ЭФФЕКТИВНОЕ ИСПОЛЬЗОВАНИЕ В СУЗОБЬК СРЕДНЕОЕОРОТБЫХ ДИЗЕЛЯХ ШЮКРИСТАШМЧЕСКИХ СВОЙСТВ МАСЛА

'Специальность 05.08.05 -Судовые энергетические установки

АВТОРЕФЕРАТ ■ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

На правах рукописи

САТИН СЕРГЕЯ ВИКТОРОВИЧ

Одесса - 1996

Работа выполнена на кафедре Автоматизации судовых паросиловых установок Одесской государственной морской академии.

Научный руководитель: доктор технических наук,

профессор. С. А. Ханмамедов.

Официальные оппоненты:

- доктор технических наук, профессор А. Е Козьминых, Одесская государственная морская академия;

- кандидат технических наук, доцент Я.В. Виниченко,. Одесский государственный морской университет.

Ведущая организация: ГОК "Черноморское морское пароходство".

Защита состоится " б " июня 1996 года в 14.00 часов в аудитории N0 309 (конференцзал) на заседании специализированного совета К 05.11.02 в Одесском государственном морском университете: 27СЮ29, г.Одесса, уд. Мгчникова, 34.

С диссертацией модно ознакомиться в библиотеке университета

Отзывы в двух экземплярах, заверенные печатью учреждения, просим направлять в специализированный совет по указанному адресу.

Автореферат разослан " 5 " мая 1996 года

Ученый секретарь специализированного совета, кандидат технических наук, доцент

Л. В. Князев

ОЕШАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Проблемы долговечности, эксплуатационной надежности двигателей, механизмов и другого оборудования, определяющиеся качеством и технологией применения смазочного материала, являются в настоящее время актуальными и важными и исследования в области создания, испытания, техники и технологии применения смазочных материалов сформировались в крупное научное направление. Достижения в этой области самым непосредственным образом влияют на техническую и экономическую эффективность использования техники, в том числе и судовой.

Недостаточная эффективность отдельных эксплуатационных циклов работы систем судовых энергетических установок (СЭУ) и, в частности, систем смазывания неизменно сказывается на расходе топливно-энергетических и материальных ресурсов.

До 30% энергии, вырабатываемой на борту судна, расходуется на преодоление сил трения в узлах механизмов СЭУ. Около 40% стоимости ремонта СЭУ составляет ремонт систем смазывания и узлов трения, а затраты на смазочные материалы и обслуживание систем смазывания достигают 8-12% судовых эксплуатационных расходов. Приблизительно 80% аварий машин и механизмов СЭУ обусловлены отклонениями в работе систем смазывания и узлов трения, которые ими обслуживаются.

Эффективная эксплуатация циркуляционных систем смазывания судовых судовых среднеоборотных дизелей (СОД) позволяет не только улучшить эксплуатационные характеристики дизеля, но и существенно повысить экономические показатели его работы, а именно: снизить расходы топлива на 0.5 - 2 масла на 10 - 15%; повысить ресурс работы двигателя на 10 - 30%.

Параметры работы систем СЭУ регламентируются руководящими документами отрасли и поднадзорны Регистру. Поддержание технического состояния систем смазывания обусловлено стратегией эксплуатации по состоянию, принятой в отрасли. Реализация указанной стратегии эксплуатации по состоянию позволяет управлять процессами технической эксплуатации систем смазывания путем поддержания оптимальных режимов работы и назначения таких эксплуатационно-ре-

монгкых циклов, которые обеспечивают системам смазывания их эффективное использование при минимальных расходах энергетических и материальных ресурсов.

Такой подход к совершенствованию эксплуатации систем смазывания СЭУ отвечает современным тенденциям реализации научно-технического прогресса на морском транспорте.

Тенденция увеличения мощности и форсировки судовых СОД отечественного и зарубежного производства приводит к росту их динамической и тепловой напряженности. При этом особую нагрузку испытывают элементы цилиндра-поршневой группы (кольца, поршни, втулки) и коленчатого вала (рамовые и мотылевые подшипники). Одновременно с этим современная технология производства подшипников скольжения судовых дизелей Есе более и более сеодится к использованию тонкостенных слоистых полувкладышей и уменьшению масляных зазоров в паре вал-вкладыш. В этих условиях работы возрастает роль смазочного материала, использующегося при эксплуатации узлов трения. В связи с этим должны быть пересмотрены характеристики смазочного материала.

Для улучшения услоьий эксплуатации узлов трения СЭУ необходимо оптимизировать протекающие в них трибологические процессы. Этого можно достичь усовершенствованием конструкции и выбором материала узлов трения, а также улучшением характеристик смазочного материала. Последний способ является единственно приемлемым при эксплуатации существующих узлов трения и позволяет за счет использования ориентационной упорядоченности молекул в граничном смазочном слое понизить потери на трение и износ и получить наибольший экономический эффект.

Цель и задачи исследования. Е соответствии с вышеизложенным, а также исходя из анализа работы смазочных систем, проведенного в последующих главах работы, сформулирована основная цель исследования - повышение эффективности эксплуатации судовых СОД за счет активации и рационального использования жидкокристаллических свойств смазочного материала.

Для достижения поставленной цели в работе решены следующие задачи:

- доказано, что работа подшипников скольжения судовых СОД происходит в граничном режиме смазывания, причем эти режимы ха-

рактерны не только для динамически изменяющихся процессов эксплуатации, но и для установившихся периодов работы, а смазочный материал, находящийся при этом в паре трения, обладает ориентацион-иой упорядоченностью молекул б граничном смазочном слое и находится в жидкокристаллическом состоянии;

- установлены зависимости между жидкокристалическими и трн-ботехническими характеристиками смазочных материалов;

- показано, что за счет активации жидкокристаллических характеристик граничных смазочных слоев можно улучшать триботехни-ческие характеристики узлоз трения;

- определено влияние внешних факторов на жидкокристаллические и триботехническиэ характеристики смазочного материала, применяемого в циркуляционных системах смазывания;

- разработаны методы прогнозирования технического состояния подшипников скольжения судовых СОД по жидкокристаллическим характеристикам применяемого смазочного материала.

Методика исследования. Для исследования жидкокристаллических характеристик смазочного материала использовались оптические методы (метод дихроизма поглощения примесных молекул и метод определения оптической анизотропии пристенных слоев жидкости.), для чего были разработаны специальные лабораторные установки.

В качестве основных жидкокристаллических характеристик смазочного материала принимались толишна ориентационно упорядоченного граничного слоя и степень его оптической анизотропии.

Для проведения триботехнических исследований были смонтированы лаборатоный установки, базой которых являлись машины трения ДМ-29 и АЕ-5, на которых определялись сила трения и износ в функции от температуры и нормальной нагрузки.

На основе полученных экспериментальных данных установлены корреляционные взаимосвязи между жидкокристаллическими и трибо-техническими характеристиками смазочного материала, которые позволяют прогнозировать надежность работы подшипников скольжения.

Исследования влияния жидкокристаллических свойств смазочного материала на ресурс его работы производилось как на экспериментальных установках, так и на судовых СОД в системе циркуляционной смазки.

Научная новизна работы состоит в

- разработке оптических методов оценки степени ориентацисн-ной упорядоченности в граничных смазочных слоях, образованных на металлической поверхности;

- установлению корреляционной взаимосвязи между интенсивностью изнашивания узла трения I и интегральным показателем с15да (где -с^толщша граничного слоя, дп - усредненное значение степени его оптической анизотропии);

- установлению механизма действия поверхностно активных присадок на ориентационную упорядоченность граничного смазочного слоя и его триботехнические характеристики.

Практическая ценность достигнутых в диссертации результатов может быть квалифицирована как новое достижение в развитии перспективного направления в разработке методики эксплуатации узлов трения СОД, использующих жидкокристаллические свойства смазочных материалов.

Результаты, изложенные в работе, позволяют:

- улучшать триботехнические характеристики смазочных материалов за счет создания ориентационкой упорядоченности молекул в граничных смазочных слоях путем активации их жидкокристаллических свойств;

- производить прогнозирование работы смазочного материала, находящегося в циркуляционной системе, по его жидкокристаллическим характеристикам-,

- оптимизировать использование полимолекулярных жидкостей, применяемых в смазочных материалах в качестве поверхностно активных веществ.

Достоверность полученных в работе результатов обеспечена тщательным анализом условий работы триады трения "вкладыш подшипника - смазочный материал - вал", корректным проведением экспериментальных исследований и математической обработкой полученных результатов и подтверждается научными положениями современной молекулярно-кинетической теории граничного трения. При этом были учтены последние результаты отечественных и зарубежных ученых по физике пристенных слоев жидкости.

На защиту выносятся следующие положения:

- резервом повышения эффективности эксплуатации узлов трения

судовых СОД является активация и эффективное использование жидкокристаллических свойств смазочного материала, применяемого при смазывании контактирующих деталей;

- триботехнпческие характеристики смазочных материалов определяются жидкокристаллическим состоянием граничных смазочных слоев;

- в качестве методов оценки жидкокристаллических и, следовательно, триботехнических характеристик граничного смазочного слоя, могут использоваться оптические методы (дихроизма и оптической анизотропии) и метод определения температурной стойкости граничного смазочного слоя.

Внедрение. Система активации жидкокристалических сеойств смазочного материала, как способ улучшения его триботехнических и эксплуатационных сеойств, внедрена в виде дополнительного элемента системы маслоподготовки вспомогательного дизеля ТВД 601-К на т/х "Профессор Небеснов".

Материалы и результаты диссертационной работы используются в учебном процессе Одесской государственной ■ морской академии при изучении дисциплин "Судовые двигатели внутреннего сгорания и их эксплуатация" и "Безопасность морского судоходства" для курсантов специальности 7. 100312.

Апробация работы. Основные результаты исследований доложены и одобрены на:

- Х-ой Международной конференции "Поверхностные силы" (г. Москва, 1992 год);

- Ш-ем Международном научно-практическом симпозиуме "Сла-вянтрибо", секция Трибология и транспорт (г. Рыбинск, 1995 год);

- 1У-ой Международной конференции "Новые технологии в машиностроении" (гг. Харьков - Рыбачье, 1995 год;;

- научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава ОГМА, секции автоматизации судоеых технических средств и судовых энергетических установок (г.Одесса, 1993, 1995, 1996 годы).

По результатам проведенных исследований опубликовано 8 статей.

Структура и объем диссертации.

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения,

списка литературы и приложения, общим объемом 144 страницы, включая 38 рисунков, 15 таблиц и 8 страниц списка литературы из 109 наименований.

В приложении приведены акты использования результатов работы, программа расчета среднеквадратических отклонений при проведении обработки результатов исследований, программы и отчет по испытаниям циркуляционной системы смазывания на т/х "Профессор Аничков".

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В первой главе проведен обзор работ, посЕящен-ных эффективности эксплуатации смазочных систем судовых двигателей внутреннего сгорания (СДВС), выполнен анализ исследований процессов трения, как основной составляющей механических потерь и исследований закономерностей, происходящих как в системах смазывания, так и в смазочном материале. °

Следствием несовершенства теоретического описания явлений, происходящих в трибоузлах СДВС, является описание этих явлений не с позиции граничной теории смазки, а только с позиций классической гидродинамики.

Отмечено, что гидродинамический подход к описанию поведения смазочного материала, находящегося в зазорах пар трения, пригоден лишь для описания работы подшипниковых узлов, не испытывающих значительных динамических и тепловых напряжений (например подшипники Еалопроводов), а для подшипниковых узлов скольжения современных СДВС (бвиду уменьшения зазоров в паре вал - Екладыш подшипника) необходимо учитывать закономерности граничной смазки. В ряде современных работ по вопросам триботехники авторы сознательно первоначально делают допущения о жидкостном режиме трения, с целью значительного упрощения методов расчета, что не соответствует действительным процессам трения в работающем двигателе.

В большинстве работ к режимам граничного трения относят зазоры 0.1 мкм и соответственно такие же толщины граничного смазочного слоя. Однако, в ряде работ было показано, что на металлической поверхности образуются граничные слои со свойствами, отличными от объемных, толщиной 1-10 мкм. Далее было показано,

что эти слои обладают ориентациокой упорядоченностью молекул, т. е. подобны жидким кристаллам.

Условия работы подшипников скольжения судовых СОД с развитием форсировки и теплонапряженности последних усложняются. Технологическое решение этого вопроса сводится к уменьшению зазора в данной паре трения, использованию тонкостенных полувкладышей и улучшению качества обработки поверхности вала. Для современных дизелей зазоры в мотылевых и рамовых подшипниках составляют 30 т 50 мкм. Как показывают последние научные исследования, именно в этих пределах лежит толщина пристенных (граничных) слоев жидкос-'ти, которые не подчиняются гидродинамической теории смазки, а обладают свойствами жидких кристаллов.

Вторая глава посвящена теоретическому описанию явлений, происходящих в подшипниковых узлах судовых СОД. Особое внимание уделено анализу физических явлений, происходящих в зоне трения при граничной смазке.

Роботоспособность узла трения при граничной смазке определяется соотношением двух идущих одновременно процессов - образования и разрушения граничного слоя. Соотношения между скоростями этих процесов характеризуют наступление того или иного этапа процесса трения при граничной смазке. Формальным признаком наступления нового этапа является достижение соответствующей переходной температуры.

На рис.1 приведена обобщенная зависимость коэффициента трения от суммарной температуры контакта для сопряжения, работающего в условиях граничной смазки.

Индикатором разрушения граничных смазочных слоев является реализация первой критической температуры Ткр4. Происходит разрушение ориентационной упорядоченности молекул слоя и начинается интенсивное схватывание, изнашивание адгезионного типа при резком росте коэффициента трения (т. А на рис.1).

При более высоких температурах (Тм ) может происходить образование модифицированного слоя, в результате чего снижается трение и интенсивное адгезионное изнашивание сменяется более мягким коррозионно-механическим (г. В на рис.1).

Критерием образования установившегося модифицированного слоя является температура химической модификации(т. С на рис.1).

При повышении температуры до величины происходит разрушение химически модифицированного слоя и резкое увеличение коэффициента трения (т. Д на рис. 1).

Рис. 1. Обобщенная зависимость коэффициента трения

от суммарной температуры контакта на поверхности трения при граничной смазке

Уравнения для расчета характерных температур были предложены рядом авторов и, в частности И. А. Буяновским.

Закономерности движения элементов узлов трения в плоскости, перпендикулярной плоскости скольжения могут быть определены на примере наиболее характерного узла трения, приведенного на рис. 2.

Деталь перемещается относительно детали Д со скоростью ?Г. В зону трения подается смазочный материал. Деталь ¿32 имеет возможность перемещаться вдоль оси В перпендикулярной плоскости скольжения. Произведем привязку системы координат к элементу узла трения Е>2 следующим образом: ось 2 перпендикулярна плоскости скольжения, ось X проходит через дно впадин шероховатостей поверхности движущейся детали 6г , ось У перпендикулярна плоскости чертежа.

Рассмотрим силы, действующие в рассматриваемом узле трения: л/ - нормальная нагрузка, воспринимаемая узлом трения; то - сила тяжести элемента узла трения; А/р - сила сопротивления движению детали вдоль оси 2 ;

гидродинамическая подъемная сила, возникающая на микроклиньях шероховатостей поверхности;

- сила, обусловленная расклинивающим давлением в пристенном

ориектационно упорядоченном слое; Ыл - сила сопротивления на адгезионных контактах.

Рис. 2. Схема типового узла трения

При движении тел между ними возникают силы трения. Эти силы приложены к обоим трущимся телам Так силы (с одним штрихом) приложены к детали В(, а силы/? С с двумя штрихами) - к детали^: р' р". проекция на ось X силы трения;

р'.р"- СИла вязкого трения в слое смазочного материала с объемны-

' ж

ми свойствами;

РГ';РГ- сила

сопротивления сдвигу ориентационно упорядоченного слоя;

р>-р*- сила сопротивления сдвигу, возникающая на адгезионных конА' * тактах в зоне трения.

на ось

(1)

диссерта-

Спроектировав Есе действующие силы в узле трения получим следующее выражение

Решение уравнения (1) относительно 2 выполнено в ционной работе для двух моментов времени: до (£ ) и после (£) разрыва адгезионного контакта. В первом случае мы получим решение

а во втором

- 12 -/

где , А - коэффициенты пропорциональности.

Решение уравнений (2) и (3) производилось теоретически и экспериментально е работе было произведено подтверждение их правильности.

В третьей главе рассмотрены оптические методы исследования ориентационной упорядоченности в граничных смазочных слоях и методы лабораторного определения их триботехнических характеристик.

Схема установки для исследования дихроизма поглощения примесных молекул приведена на рис. 3. Базой установки являлся спектрофотометр "Спекорд М-40" 1, от быходной щели которого монохроматический луч проходил через поляризатор ?. и направлялся в световод 3, заполненный исследуемым материалом 4. Боковые поверхности световода выполнялись из стали Ж-15 и отполировывались по высокому классу точности.

Ширина световода с! изменялась в пределах 8т30 мкм и контролировалась микроскопически. На выходе из оптической системы по-

1||Н[1|'|'|)Г)|)1|Ч1|1|))1|

/ - V ^ \ \ -' \ -

"////Ту/Л

Рис. 3. Схема установки для исследования дихроизма поглощения примесных молекул

мешалось фотоэлектрическое устройство 5, с помощью которого фиксировалась интенсивность света, прошедшего через световод. С помощью поляризатора можно было получать две поляризации падающего света: электрический вектор световой волны параллелен боковой поверхности световода (р -поляризация) или нормален к ней (п -поляризация). Для устранения менисковых эффектов передняя и задняя поверхности световода закрывались плоскими стеклянными пластинами. Поверхности световода и стеклянных пластин для исключения ис-

кажения получаемой информации предварительно очищались перегнанным бензином, парами эфира и пылью активированного угля.

Исследования дихроизма производились на длине волны, соответствующей максимуму полосы поглощения примесных молекул, в качестве которых для алифатических жидкостей использовался краситель "Судан" (бензол-азобензол-азо-бета-нафтол), при концентрации 0,5 4 3.01.

При прохождении света по световоду, заполненному поглошающей соедой, его интенсивность убывыает по закону

Ы0-еь

где 10 и 1 - соответственно, значения интенсивности прошедшего света через светоЕод с чистой жидкостью и с жидкостью, содержащей примесные молекулы при одинаковых значениях его ширины;

I) - оптическая плотность поглощающего вещества, которая равна

- - - ■ (5)

где [ иа длина и ширина световода;

^ и ^I - коэффициенты поглощения граничных слоев и объемной жидкости в световоде;

с15- равновесная толщина ориентационно упорядоченного граничного слоя.

С помощью вышеизложенного метода и последующей обработки экспериментальных результатов возможно получить информацию о параметре порядка, положении молекул и толщине граничного слоя.

Ориентационная упорядоченность молекул граничного смазочного слоя приводит к анизотропии их физических, в том числе оптических, свойств. В частности, такие упорядоченные фазы обладают оптической анизотропией, знак которой определяется типом ориентационной упорядоченности молекул, а величина зависит от степени ориентационной упорядоченности среды.

Линейно поляризованный свет, проходя через оптически анизотропные ориентационно упорядоченные граничные смазочные слои, становится эллиптически поляризованным, что приводит к возникновению сдвига фаз 8 между компонентами света, поляризованным}! параллельно и перпендикулярно плоскости падения световых лучей. Величина сдвига фаз пропорциональна ориентационной упорядоченности иссле-

дуемого материала и может измеряться с помощью экспериментальной установки, приведенной на рис. 4.

Свет от источника 1 (ртутной лампы ДРШ-100) монохроматизиро-вался фильтром 2, поляризовывался поляризатором 3 и слабо расходящимся пучком направлялся на входной торец световода переменной толщины 5, предварительно проходя компенсатор 4. Световые лучи двигались в световоде по зигзагообразному пути, отражаясь от его стенок, и последовательно проходили ориентационно упорядоченные пристенные слои 6 и изотропную жидкость 7. Для исключения менисковых эффектов торцы световода прикрывались стеклами. Выходя из световода, свет попадал на анализатор 8 и далее направлялся в микроскоп 9. Боковые поверхности световода и стекла «очищались по указанной выше методике.

Для измерения сдвига фаз Б между компонентами Ер и Е3 света, поляризованными параллельно и перпендикулярно плоскости падения световых лучей, для каждого фиксированного значения ширины световода определялся азимут погасания ^ (утол поворота компен-Г- от исходного положения, при котором интенсивность СЕета на выходе минимальна). После чего значение сдвига фаз 5 при двойном лучепреломлении граничной фазы можно рассчитать по формуле

А

Рис.4. Схема экспериментальной установки для определения оптической анизотропии пристенных слоев.

(И)

При определении сдвига фаз, создаваемого оптически анизотропной граничной фазой, необходимо учитывать сдвиг фаз, вносимый в полученное значение из-за отражения от металлических стенок. Для этого предварительно производилось измерение сдвига фаз для световода с воздушным заполнением. После этого измерялся сдвиг фаз для световода, заполненного исследуемой жидкостью и вычислялось значение сдвига фаз 5$, соответствующего оптической анизотропии пристенного слоя:

5*. б- 5ь/п2 (12)

где П - коэффициент преломления света в исследуемой среде.

Зависимость сдвига фаз 5 от обратной ширины уУ световода является линейной

^Т^^Т (13)

где дП - усредненное значение оптической анизотропии пристенного слоя.

Решив (12) и (13) совместно получим выражение для определения интегрального параметра , характеризующего степень ориен-тационной упорядоченности пристенного слоя:

си-^-'УпО. ш>

где значения сдвига фаз при оптической анизотропии для световода, заполненного жидкостью 5 и воздухом 5ь , а также ширина световода с! определяются экспериментально.

Исследованиям подвергались модельное (вазелиновое) масло и ряд технических масел. Эксперименты производились также на поверхности стали ШХ-15, с предварительным нанесением монослоев олеиновой кислоты и цетилового спирта, которые усиливают жидкокристаллические характеристики граничного смазочного слоя. Обобщенные результаты исследований приведены на рис. 5, анализируя которые, можно сделать еывод, что толщина граничных слоев модельных масел достигает значения 10 мкм, а сами оптические методы исследования дают хорошую сходимость результатов.

Измерение методом оптической анизотропии граничного смазочного слоя производились для различных моторных масел (IСНГ-303, МХО -323, МоЫ1дагс1 412 и др.), а также для масел с добавлением в

0.5

ЬЛ

0.9 0.1

о.ъ

^ КМ1

0.05

6) ол /а,«**'

Рис.5. Зависимость D-f(l/d) (а) и & = i (1/d) (б) для ЕазелиноЕого масла на поверхности стали ШХ-15 (1) и на поверхности стали, модифицированной нанесением монослоев олеиновой кислоты (2) и цетилового спирта (3).

их объем различных концентраций поверхностно активных присадок (Гретерин 3 и Гретерин-7). Было установлено, что для моторных масел толщина граничного слоя достигает 15 f20 мкм, а у масел с добавлением присадок 20-25 мкм. Измерения производились при различных температурах (20 i 70°С).

Для определения триботехнических характеристик были смонтированы две экспериментальные установки, позволяющие измерять значения силы трения и интенсивность изнашивания б функции от давления и температуры в зоне контакта. Базой установок являлись машины трения ДМ-29 и АЕ-5. Измерения производились для пар трения сталь-сталь, сталь-бронза, сталь-чугун.

Анализируя результаты, полученные методом оптической анизотропии граничного смазочного слоя, и триботехнические г?зультаты, были построены корреляционные зависимости Ь^скдп), обработка которых производилась методом наименьших квадратов (выполненном на языке PASCAL), а тага© с использованием специальных графических пакетов (Picture Makers и Grafer). Одна из зависимостей приведена на рис.6, из которой видно, что уменьшение жидкокристаллических характеристик приводит к росту износа пары трения.

В процессе выполнения работы были предложены методы оценки технического состояния смазочного материала по его жидкокристаллическим характеристикам. Экспересс-метод оценки триботехнических

Рис. 6. Корреляционная зависимость ^(^¿¡т) для масла 1СНР303 при температуре 60°С

характеристик смазочных материалов позволяет достаточно быстро оценить антифрикционные свойства смазочньк материалов по их жидкокристаллическим характеристикам. Метод определения температурной стойкости граничного смазочного слоя позволяет установить температуру, при которой происходит его разрушение.

Прогнозирование износа подшипников скольжения по значению степени оптической анизотропии смазочного материала позволяет, пользуясь корреляционными зависимостями, определить величину интенсивности изнашивания по значению оптической анизотропии граничного смазочного слоя. Для некоторых моторных масел выражение Г-^с^лп) привено в таблице 1, (где к - коэффициент, зависящий от материала пары трения, для пары сталь - сталь к = 0.032)

Таблица 1

1 |Марка моторного масла 1 1 1 Расчетная формула для определения! интенсивности изнашивания, мкм |

1 ПСгГ 303 1 = (-1.27-106 + 70. 78)-к |

|МХ0 323 I = (-2.1Э- 10ь + 108. 24)-к |

|МоЫ1£агс1 312 I = (-1.46-10е dsi.fi + 68.12)-к |

|МоЬидагс1 412 I = (-1.82-106 (}5,лП + 54. 51)- к |

1М16Е30 I = (-2.£б-Ю*с^лП + 74.12)- к |

|М10Г14 1 I = (-2.13-10* сА^дЛ + 42. 74).к | |

Четвертая глава посвящена экспериментальным исследованиям влияния жидкокристаллических свойств смазочного материала на ресурс его работы и эксплуатационные характеристики судовых СОД.

При рассмотрении данного вопроса к эксплуатационным свойствам смазочного материала мы относили температуру масла; давление, создаваемое маслом в трибосопряжениях при одинаковой мощности и производительности масляного насоса; а также'' "физическое" состояние масла (цвет отработавшего и свежего масла, наличие в отработавшем масле механических примесей, воды, продуктов нагаро-и окислообразования).

Для исследования влияния поверхностно активных веществ на эксплуатационные характеристики масла, на двигателях 5ВАН22, установленных на т/х "Профессор Кудревич", управление жидкокристаллическими характеристиками масла в дизеле производилось путем введения ориенгантов для создания в пристенном слое гомеотропной структуры молекул.

В циркуляционную систему смазки опытного дизеля 5ВАН22 в качестве ориентанта вводилась поверхностно активная присадка Грете-рин-3. Обобщенные результаты приведены в таблице 2.

Таблица 2

1 | Наименование контролируемого 1 | Масло с 1 1 | Масло без |

| параметра | присадкой I присадки |

| Температура масла, 11 С | 53 1 | 64 ± 1 |

| Давление масла, МПа | 0. 28 * 0. 005 | 0. 25 ± 0.005 |

I Расход масла на угар, г/кВтч | 1.18 t 0.02 | 1.71+ 0.02 |

| Расход топлива, кг/кВтч (0.240 ± 0.0017 | 0.24810.0017 |

| Температура выхлопных газов,С 1 1(3207 340) i 5 1 |( 360т 380) ± 5 | 1 1

Таким образом было показано, что смазочному материалу, имеющему более выраженные жидкокристаллические свойства соответствует режимы работы дизеля с наилучшими тепло-техническими и экономическими показателями.

Ввиду периодичности работы рассматриваемого дизеля, длитель-

ность проведения эксперимента составляла приблизительно 40 часов. Однако, при очередном вводе двигателя в эксплуатацию и его приработке (около часа), указанные в таблице 2 контролируемые параметры устанавливались на прежнем уровне.

С целью определения времени срабатывания присадки в базовом масле производился химический анализ отработавшего масла. Пробы масла отбирались через 1, 2, 4, 6, 10, 15, 20, 30, 50, 75, 100, 150, 200, 250 часов работы.

Главной целью анализа являлось определить количество меди и олеиновой кислоты в пробах масла.

функциональным назначением введения солей меди в подобные поверхностно активные присадки является стремление "высадки" меди в период прирабатывания узлов трения. В результате высаженные атомы :> меди не только увеличивают силы поверхностного воздействия металла на смазочный материал, но и способствуют некоторому восстановлению геометрии узлов трения.

Олеиновая кислота (как это указывалось я доказывалось ранее) способствует увеличению жидкокристаллических характеристик смазочного материала. Кроме того, олеиновая кислота обладает свойством регенерации, которое заключается в ее способности восстанавливать образованный монослой из объема при его разрушении.

Результаты химических анализов приведены на рис. 7 и 8, на которых в процентном содержании показано количество меди и олеиновой кислоты, находящейся в объеме масла, при различных наработ-

Рис. 8. Содержание олеиновой кислоты в отработавшем масле

Сопоставлял результаты химических анализов и испытаний масел в циркуляционной системе смазывания дизеля можно сделать следующие выводы.

Наиболее эффективно процесс "высадки" меди из раствора происходит в перЕые часы работы дизеля (1 - 4 ый час). Этому же промежутку времени соответствует падение температуры масла. Выход температуры масла на установившееся значение практически соответствует по времени полной выработке солей меди из раствора присадки.

Поддержанию температуры и давления масла на установившихся значениях способствует регенерация на поверхности трения монослоев олеиновой кислоты, которые обеспечивают поддержание ориентаци-онной упорядоченности в граничном смазочном слое.

Сам метод введения молекул ориентантов в базовое масло прост по технологическому исполнению и требует лишь предварительных экспериментальных изучений по определению оптимальной концентрации и структуры поверхностного слоя.

Анализируя причину аварии на двигателе ТВД-601К, установленного на т/х "Профессор Небеснсв", были исследованы масла МХ0323 и ЮТЗОЗ, использовавшиеся в циркуляционной системе смазывания дизеля. Оптическими методами было установлено, что масло ЫХ0323 имеет более выраженные жидкокристаллические свойства. Опыт .эксплуатации двигателя дал следующие результаты. На двигателе, в циркуляционной системе которого находилось масло МХ0323, эксплуатационные характеристики были лучше, чем у аналогичного двигате-

ля, использующего масло КЖЗОЗ. В результате чего были сделаны выводы и даны рекомендации по техническому использованию вышеуказанных масел.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Основные результаты, полученные в диссертации можно сформулировать следующим образом.

1. Теоретическое описание процессов смазывания подшипниковых узлов в настоящее время в большинстве работ производится с гидродинамической точки зрения. При этом абсолютно не рассматриваются жидкокристаллические характеристики смазочного материала, находящегося в зазоре пар трения вал-подшипник.

2. Граничные смазочные слои, разделяющие контактирующие поверхности в процессе граничной смазки, обладают ориентационной упорядоченность молекул и находятся в жидкокристаллическом состоянии.

3. Теоретическое описание процессов,, протекающих при граничной смазке, необходимо производить с позиции теории упругости сплошных сред.

4. Ориентационная упорядоченность в граничных смазочных слоях уменьшает силы сопротивления движению, возникающих при взаимодействии твердых тел.

5. Для определения жидкокристаллических характеристик смазочных материалов наиболее приемлемыми являются оптические методы (дихроизма поглощения примесных молекул, оптической анизотропии пристенных слоев).

6. Толщина граничных смазочных слоев моторных масел (без введения в их объем поверхностно-активных веществ) составляет 15 - 20 мкм.

7. Ряд поверхностно активных веществ (на основе жирных кислот и их эфиров) способствуют увеличению толщины слоя и его степени упорядоченности.

8. Жидкокристаллические свойства смазочных материалов (тол-' щина слоя, степень ориентационной упорядоченности) тесно связаны с их триботехническими характеристиками (сила трения, температура, возникающая в трибосопряжении, износ трущихся деталей).

~ -

9. Увеличение жидкокристаллических свойств смазочных магериалов приводит к уменьшению силы трения и температуры, возникающих в зоне трения при смазывании этими материалами, а та«дсе к 'снижению износа контактирующих поверхностей и расширяет зону устойчивой работы подшипника скольжения.

10. При одинаковых внешних факторах масла, имеющие лучшие жидкокристаллические свойства, обеспечивают более низкую температуру и более высокое давление в циркуляционных системах смазыза-ния.

11. Ухудшение условий работы циркуляционных систем смазывания (попадание еоды и топлива в масла, увеличение температуры) оказывает деструктируюшее влияние на граничный смазочный слой, что приводит к уменьшению его степени упорядоченности и снижению Функциональных характеристик подшипников скольжения.

12. Наиболее эффективным способом совершенствования трибо-техническпх свойсте элементов циркуляционных систем смазывания является модернизация и управление структурой граничного смазочного слоя, включающие в себя введение в базовое масло поверхностно-активных присадок, нанесение на поверхности трения монослоев позерхноскых покрытий, модернизация поверхностей трения различных металлов и их сплавов.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Гребенюк М. К , Сатин С. В. , Поповский Ю. М. , Ханмаме-дов С.А. , Терегеря В. В. Управление триботехническими характеристикам! смазочного материала судовых среднеоборотных дизелей // Доклады международного научно-практического симпозиума. Славянт-рибо-3. Трибология и транспорт. Кн. 4. - Рыбинск. 1995. - С. 51-55.

2. Коханский А. И. , Сатин С.В. Определение динамики изнашивания подшипниковых узлов. - Одесса, ОЦНТЭИ, Мо 139-94. - 4 с.

3. Поповский Ю. М. , Сатин С. В. Зкспресс метод оценки три-ботехнических характеристик углеводородных жидкостей. - Одесса, ОЦНТЭИ, N021-95. - 5 с.

4. Поповский Ю. М. , Сатин С. В. Ориенташюнно- упорядоченные пристенные слои органических жидкостей, образованные на металлических поверхностях // Доклады Десятой международной конференции "Поверхностные силы". -М.: РАН, 1992. - С. 59.

5. Поповский Ю. М. , Сагик С. В. Метод определения характеристик граничных слоев жидкости на дихроизму примесных молекул. Одесса, ОЦНТЭИ, N 011-94.- 4 с.

6. Сатин С. В. Определение температурной стойкости граничных смазочных слоев. - Одесса, ОЕНТЗИ, N009-96. - 4 с.

7. Сатин С. В., Хакмамедсв С. А. Экспериментальный метод определения триботехяических характеристик углеводородных жидкостей. - Одесса, ОЦНТЭЙ, N 227-94. - 4 с. '

8. Сатин С. Е , Ханмамедов С. А. Повышение наде:«ности работы судовых дизелей за счет управления структурой смазочного слоя // Доклады Четвертой международной конференции "Новые технологии в машиностроении". - Харьков-Рыбачье, 1995.- С. 139.

Сатин С. В. Активация и эффективное использование в судовых среднеоборотных дизелях жидкокристаллических свойств масла. Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.08.05 - Судовые энергетические установки. Одесский государственный морской университет, Одесса, 1996.

Установлены зависимости между жидкокристаяическими и триба-техническими характеристиками смазочных материалов. Показано, что за счет активации жидкокристаллических характеристик граничных смазочных слоев можно улучшать трибогехнические характеристики узлов трения. Разработаны методы йрогнозирования технического состояния подшипников скольжения судовых СОД по жидкокристаллическим характеристикам применяемого смазочного материала.

Sagin S. V. Activation and efficiency using on the marine medium-speed engine liquid crystalline characterictics of the lubricating oil. Ph.D. Thesis presented for Ships Powerplant 05.08.05, Odessa State feme University, Odessa, 1996.

There were established the correlations between liquid crystalline and tribothecnique characteristics of the lubricant. It was shown that the activation of the liquid crystalline of boundary lubricated layers allowed to improve of tribothecnique characteristics of frictioned surfaces. It were worked out the prognostical of the technical condition of the slide-bearings marine diesel engines using the liquid crystalline characteristics of lubricant.

Ключов! слова: суднозий середньобертоЕий дизель, мастильний мате pi ал, триботёхтчн: та р i диннокрисгалл i чн i характеристики.