автореферат диссертации по процессам и машинам агроинженерных систем, 05.20.03, диссертация на тему:Применение перфторированных наноматериалов для улучшения эксплуатационных показателей автотракторных силовых установок

На правах рукописи

Быков Константин Владимирович

ПРИМЕНЕНИЕ ПЕРФТОРИРОВАННЫХ НАНОМАТЕРИАЛОВ ДЛЯ УЛУЧШЕНИЯ ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ ПОКАЗАТЕЛЕЙ АВТОТРАКТОРНЫХ СИЛОВЫХ УСТАНОВОК

Специальность 05.20.03. - Технологии и средства технического обслуживания в сельском хозяйстве

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

2 8 НОЯ 2013

Москва 2013

005541005

005541005

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном

образовательном учреждении высшего профессионального образования «Московский государственный агроинженерный университет имени В.П. Горячкина»

Научный руководитель: Гайдар Сергей Михайлович

доктор технических наук, доцент Официальные оппоненты: Голубев Иван Григорьевич

доктор технических наук, профессор, заведующий отделом анализа и обобщения информации по техническому сервису и оборудованию для перерабатывающих отраслей АПК Федерального государственного бюджетного научного учреждения «Российский научно-исследовательский инстшут информации технико-экономических исследований по инженерно-техническому обеспечению агропромышленного комплекса»

Веселовский Николай Иванович

кандидат технических наук, профессор кафедры «Надежность и ремонт машин имени И. С. Левит-ского» Федерального государственного бюджетного образовательного учреждения «Российский государственный аграрный заочный университет»

Ведущая организация: Государственное научное учреждение «Всероссийский научно-исследовательский институт использования техники и нефтепродуктов» Российской академии сельскохозяйственных наук

Защита диссертации состоится «20» декабря 2013 года в 10.00 часов на заседании диссертационного совета Д 006.034.01 при Государственном научном учреждении «Всероссийский научно-исследовательский технологический институт ремонта и эксплуатации машинно-тракторного парка» (ГНУ ГОСНИТИ) по адресу: 109428, г. Москва, 1-й Институтский пр., д. 1.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Государственного научного учреждения «Всероссийский научно-исследовательский технологический инстшут ремонта и эксплуатации машинно-тракторного парка» (ГНУ ГОСНИТИ).

Автореферат разослан «19» ноября 2013 г. Ученый секретарь

диссертационного совета ^ „, ^____

кандидат технических наук У Р.Ю. Соловьев

(/ СX

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. В настоящее время чрезвычайно высока мировая конкуренция за ресурсы и рынки сбыта. Вхождение России в ВТО требует совершенствования подходов к техническому сервису машин АПК на основании нового технологического уклада, ядром которого являются нанотехнологии.

В структуре машинно-тракторного парка РФ преобладает техника с большой наработкой, не отвечающая современным требованиям к эксплуатационным показателям. Это особенно актуально в отношении автотракторных силовых установок.

Химические нанопрепараты способны эффективно влиять на свойства трущихся поверхностей, снижая коэффициент трения, за счёт чего улучшать технические и эксплуатационные показатели силовых установок. С помощью наноматериалов можно достичь увеличения мощности, снижения удельного расхода топлива, облегчить холодный запуск ДВС. Технологии безразборного улучшения характеристик силовых установок применением наноматериалов являются менее трудо-, энерго- и материалоёмкими, нежели традиционные. Применение нанопрепаратов может также оказывать положительные экономические эффекты, связанные со снижением времени простоя машин.

Совершенствование способов безразборного улучшения эксплуатационных показателей силовых установок путём применения химических препаратов являются актуальной задачей, имеющей значение для АПК и экономики РФ, в целом.

Работа выполнена в рамках Государственной программы развития сельского хозяйства и регулирования рынков сельскохозяйственной продукции, сырья и продовольствия на 2013-2020 годы; программы «Стратегия машинно-технологической модернизации сельского хозяйства России на период до 2020 года», «Концепции развития аграрной науки и научного обеспечения агропромышленного комплекса Российской Федерации на период до 2025 года», «Плана фундаментальных и приоритетных и прикладных исследований по научному обеспечению АПК РФ на 2011-2015 гг.».

Цель исследований - улучшение эксплуатационных показателей автотракторных силовых установок в процессе их непрекращающейся эксплуатации применением нанопрепаратов на основе производных перфторированных карбоновых кислот.

Объект исследований - эксплуатационные показатели силовых установок, изменяющиеся при применении перфторированных наноматериалов.

Предмет исследований - изменения показателей, характеризующих работу силовых установок, под действием композиции перфторированных соединений, обусловленные свойствами и трибохимическим механизмом действия этих веществ, направленным на придание поверхностям трения антифрикционных свойств.

Методология. В работе применен комплексный метод исследований, заключающийся в сочетании процедур технической диагностики, стендовых и эксплуатационных испытаний техники с физико-химическим анализом проб смазочных материалов (СМ), отобранных до, в ходе и после испытаний.

Лабораторные исследования включали анализ СМ, модифицированных перфторированными наноматериалами, методами атомно-абсорбционной спектрометрии (ААС) и высокоэффективной жидкостной хроматографии (ВЭЖХ).

Также в условиях лаборатории определялись трибологические свойства экспериментальных композиций ПФКК и готовых нанопрепаратов; проводились сравнительные триботехнические испытания различных препаратов.

При исследованиях использовались методы математического моделирования. Для обсчёта моделей и обработки экспериментальных данных применялись современные компьютерные средства и программы.

Для экспериментальных исследований выбирались доступные средства измерений с наилучшими техническими и метрологическими характеристиками. Все использованные приборы имели действующие свидетельства о поверке.

Научная новизна работы: диссертационной работы заключается в комплексном решении поставленной проблемы путём анализа и обобщения теоретических и экспериментальных данных, в результате чего:

1. Сформулированы и экспериментально проверены теоретические принципы разработки новых нанопрепаратов, относящихся к группе производных перфторированных карбоновых кислот (ПФКК), предназначенных для улучшения эксплуатационных показателей автотракторных силовых установок.

2. Впервые разработана математическая модель взаимодействия композиции ПФКК с металлическими поверхностями трения, на основе которой описан механизм действия этих соединений в трибологических системах.

3. Разработана математическая модель и проведена оптимизации состава композиции ПФКК, используемой в качестве модификатора поверхностей трения.

4. Разработан новый нанопрепарат «Супермодификатор», предназначенный для улучшения эксплуатационных показателей автотракторных силовых установок, на основе композиции ПФКК и вспомогательных вещества.

6. Получены новые результаты сравнительных испытаний препаратов на основе ПФКК, позволяющие сделать выводы об их эффективности в различных условиях и сформулировать рекомендации по их применению для улучшения эксплуатационных свойств автотракторных силовых установок.

Практическая значимость работы заключается в разработке технической документации, изготовлении и внедрении нанопрепарата «Супермодификатор» (ТУ 38.01.00492977-2013), позволяющего эффективно влиять на трибологические свойства трущихся поверхностей и, посредством этого, улучшать эксплуатационные характеристики автотракторных силовых установок.

Достоверность результатов работы обеспечена использованием фундаментальных теоретических законов и положений химии, трибологии, надежности машин; применением наиболее современных методик и измерительных приборов; учетом допустимых погрешностей измерений и величин ошибок вычислительных операций. Достоверность подтверждена также экспериментальными проверками в производственных условиях.

Реализация результатов работы. Результаты исследований могут быть использованы организациями ремонтной базы АПК, автотранспортными и сельскохозяйственными предприятиями, заинтересованными лицами.

Внедрение. Результаты исследований использованы ЗАО «АВТОКОН» при подготовке технических условий для производства и технологического регламента применения нанопрепарата «Супермодификатор» (ТУ 38.01.00492977-2013). ЗАО «АВТОКОН» освоен промышленный выпуск «Супермодификатора», который внедрен на машинно-тракторной станции (МТС) РГАУ-МСХА им. К.А. Тимирязева, в ООО «Электрогорский институт нефтепереработки», МТС ЗАО «Зеленоградское», фирме «Dampex Trade LTD» (Никосия, Кипр).

Результаты работы используются в учебных процессах МГАУ им. В. П. Горячкина и РГАУ-МСХА им. К. А. Тимирязева.

Апробация работы. Основные положения и результаты работы доложены, обсуждены и одобрены на: Международной научно-практической конференции «Научные проблемы эффективного использования тягово-транспортных средств в сельском хозяйстве» (МГАУ им. В.П. Горячкина, «12-13» мая 2011 г.); 24-м Межгосударственном научно-техническом семинаре «Проблемы экономичности и эксплуатации автотракторной техники в АПК, посвящённом памяти Михайлова В.В.» (СГАУ им. Н.И. Вавилова, «26-27» мая 2011 г.); Международной конференции «Нанотехнологии и наноматериалы в лесном комплексе» (МГУЛ, «15-17» ноября 2011 г.);

1-й конференции молодых учёных и специалистов отделения механизации, электрификации и автоматизации «Научное обеспечение инновационных процессов в агропромышленной сфере» (ГОСНИТИ, «6-7» июня 2012 г.); Международной научно-практической конференции «Перспективы развития технического сервиса в агропромышленном комплексе», посвященной 80-летию кафедры «Ремонт и надёжность машин» (МГАУ им. В Л. Горячкина, «8-9» ноября 2012 г.); VII Международной научно-практической конференции «Научные проблемы технического сервиса сельскохозяйственных машин» (ГОСНИТИ, «13-14» декабря 2012 г.); Всероссийской с международным участием конференции «Научное наследие Н. И Вавилова и современность» (РГАУ-МСХА им. К.А. Тимирязева, «5-6» декабря 2012 г.); Международной научно-практической конференции «Аграрная наука XXI века. Актуальные исследования и перспективы» (СПбГАУ, «21-22» февраля 2013 г.); Международной научно-практической конференции «Система технологий и машин для инновационного развития АПК России», посвящённой 145-летию со дня рождения основоположника земледельческой механики академика В. П. Горячкина (ВИМ, «17-18» сентября 2013 г.); 1-й Международной научно-практической конференции «Горячкинские чтения» (МГАУ им. В.П. Горячкина, «12-13» ноября 2013 г.)

Результаты работы представлены на научных мероприятиях за рубежом: Круглом столе «Tribologie, 3D-2D Messungen und AFM-Technologie», организованном Bruker Nano GmbH (Германия, Карлсруэ, «11» октября 2012 г.)

9-й Международной конференции Болгарского трибологического общества «BULTRIB'2012», посвященной 80-летию профессора Н. Манолова (Болгария, София, Технический университет Софии, «19-20» октября 2012 г.);

10-й Международной конференции Болгарского трибологического общества «BULTRIB'2013. Novel Aspects in Tribology» (Болгария, София, Технический университет Софии, «24-26» октября 2013 г.).

Основные положения и результаты исследований были предметом обсуждения и получили одобрение на заседаниях кафедр «Ремонт и надёжность машин» и «Технический сервис» МГАУ им. В.П. Горячкина в 2012-2013 годах.

Публикации. Результаты исследований отражены в тринадцати печатных работах, в том числе семи статьях в изданиях, рекомендованных перечнем ВАК, и описании Патента на изобретение №2439133, зарегистрированного 10.01.2012.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, общих выводов, списка литературы и приложений. Изложена на 150 страницах машинописного текста, включая 40 рисунков, 15 таблиц. Список использованной литературы насчитывает 145 наименований, из которых 10 на иностранных языках. Приложения содержат 40 страниц. На защиту выносятся:

- Теоретические принципы разработки нанопрепаратов, относящихся к производным (аминам, амидам, сложным эфирам) перфторированных карбоновых кислот (ПФКК), предназначенных для придания поверхностям трения антифрикционных свойств и позволяющих улучшать эксплуатационные показатели техники.

- Математическая модель взаимодействия композиции ПФКК с металлическими поверхностями трения на примере стали (ст. 45).

- Математическая модель оптимизации состава композиции ПФКК, используемой для придания поверхностям трения антифрикционных свойств.

- Разработанный нанопрепарат «Супермодификатор», предназначенный для улучшения эксплуатационных характеристик автотракторных силовых установок, и рекомендации по его применению.

- Результаты триботехнических, стендовых и эксплуатационных испытаний.

- Результаты внедрения и оценки технико-экономической эффективности разработанного препарата «Супермодификатор».

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность работы, приведена ее общая характеристика и научные положения, выносимые на защиту.

В первой главе «Состояние вопроса, цель и задачи исследования» приведены данные о состоянии машинно-тракторного парка РФ, проанализированы проблемы эксплуатации автотракторных силовых установок, рассмотрены пути улучшения их эксплуатационных параметров, показана возможность использования химических средств для безразборного улучшения эксплуатацион-

ных параметров техники, приведены результаты литературно-патентного обзора известных препаратов, позволяющих улучшать характеристики техники.

Основополагающий вклад в науку по разработке, исследованию и внедрению химических препаратов для улучшения характеристик автототракторной техники внесли: Б.М. Асташкевич, В.И. Балабанов, И.Ф. Белый, И.Г. Голубев, И.А. Буяновский, С.М. Гайдар, Д.Н. Гаркунов, Ю.Н. Дроздов, A.B. Дунаев, М.Н. Ерохин, И.И. Иванов, A.C. Кужаров, Л.И. Куксёнова, В.П. Лялякин, С.С. Некрасов, А.К. Ольховацкий, В.Ф. Пичугин, Л.И. Погодаев, Г. Польцер, В.В. Стрельцов, A.B. Федотов, В.И. Цыпцын, В.И. Черноиванов и другие учёные.

Анализ исследований по проблеме, обобщение отечественного и зарубежного опыта позволили определить направление разработки и испытаний нанопре-паратов для безразборного улучшения эксплуатационных показателей техники.

На основании проведенного анализа состояния проблемы, в соответствии с целью работы, поставлены следующие задачи исследования: Задачи исследований:

1. На основе анализа литературных данных сформулировать теоретические принципы разработки нанопрепаратов, относящихся к группе ПФКК, предназначенных для улучшения эксплуатационных показателей автотракторных силовых установок.

2. Разработать математическую модель взаимодействия композиции ПФКК с металлическими поверхностями трения, на основе которой описать механизм действия ПФКК в трибологических системах.

3. Провести оптимизацию состава композиции ПФКК, используемой для придания поверхностям трения антифрикционных свойств.

4. Разработать нанопрепарат, предназначенный для улучшения эксплуатационных характеристик автотракторных силовых установок.

5. Провести сравнительные триботехнические, стендовые и эксплуатационные испытания разработанного нанопрепарата.

6. Осуществить внедрение разработки и дать экономическую оценку результатов.

Во второй главе «Теоретические предпосылки улучшешш эксплуатационных показателей силовых установок применением наноматериалов» на основании теоретических данных и результатов исследований, приведённых в открытых источниках, показана возможность модификации поверхностей трения с помощью химических средств, приводящей к снижению коэффициента трения и позволяющей, за счёт этого, улучшить эксплуатационные показатели силовых установок без их разборки, а также обоснованы подходы к решению этого вопроса.

Понятие «безразборное улучшение эксплуатационных показателей техники» означает комплекс химических, технических и технологических разработок и мероприятий, позволяющих в процессе непрекращающейся эксплуатации добиваться улучшения эксплуатационных показателей техники без проведения разборочно-сборочных операций. Теоретической базой «безразборного улучшения эксплуатационных показателей техники» являются явления адсорбции и хемо-

сорбции активных соединений на поверхности раздела фаз, приводящие к снижению ее свободной энергии; связанные с этим эффекты образования вторичных структур и самоорганизации трибологических систем.

Рассмотрены свойства химических соединений (ПАВ и их композиций), используемых для придания поверхностям трения антифрикционных свойств.

Эффективными для снижения коэффициента трения и улучшения эксплуатационных показателей силовых установок признаны производные (амины, амиды, сложные эфиры) перфторированных карбоновых кислот (ПФКК). Они представляют собой фторутлеродные цепочки с функциональной группой.

Углеродная цепь этих соединений находится в максимально окисленном состоянии. Этим объясняется химическая инертность фторуглеродных цепей. Они не взаимодействуют с органическими веществами, стойки к окислению, гидролизу, сольволизу и другим химическим процессам.

Фторутлеродные цепи представляют собой «стержни», обладающие осевой симметрией покрытые «защитной оболочкой» из атомов фтора. Они характеризуются прочностью внутримолекулярных и слабостью межмолекулярных связей. Молекулы фторуглеродов практически не взаимодействуют между собой. ППКК являются псевдопластическими жидкостями с низким внутренним трением [1,2] (рис. 1).

При движении ПФКК относительно условных неподвижных поверхностей напряжение внутреннего трения (г) не находится в прямой зависимости от градиента скорости сдвига (с/нУУ/г). Коэффициент динамической вязкости ПФКК не является постоянным, а изменяется в зависимости от величины градиента сдвига с!нЛНг. В зоне эффективных концентраций значение динамической вязкости ПФКК (¿ик) - ниже, чем у ньютоновской жидкости. Характер изменения вязкости ПФКК связан с ориентацией молекул в направлении перемещения жидкости, слабым межмолекулярным взаимодействием и,

ньютоновская жидкость

псевдо-гшасппеская жидкость П

' Н е,

Рис. 1. Кривые течения жидкостей (зав-ти между напряжением внутреннего трения г и скоростью сдвига (Ли'/ЛИ)):

1 - ньютоновская жидкость: /(- динамическая

вязкость;

2 - псевдопластическая жидкость:

- динамическая (кажущаяся) вязкость, Но - вязкость при бесконечно большом сдвиге [1].

как следствие, «проскальзыванием» молекул друг относительно друга [2].

Функциональной группой в ПФКК, используемых для модифицирования поверхностей трения, служит карбоксильная, карбонильная, амино-, амидо- или более сложная группа. Благодаря ей, ПФКК адсорбируются на твёрдых поверхностях, образуя плёнки, обладающие высокими антифрикционными свойствами.

Эти плёнки называют эпиламными, производные ПФКК - эпиламами.

[ 1 ] - Касаткин А. Г. Основные процессы и аппараты хтпгюскойте^аюлопм. -М: Изд-во «Химия». -1971 г. [2 ] -Промышленные фторорга1сг1СС1аЕ продукты: Справ, шд. /Б. Н. Максимов и др. -СПб: Химия. -1996 г.

СР,-

'ЫН-

-ж-

-(С.рг)2--(СР2)Г

ч

-он

Рис. 2. Борат этаноламида перфтори-рованной карбоновой кислоты (С24).

На основе ранее проведённых исследований в качестве наиболее активного модификатора металлических поверхностей трения предложен борат этаноламида ПФКК (С24). Формула соединения приведена на рисунке 2.

о Высокая эффективность действия

бората этаноламида по модифицированию поверхностей трения объясняется его хе-мосорбцией на металлических поверхностях, обусловленной образованием множественных водородных и донорно-акцепторных связей между функциональной группой и атомами металлических поверхностей трения.

При этом в настоящее время не полностью проработаны вопросы физической адсорбции ПФКК на металлических поверхностях, в значительной степени определяющие возможность образования полимолекулярных слоев, толщину и свойства антифрикционной полимерной плёнки. Для решения этих вопросов в работе на основании теоретических и экспериментальных данных была построена математическая модель взаимодействия ПФКК с металлической поверхностью трения, на основе которой описаны особенности механизма действия ПФКК.

Моделировались: А. Кинетика абсорбции ПФКК на стальной поверхности (Ст. 45), то есть зависимость количества ПФКК, адсорбированного и хемосор-бированного поверхностью, от времени взаимодействия. Количество внесённого ПФКК (4 мг), температура (180°С) и другие условия неизменны. Б. Статика (изотерма) процесса, то есть зависимость абсорбированного и хемосор-бированного поверхностью стали количества ПФКК от исходного внесенного количества Время взаимодействия (2 часа), температура (180°С) и другие условия неизменны. Обработанные результаты моделирования представлены на рисунке 3.

11|!»гс1>ма а.1Г<>роцн (>1<>Г1Ц1НфМНЧ0 ........... иного процесса кам форма •••• ■ »виллихл)

..........1......... = 1.1705"1пС ♦ 1.6 (=* = 0,9705 1?- .....

-2,0 -1.? -1.0 -О.? Логарифм |>лвновекНш) к.ггиенгрящ91 11'1'К ? в сМ1)«очном м.1ТС]!||ЛТ:

А. Кривые кинетики адсорбционного процесса Б. Кривая статики (Щотермп ) процесса

Рис. 3. Процессы адсорбции и хемосорбции ПФКК на стальной поверхности Моделирование кинетики адсорбционного процесса (рис. 5А) выявило: При выбранных условиях сорбционное равновесие между ПФКК и поверхностью стали устанавливается за 120 минут после начала взаимодействия. Сорбционный процесс протекает в две стадии:

Первая «быстрая» стадия с доверительной вероятностью 98,9% описывается кинетическим уравнением: 1п(1-Р) =• 0,0571-0,19, где Г — время, /<■ - отношение количества ПФКК, сорбированного к моменту времени Г, к равновесному количеству, поглощённому за всё время взаимодействия. Кинетическая константа первой стадии: ¿4=0,057 (мин1) или 9,5х10"4 (с1). Влияние этой стадии на процесс в целом значимо в течение 40.. .50 минут.

Вторая «медленная» стадия с вероятностью 95,4% описывается уравнением: 1п(1-Р) = - 0,00251 -1,69. Кинетическая константа к2=0,0025 (мин1) шш4,17х10~5 (с1). Вторая стадия лимитирует общую продолжительность процесса.

Скорость первой стадии более чем в 22 раза превосходит скорость второй.

На первой стадии заполняются энергетические центры поверхности с образованием монослоя ПФКК; на второй - с образованием полимолекулярного слоя.

Моделирование статики (рис. 5Б) подтвердило результаты исследования кинетики.

Полученная изотерма с вероятностью 97% описывается уравнением Фрейнд тиха, сочетающем описание хемосорбции и физической адсорбции: 5 = Кх(СУп), где К, п- константы уравнения Фрейндлкха, 5 - равновесное сорбированное количество (мг/кг) и С - равновестная концентрация несорбированного ПФКК (мг/кг). В выбранных условиях: 5=41,5; л =0,59, соотношение адсорбиро-ванные/неадсорбированные ПФКК - 70,4 : 1, что говорит о практически полной адсорбции ПФКК поверхностью стали с образованием антифрикционной плёнки.

На основании теоретических данных, результатов моделирования и комплекса экспериментов разработаны новая композиция ПФКК и на её основе препарат «Супермодификатор» для улучшения эксплуатационных характеристик автотракторных силовых установок (патент на изобретение №2439133).

В третьей главе «Методика экспериментальных исследований» отражены планирование и порядок проведения работ, описаны методики проведения экспериментов.

Химические исследования проведены в РХТУ им. Д.И. Менделеева. Они включали составление композиции ПФКК, анализ её свойств, проверку результатов моделирования. Работы выполнены традиционными методами, принятыми в химической практике, с использованием стандартных приборов, оборудования и посуды.

Химмотологические исследования показателей качества и свойств СМ до и после введения ПФКК выполнялись в МИЦ ГСМ по соответствующим ГОСТам.

Таблица 1. Смазочные материалы, в которые вводилась композиция ПФКК

Масло моторное для бензиновых ДВС Масло моторное для дизельных ДВС Трансмиссионное масло Масло для редукторов тяжелонагр уженных

М-5з/8-В2 М-5з/14-Г2 ТАД-17 (ТМ-5-18) ИПМ-10

минеральное минеральное минеральное синтетическое

ТУ 38.301-19-79-98 ТУ 38.301-42-81-99 ГОСТ 23652-79 ТУ 38.101299-90

вАЕ 10\У-40 SAE 15W-40 БАЕ 80 90 -

АР^И АР1СС АР1ОЬ-5 -

ООО «ВИАЛ ОИЛ» Ново-Уфимский НПЗ НПЦ «Спецнефтьпродукг»

Физико-химический анализ проб СМ, модифицированных ПФКК, отобранных в ходе испытаний техники, осуществлялся методами атомно-

абсорбционной спектрометрии (ААС) и высокоэффективной жидкостной хроматографии (ВЭЖХ). Исследования проводились в РХТУ им. Д. И. Менделеева.

Для ААС применялся спектрометр «Квант-2А» в комплекте со спектральными лампами с полым катодом ЛТ-6М, пр-ва ООО «Кортэк» (Россия). При анализе выбирались типы ламп, селективные к ионам металлов (Fe2+, Al3+, Sn2+, Pb2+, Сг3*), являющихся индикаторами износа узлов силовых установок. Методика - на основе руководства по эксплуатации спектрометра, раздел «Анализ нефтепродуктов».

Для ВЭЖХ - хроматограф «Waters 2440» с УФ-дегекгором, пр-ва «Waters» (США), и колонка «Symmetry Shield». Идентификация ПФКК - по времени удерживания, количественное определение - методом абсолютной калибровки. Методика обращения с хроматографом - адаптация анализов нефтепродуктов, описанных в специальной литературе. Методика подготовки проб к анализу разработана автором.

Оптимизация состава композиции ПФКК - по результатам лабораторных измерений и триботехнических испытаний. Оптимизация основана на установлении зависимости «состав композиции - эффективность действия». Зависимость с доверительной вероятностью 87% описывается уравнением степенной функции 2-го порядка.

Триботехнические испытания проводились в «Наноцентре» ГНУ ГОСНИТИ с использованием трибометра «TRB-S-DE» (Швейцария). Испытания - в режиме приработки в трибосопряжении «шарик (сталь Inox 440) - диск (сталь 30)» с нагружением 25 Н, что соответствует удельной нагрузке на диск р„ = 5 МПа. Шарик служит индентором. Режим испытаний уточнялся опытным путем. Давление прижима образца к ролику определяли по критерию отсутствия возникновения задира (и —> оо) при скорости скольжения у = 1,80 м/с. Продолжительность испытаний - по стабилизации коэффициента трения /г. Этому соответствует путь трения 6600 м. Испытания - в трёхкратной повгорности.

Исследовалось: (А) - Влияние композиции ПФКК, добавленной в моторное масло М-5з/8-В2 в количествах (%-об.) 0,1; 0,25; 0,5; 1,0, на коэффициент трения (и) в сопряжении и износ диска (/). Износ и коэффициент трения фиксировались программно-аппаратным комплексом трибометра автоматически.

Испытания проводились также в МГАУ им. В.П. Горячкина с использованием трибометра UMT-2 (США) в условиях «шарик - диск» при применении различных материалов в сопряжении. Режимы (нагрузка, скорость скольжения, путь трения) - как при испытаниях в ГОСНИТИ. Регистрировались: износ диска (/), глубина внедрения шарика в диск (h). Схема трения - на рисунке 4.

Износ определялся весовым методом, а также оценивался с помощью оптического измерительного микроскопа «Prima Expert» («JIOMO», РФ). Диски взвешивались на аналитических весах «СЕ 224-С» («САРТОГОСМ», РФ) с точностью до 0,0001 г. Проведены испытания (Б) эффективности композиции ПФКК в условиях сопряжений: (Б1) - «палец (сталь 45) - диск (серый чугун СЧ32)»,

V\..... ...../х

■ V __ -"V • /

-Д »

/

—Емкость со cmjточным матерії,поі

Рис. 4. Схема трения

что моделирует сопряжение в ДВС - «гильза цилиндра - поршневое кольцо»; (Б2) - «палец (сталь 45) - диск (алюминиевый сплав А0-20-01)», что моделирует сопряжение «шейка коленчатого вала - вкладыш».

Стендовые испытания проведены в МГЛУ им. В.П. Горячкина с использованием дизельного двигателя Д-242, установленного на тормозном измерительном стенде «БсЬепск» (Германия). Испытания проведены в соответствии с ГОСТ 1850988 «Дизели тракторные и комбайновые. Методы стендовых испытаний» в два этапа. Первый этап - с использованием моторного масла М-5з/14-Г2. Второй - масла М-5з/14-Г2 с добавкой 0,5%-об. «Супермодификатора». Каждый этап испытаний - в трёхкратной повторности. Длительность каждого цикла испытаний - 10 часов.

До и после испытаний проводили внешний осмотр ДВС, измеряли компрессию в цилиндрах. При осмотре оценивалось состояние уплотнений ДВС, внимание - на наличие/отсутствие подтёков масла из ДВС.

При испытаниях измерялось давление масла в ДВС. Работу ДВС оценивали по развиваемому крутящему моменту, часовому расходу топлива. Исходя из них, рассчитывали эффективную мощность ДВС и удельный расход топлива.

Эксплуатационные испытания проведены для изучения влияния «Супермодификатора» на показатели силовых установок технических средств (ТС), находящихся в реальной эксплуатации. Испытания проведены в на МТС РГАУ-МСХА им. Тимирязева с «20» апреля 2009 по «23» апреля 2012 года с использованием автомобилей, задействованных в перевозках в пределах г. Москвы, и тракторов, занятых на коммунальных работах (уборка территории) РГАУ-МСХА.

Испытания проводились в три этапа. На контрольном этапе в ДВС и КПП были залиты соответствующие масла с характеристиками, рекомендованными производителями ТС. Каждое ТС эксплуатировалось в течение 12 месяцев.

На втором этапе испытаний в картеры ДВС были залиты свежие моторные масла той же марки и характеристик, что и при контрольной эксплуатации, но с добавлением 0,5%-об. «Супермодификатора». ТС эксплуатировались с использованием модифицированных моторных масел в течение 12 месяцев.

На третьем этапе, 0,5% «Супермодификатора» добавлялось и к моторному маслу, заливаемому в ДВС, и к трансмиссионному маслу, заливаемому в КПП. ТС эксплуатировались с использованием модифицированных моторных и трансмиссионных масел в течение 12 месяцев. Условия эксплуатации автомобилей, суммарные пробеги на контрольном и опытных этапах были приблизительно одинаковыми.

При испытаниях контролировались следующие параметры: содержание продуктов износа в пробах масла из картера двигателя С; (мг/кг); компрессия в цилиндрах ДВС Р (МПа); содержание СО и СН в выхлопных газах. Периодичность отбора проб и замеров - 5000 км пробега для бензиновых двигателей и 100 моточасов для дизелей. Результаты, полученные по каждому автомобилю и трактору при контрольном этапе эксплуатации и в опытном варианте, сравнивались между собой.

Четвертая глава «Результаты экспериментальных исследований» посвящена анализу результатов проведенных испытаний.

Химмотологические исследования показали, что добавка препарата «Супермодификатор» в количестве 0,5% не ухудшает показателей качества смазочных материалов. Все показатели остаются в пределах допускаемых значений.

Сравнительные триботехнические испытания (А), в условиях пары трения «шарик (сталь Inox 440) - диск (сталь 30) -» выявили высокую эффективность добавки «Супермодификатора» к моторному маслу М-5з/8-В2 и подтвердили, что оптимальным является добавление 0,5%-об. Результаты испытаний — в таблице 2.

Таблица 2. Результаты испытаний в условиях «Inox 440 - Ст. 30»

Исследуемый показатель База: М-5з/8-В2 М-5з/8-В2 с добавкой «Супермодификато за», %-об.

0,10 0,25 0,50 1,00 2,00

Коэффициент трения (ц) 0,1131 0,1061 0,0563 0,0302 0,0522 0,1048

Износ диска трибометра (/), мкм 511,9 496,1 483,7 342,2 391,2 496,4

Добавление «Супермодификатора» в минимальном количестве (0,1%) приводило к уменьшению коэффициента трения (/<) на 6,19%, износа (/) на 3,1%. Увеличение добавки препарата сначала вызывало быстрое уменьшение ц и I (0,25% - на 50,2% и 5,1%, соответственно). Оптимальным добавляемым количеством оказалось 0,5%, при этом //и / снизились в 3,74 раза и 33,2%, соответственно. Дальнейшее увеличение количества препарата приводило к ухудшению результатов. При добавке 1%: /л и / - меньше, чем в контроле на 53,8% и 23,6%, но больше, чем при оптимальной концентрации, на 72,8 и 14,3%, соответственно. При добавлении 2% - результаты близки к контрольному варианту.

Результаты испытаний (Б) в условиях трибосопряжений, моделирующих сопряжения ДВС подтвердили результаты, полученные при испытаниях (А). Значения глубины внедрения пальца в диск приведены в таблице 3.

Таблица 3. Глубина внедрения пальца в диск h, мкм

Вариант База: М-5з/8-В2 М-5з/8-В2 с добавкой «Супермодификатора», %-об.

0,10 0,25 0,50 1,00 2,00

Б1: Ст. 45 - СЧ32 254 202 188 185 210 260

Б2: Ст. 45 - АО-20-01 493 347 321 309 346 414

соотношение глубин проникновения (Б2/Б1 ) 1,94 1,72 1,70 1,67 1,69 1,59

В вариантах (Б1 и Б2) с увеличением количества «Супермодификатора», добавленного в масло, глубина внедрения сначала снижается, затем возрастает. Минимальное значение глубины отмечается при концентрации препарата 0,5%. В контроле глубина проникновения стального пальца в алюминиевый диск в 1,94 раза больше, чем в чугунный. При увеличении количеств «Супермодификатора» (%) соотношение глубин проникновения (Б2/Б1) уменьшается, что может свидетельствовать о большей эффективности препарата в сопряжении «сталь-алюминий».

Значения износа, определённые весовым методом, представлены на рисунке 5.

Для обоих вариантов добавление «Супермодификатора» позволяет снизить износ. Минимальный износ сопряжения «сталь - чугун» отмечен при добавлении 0,5% препарата, «сталь-алюминий» - при добавлении 0,6-0,7%.

2.0

2 1,:

¿1.0

0.5

0.0 0.'.

V 1 1 - Ст. 45 - АО-20-01

У

г. -15 - С* 32

0,5 1.0 1,5 Количество добавки, "о-оо.

Рис. 5. Износ диска трибометра

Добавка меньшего количества может вести к недостаточной эффективности действия препарата, большего - к увеличению износа, что возможно объясняется разупрочнением трущихся поверхностей металлов, обусловленным адсорбционным эффектом понижения прочности.

При добавлении оптимального количества износ в сопряжениях 1 и 2 снижался на 55 и 58%, соответственно. Форма зависимости хорошо коррелирует с данными моделирования.

Совокупность результатов триботехнических испытаний доказывает высокую эффективность

препарата «Супермодификатор» на основе композиции ПФКК по модифицированию поверхностей трения, приданию им антифрикционных и противоизносных свойств.

Результаты стендовых испытаний. Внешние скоростные характеристики дизеля Д-242, полученные в ходе испытаний с моторным маслом М-5з/14-Г2 (контроль) и тем же маслом с добавкой 0,5% «Супермодификатора» - на рисунке 6.

Анализ изменения крутящего момента (Мк), развиваемого ДВС, в варианте с препаратом показал статистически достоверное увеличение крутящего момента по сравнению с контролем. Увеличение отмечено во всем диапазоне частот вращения коленчатого вала. Среднее достоверное увеличение крутящего момента по всему диапазону оборотов составило 10 Нм или 4%. При номинальной частоте вращения вала ДВС (пНом.=2100 мин"1), достоверное увеличение крутящего момента составило 5,2%.

Частота вращения, об/мин 1 —М-5-з/Н-Г, 2-М-5з/14-Г2 + 0,5°-о "Сшермодифікатора"

Рис. 6. Внешняя скоростная характеристика дизельного двигателя Д-242 Так как крутящий момент в варианте с препаратом выше, чем в контроле, то выявлено повышение эффективной мощности (Ые), развиваемой ДВС. Среднее увеличение мощности во всём диапазоне оборотов составило 4,0%.

При номинальной частоте вращения (оборотах максимальной мощности) достоверное увеличение эффективной мощности составило 5,2%.

Кривые, соответствующие часовому расходу топлива (Ст) вариантов находятся в области допустимой погрешности измерений. Достоверного снижения часового расхода топлива не выявлено. Однако, в варианте с препаратом, при равном с контролем часовом расходе, ДВС развивал большую мощность. Удельный расход топлива в варианте с препаратом снижался по сравнению с контролем за счёт увеличения мощности. Уменьшение удельного расхода в среднем составило 5%.

Так как единственным различием между вариантами являлось наличие в одном из них «Супермодификатора», то увеличение крутящего момента и мощности ДВС при неизменном часовом расходе топлива достигается за счёт снижения потерь на трение в сопряжениях ДВС и, как следствие, об эффективности «Супермодификатора» для улучшения характеристик двигателей.

Результаты эксплуатационных испытаний автомобилей, проведенные на МТС РГАУ-МСХА и в ЗАО «Зеленоградское» образовали значительный массив данных, по результатам анализа которого показано эффективность препарата зависит от исходного состояния силовых установок техники, при этом, в среднем:

Добавка «Супермодификатора» в моторное масло приводила к увеличению компрессии в цилиндрах ДВС автомобилей и тракторов всех марок. Абсолютные значения прироста компрессии составляют 0,2...2,38 ед., то есть увеличение на 2.. .20%, что обеспечивает повышение мощности до 8... 10%. Имеется тенденция к выравниванию компрессии в цилиндрах ДВС. При этом в первые 100...200 км пробега (25...50 моточасов) наблюдается наиболее резкое изменение, затем его величина стабилизируется и в дальнейшем меняется незначительно.

Добавка препарата в моторное масло приводила к уменьшению расхода топлива на 2...4% для автомобилей при езде по городскому циклу и на 3...5% для тракторов, занятых на работах по уборке территории РГАУ-МСХА им. Тимирязева. Добавка препарата в моторное и трансмиссионное масло приводила к снижению расхода топлива на 5. ..7% для автомобилей и на 6...8% для тракторов.

Содержание СО в выхлопных газах снизилось на 7... 15% при измерении на минимальных оборотах. При повышенных оборотах содержание СО снижалось на 10...15%. Содержание СН снижалось в среднем на 3...4% и 5...6% при минимальных и повышенных оборотах, соответственно.

Отмечено улучшение пусковых качеств ДВС при введении в силовые установки «Супермодификатора». Обеспечивался запуск карбюраторных ДВС при температурах до -25°, дизелей до -20°С без применения подогревателя. При этом снижалась нагрузка на электростартёрную систему пуска ДВС.

Анализ проб моторных и трансмиссионных масел, отобранных из картеров ДВС и КПП, проведённый методами ААС и ВЭЖХ показал снижением продуктов износа в пробах масла на 24.. .30%.

Положительный эффект действия «Супермодификатора» наблюдается при пробегах до 30000 км для автомобилей и до наработки 5000 моточасов для тракторов. После этого обработку силовых установок рекомендуется повторить.

В пятой главе «Внедрение и экономическая оценка результатов исследований» представлены технологическая документация, результаты использования «Супермодификатора», выполнен расчет экономического эффекта от внедрения.

Результаты исследований использованы ЗАО «АВТОКОН» при подготовке технологической документации на нанопрепарат «Супермодификатор» (ТУ 38.01.00492977-2013). ЗАО «АВТОКОН» освоен промышленный выпуск «Супермодификатора», который внедрен на машинно-тракторной станции (МТС) РГАУ-МСХА им. К.А. Тимирязева, в ООО «Электрогорский институт нефтепереработки», МТС ЗАО «Зеленоградское», фирме «Dampex Trade LTD» (Никосия. Кипр).

Результаты работы используются в учебных процессах МГАУ им. В. П. Горячкина и РГАУ-МСХА им. К. А. Тимирязева.

Годовой экономический эффект от внедрения препарата на МТС РГАУ-МСХА составил свыше 80 тыс. руб. (в ценах 2013 г.) за счет снижения потребления топлива.

Данный экономический эффект не учитывал положительные экономические эффекты, связанные с уменьшением простоев техники, снижением трудоёмкости её обслуживания, облегчением запуска двигателей в холодное время года и др.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1. Обзор и анализ справочных источников показал, что состав и характеристики машинно-тракторного парка РФ такова, что практически 75% сельскохозяйственных автомобилей и тракторов нуждаются в улучшении эксплуатационных показателей силовых установок. Наиболее экономичным способом является безразборное улучшение эксплуатационных показателей применением химических препаратов.

2. На основании анализа научно-технической информации, сформулированы теоретические принципы создания нанопрепаратов на основе ПФКК, позволяющих улучшить эксплуатационные характеристики автотракторных силовых установок в процессе их непрекращающейся эксплуатации.

3. Используя сведения о свойствах перфторированных соединений дифиль-ного строения, способных понижать поверхностную энергию на границе раздела фаз, были спрогнозированы свойства нового соединения. Выявлена зависимость эффективности его действия от химической структуры. Предложено новое соединение - борат этаноламида перфторированной карбоновой кислоты (С24), предназначенное для добавки в смазочные материалы, позволяющее улучшать эксплуатационные показатели автотракторных силовых установок.

4. Разработана математическая модель взаимодействия композиции ПФКК, включающей борат этаноламида, с металлической поверхностью. Уравнения статики адсорбционного процесса описывается уравнением Фрейндлиха. Моделирование кинетики показало, что адсорбционный процесс протекает в две стадии с образованием сначала мономолекулярного, а затем полимолекулярного антифрикционного слоев ПФКК на металлической поверхностью. Найдены коэффициенты всех уравнений. На основе этого описан механизм действия композиции ПФКК.

5. Физико-химические и триботехнические испытания позволили выявить и сформулировать зависимость «состав композиции ПФКК - эффективность дей-

ствия». Данная зависимость описывается уравнением степенной функции второго порядка и имеет чётко выраженную точку экстремума - минимального износа в парах трения при оптимальном содержании активного действующего вещества - бората этаноламида перфторированной карбоновой кислоты. Показано, что оптимальной является добавка к смазочным материалам композиции ПФКК в количестве 0,5% по объёму.

6. Разработан новый нанопрепарат «Супермодификатор» на основе композиции ПФКК, содержащей в качестве основного компонента борат этаноламида.

7. Триботехнические испытания показали улучшение антифрикционных и противоизносных свойств в паре трения «сталь (Inox 440) - сталь 30» при применении «Супермодификатора». При его добавке в смазочный материал в оптимальном количестве 0,5%-об. коэффициент трения снизился в 3,74 раза. Износ в сопряжении уменьшился на 33,2% по сравнению со смазочным материалом без добавки препарата.

8. Сравнительные триботехнические испытания в парах трения «сталь 45 - серый чугун 32» и «сталь 45 - алюминиевый сплав АО-20-01», моделирующих сопряжения в ДВС, показали высокую эффективность «Супермодификатора». При его добавлении в оптимальной концентрации износ в сопряжениях снизился на 55 и 58%, соответственно. Объяснением свойств препарата «Супермодификатор» является образование полимерной антифрикционной пленки на поверхностях трущихся пар.

9. Стендовые испытания показали, что применение препарата «Супермодификатор» позволяет повысить крутящий момент и эффективную мощность, развиваемые двигателем Д-242, на 4,0-5,2%, снизить удельный расход топлива на 5,0%, выровнять и повысить комперессию в цилиндрах ДВС.

10. Эксплуатационные испытания автотракторной техники продемонстрировали положительные эффекты от применения «Супермодификатора»: увеличение компрессии в цилиндрах на 2...20%; сокращение удельного расхода топлива за счёт уменьшения потерь на трение в ДВС и КПП до 5%; уменьшение содержания СО и СН в выхлопных газах на 10...15 и 5...6%, соответственно; снижения концентрации продуктов износа в пробах масла из картера двигателя на 24...30%. Эффект действия «Супермодификатора» сохранялся при пробегах до 30000 км для автомобилей и до наработки 5000 моточасов для тракторов.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах: Публикации в изданиях, рекомендованных ВАК РФ:

1. Балабанов В.И., Быкова Е.В., Быков К.В. Разработка и применение ре-монтно-восстановительного препарата «Medal» для повышения эксплуатационных характеристик автотракторных двигателей // Международный технико-экономический журнал. - 2011. - №3. - С. 106-109.

2. Балабанов В.И., Быкова Е.В., Быков К.В. Эффективность применения нанопри-садок к моторным маслам // Техника в сельском хозяйстве. - 2011. - №4. - С. 24-26.

3. Балабанов В.И., Быкова Е.В., Быков К.В. Новая присадка к моторным маслам // Механизация и элеюрификация сельского хозяйства. - 2011. - № 7. - С. 25-26.

4. Быков К.В., Гайдар С.М., Быкова Е.В. Повышение износостойкости поверхностей трибосопряжений в машинах // Техника и оборудование для села. -2012. - №8. - С. 40-46.

5. Гайдар С.М., Дмитриевский А.Л., Быков К.В. Улучшение эксплуатационных характеристик двигателей внутреннего сгорания с применением наномате-риалов // Грузовик. - 2012. - №11. - С. 28-35.

6. Гайдар С.М., Быков К.В., Дмитриевский А.Л. Повышение экономических показателей троллейбусов и трамваев с применением нанотехнологий // Грузовик. - 2012. - №12. - С. 19-21.

7. Гайдар С.М., Дмитриевский А.Л., Быков К.В. Улучшение пусковых качеств двигателей внутреннего сгорания при отрицательных температурах // Ремонт, Восстановление, Модернизация. - 2013. - №2. - С. 35-40.

В других изданиях:

8. Балабанов В.И., Болтов В.Ю., Быков К.В., Быкова Е. В. Применение на-нотехнологических присадок к моторному маслу для повышения эксплуатационных характеристик автотракторных двигателей // Вестник МГАУ им. Горяч-кина. - 2010. - №11. - С. 438 -441.

9. Быкова Е.В., Балабанов В.И., Быков К.В., Болтов В.Ю. Применение нано-технологических присадок для улучшения характеристик дизельных двигателей // Проблемы экономичности и эксплуатации автотракторной техники в АПК: Мат-лы Межгосуд. науч.-технич. семинара, посвященного памяти В.В. Михайлова. - Вып. 24. - С. 13-18 / Саратов: КУБиК, 2011. - 80 с.

10. Быкова Е.В., Балабанов В.И., Быков К.В., Болтов В.Ю. Повышение эксплуатационных характеристик автотракторных двигателей применением ремонтно-восстановительных препаратов // Доклады ТСХА: Сборник статей. Выпуск 283. Часть I. - С. 252-258 / М.: Изд-во РГАУ-МСХА им. Тимирязева, 2011. - 958 с.

11. Быков К. В., Быкова Е. В. Анализ ремотно-восстановигельных препаратов методом атомно-абсорбционной спектрометрии // Аграрная наука XXI века. Актуальные исследования и перспективы: Сб. науч. тр. - С. 160-163 / СПбГАУ; Ред. В.А Смелик. - СПб: Изд-во СПбГАУ, 2013. - 464 с.

12. Быков К. В. Повышение износостойкости автотракторных двигателей применением перфторорганическиз присадок // Аграрная наука XXI века. Актуальные исследования и перспективы: Сб. науч. тр. - С. 157-160 / СПбГАУ; Ред. В.А. Смелик. - СПб: Изд-во СПбГАУ, 2013. - 464 с.

Патенты и изобретения:

13. Быков К.В. Ремонтно-восстановительная присадка к смазочным материалам / Балабанов В. И., Болтов В.Ю., Быкова Е.В. и др. // Патент на изобретение № 2439133. Опубл. 10.01.2012. - Бюл. №1.

Отпечатано с готового оригинал-макета Формат 60x84 1/16 Усл. печ. л.1,0. Тираж 100 экз. Зак. 538. Издательство РГАУ-МСХА 127550, Москва, Тимирязевская ул., 44 Тел.: (499) 977-00-12, 977-26-90, 977-40-64