ВЛИЯНИЕ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ МОДИФИЦИРОВАННЫХ СМАЗОЧНЫХ СРЕД НА ТЕПЛОВОЕ СОСТОЯНИЕ  ПОДШИПНИКОВ СКОЛЬЖЕНИЯ В ПЕРИОД ПРИРАБОТКИ

 

INFLUENCE OF USE OF THE MODIFIED LUBRICANT TO THE  THERMAL CONDITION OF SLIDING BEARINGS DURING OF WEAR-IN

 

Кораблин А.В., Сафиулин А.Ф. (АГТУ, г. Астрахань, РФ)

Korablin A.V., Safiulin A.F. (Astrakhan the state technical university)

 

Предложено решение проблемы повышенного теплообразования в контактах подшипников скольжения в период приработки улучшением триботехнических свойств моторных масел. Представлены результаты исследований приработки образцов в базовом и модифицированном моторном масле.

The solution of the problem of the increased heat generation in contacts of sliding bearings during the period of wear-in by improvement of tribotechnical properties of engine oils is offered. Results of researches of wear-in of exemplars in the basic and modified engine oil are presented.

 

Ключевые слова: подшипник скольжения, приработка, контакт, перегрев, присадка.

Keywords: sliding bearing, wear-in, contact, overheat, additive.

 

Подшипники скольжения двигателей внутреннего сгорания (ДВС) представляют собой диссипативные системы, в которых механическая энергия затрачивается на работу трибоконтактов и непрерывно уменьшается (рассеивается), переходя в тепловую энергию [1]. Процессы изнашивания, протекающие в контактных площадках опорных поверхностей сопряжения «вал - подшипник скольжения», и химические взаимодействия между материалом деталей и компонентами окружающей смазочной среды относятся к термоактивируемым, т.е. интенсифицируются с увеличением температуры.

Время существования единичного пятна контакта в сопряжении «цапфа вала – подшипник скольжения» в период приработки, вследствие дискретного характера взаимодействия поверхностей и высоких скоростей скольжения, может составлять 10-7 – 10-8 сек. При высоких значениях удельного давления в контактах возникают кратковременные температурные вспышки, которые могут в течение микросекунд достигать тысячи градусов Цельсия. Генерируемое тепло распределяется между тремя потребителями: контактирующими телами и окружающей средой. Тепловая энергия распространяется от пятен контактов вглубь обоих контактирующих тел (рис. 1), причем тепловые потоки распределяются в зависимости от их теплофизических свойств, размеров и условий отвода тепла. Наибольший перепад температуры происходит в направлении нормали к площади, образованной единичным выступом [2].

Фрагмент.jpg

Рисунок 1 – Схема распределения тепловой энергии в контакте:

n', n'' – векторы температурного градиента в направлении нормали к площади контакта; λ1, λ2, λ3 – теплопроводности потребителей

 

Высокие температуры, возникающие в контактных площадках сопряжения «вал - подшипник скольжения», вследствие увеличения адгезионных связей или недостатка гидродинамической смазки в условиях экстремальной работы, могут привести к схватыванию поверхностей с последующим вырывом материала (рис. 2). И как результат - потеря работоспособности [3]. 

Рисунок 2 – Поверхность подшипника скольжения вследствие перегрева

 

Таким образом, управление тепловым состоянием подшипников скольжения ДВС является важной научной задачей. С этой целью авторами разработаны функциональные присадки в моторное масло, основным принципом работы которых является самоорганизация наноструктурных защитных пленок пластичного металла на поверхностях трения, реализующих эффект безизносности. Присадки содержат в своем составе мелкодисперсную фазу нанопорошков меди и алюминия, полученных методом электрического взрыва проводников (ЭВП) со средней величиной частиц 50 нм, в среде жирных кислот в определенных пропорциях [4].

В лабораторных условиях исследовался процесс приработки сопряжения «вал - подшипник скольжения», используемого в кривошипно-шатунном механизме автомобильных двигателей внутреннего сгорания. Образцы – биметаллическая  втулка (подшипниковый сплав AlSn20Cu) и стальной вал представляли собой смазываемую трибосистему, имитирующую подшипник скольжения. Методика экспериментов основывалась на непрерывной регистрации температуры при скольжении образцов. Температура в зоне контакта образцов измерялась с помощью цифрового измерителя с хромель-копелевой термопарой по ГОСТ 6616-74. Каждая пара идентичных образцов испытывалась в отдельной смазочной среде. В качестве смазочных сред использовались базовое моторное масло SAE 10W-40 API SF/CC, базовое масло модифицированное медь содержащей присадкой (SAE 10W-40 API SF/CC + 2% присадки (Cu)) и базовое масло модифицированное алюминий содержащей присадкой (SAE 10W-40 API SF/CC + 2% присадки (Al)).

Динамика изменения температуры в период приработки, в зависимости от применяемой смазочной среды, представлена на рисунке 3.

Изменение температуры по времени.jpg

Рисунок 3 – Диаграмма изменения температуры в период приработки

 

По окончании испытаний образцов проведен визуальный анализ приработанных контактных площадок (рис. 4).

 

DSCF1935.jpgDSCF1955.jpgDSCF1990.jpg

                                 

а)                                        б)                                     в)

Рисунок 4 – Фото пятна контакта образца после приработки при смазывании: а) №1 – SAE 10W-40 API SF/CC; б) №2 – SAE 10W-40 API SF/CC + 2% присадка (Cu); в) №3 – SAE 10W-40 API SF/CC + 2% присадка (Al)

При изучении пятна контакта образца №1 (втулки), приработанного в базовом масле (рис. 4а), обнаружен сильный износ, а также дефекты поверхности: задиры в направлении трения и явно выраженные следы повышенного теплового воздействия (перегрева) в виде потемнений. Повышенный износ обусловлен низкой несущей способностью смазочной пленки базового масла. Её разрушение в процессе приработки контакта образцов способствовало увеличению адгезионных связей поверхностей, интенсификации прироста температуры, и как результат повышенному износу и деформациям.

На поверхностях контактов образцов №2 и №3 (рис. 4), приработанных в модифицированном присадками моторном масле, следов перегрева не обнаружено. Пятно контакта образца №2, приработанного в модифицированном медь содержащей присадкой масле показано на рисунке 4б, в виде небольшой заполированной площадки, без дефектов поверхности. Поверхность пятна контакта образца №3 после приработки в модифицированном алюминий содержащей присадкой масле (рис. 4в) имела не существенные царапины.

Таким образом, использование разработанных присадок в качестве модифицирования моторных масел, с точки зрения авторов, способствует снижению адгезионных связей поверхностей деталей, за счет увеличения несущей способности смазочной пленки. И как результат – снижение интенсификации прироста температуры в процессе приработки, улучшение качества приработанной поверхности.

 

Список использованных источников

1.    Кораблин А.В., Сафиулин А.Ф. Формирование избыточной регулятивно-защитной системы фрикционных поверхностей опор скольжения современных ДВС // Новые материалы и технологии в машиностроении. – 2012. – Вып.16. – С. 126–132.

2.    Крагельский И.В. Трение и износ: Изд. 2-е перераб. и доп. – М.: Машиностроение, 1968. – 480 с.

3.    Сафиулин А.Ф. Влияние диссипации механической энергии на явления схватывания в дискретных фрикционных контактах подшипников скольжения ДВС // Перспективы развития и безопасность автотранспортного комплекса. – 2012. – С. 43–46.

4.    Кораблин А.В., Сафиулин А.Ф. Модифицирование жидких смазочных сред наноструктурными мелкодисперсными порошками мягких металлов полученных методом ЭВП // Проблемы автомобильно-дорожного комплекса России: Эксплуатация и развитие автомобильного транспорта. – 2012. – С. 17–22.