Введение
Развитие современных машин сопровождается увеличением количества трибосопряжений, элементы которых изнашиваются, что способствует увеличению потерь энергии на трение, а также снижению надёжности и долговечности машин. Дополнительным фактором, обуславливающим повышение износа пар трения, является рост нагрузок и скоростей. В связи с этим актуальной трибологической задачей является снижение потерь на трение.
С целью решения этой задачи применяются консистентные смазочные материалы (КСМ) – полутвёрдый продукт, состоящий из масла и загустителя. Используемое масло может быть минеральным или синтетическим, а в качестве загустителя чаще всего используются мыла. Масло является главной составляющей КСМ (70…90 %), а введённый в него загуститель (10…25 %) формирует так называемый «пространственный скелет». В ячейках этого «скелета» находится масло, подобно мёду в сотах [1]. При наличии внешнего воздействия смазка течёт в результате пластической деформации. После окончания воздействия смазка со временем приходит в исходное состояние, возвращаясь к первоначальной структуре.
Во время работы узла трения в смазочном материале образуются различные дисперсные компоненты, классификация которых представлена на схеме (рис. 1). Их можно разделить на три большие группы: дисперсные компоненты, образующиеся в процессе трения (продукты износа и окисления); дисперсные компоненты, попадающие в узел трения извне (пыль, песок, микроорганизмы); дисперсные компоненты, целенаправленно добавляемые в узел трения (порошки твёрдых смазочных материалов, сульфидов и т. д.) [2].
Рассмотрим подробнее микроорганизмы и целенаправленно добавляемые наполнители. Изучение воздействия биофактора на смазочные материалы актуально, потому что его влияние изучено куда меньше, чем воздействие иных факторов, таких как температура и агрессивные среды [3].
Биологическое повреждение объекта – это постепенное разрушение изделия, происходящее под воздействием микроорганизмов. Существует ряд условий, выполнение которых повышает вероятность биоповреждений смазочных масел. К таким условиям можно отнести комфортную температуру, высокую влажность и присутствие загрязнений. Установлено, что микроскопические грибы и бактерии могут усваивать углеводороды, т. к. при увеличении количества исследуемого масла увеличивалось также и число бактерий [4].
Возникновение микробиологического повреждения можно описать процессом, протекающим в несколько стадий. Сначала микроорганизмы попадают на поверхность материала и поглощаются им, затем происходит заметное увеличение их численности и химическое воздействие продуктов жизнедеятельности микроорганизмов на материал, наконец, развивается коррозионный процесс (биокоррозия) и происходит усиление биоповреждений из-за взаимодействия различных групп микроорганизмов [5].
Микробиологическая стойкость – это показатель неизменности свойств объекта под воздействием микроорганизмов с течением времени. Смазочный материал должен быть биостойким, потому что в ходе эксплуатации машины детали механизма могут быть подвержены биокоррозией вследствие попадания микроорганизмов. Но в ходе исследований [6, 7] было определено, что ни масло ружейное РЖ, ни КСМ «Лита» не являются грибостойкими. А для КСМ «Лита» было найдено, что введение грибов Аspergillus niger приводит к повышению нестабильности трения [7]. Эти результаты указывают на необходимость проведения дополнительных трибологических испытаний смазочных материалов, содержащих микроскопические грибы.
Использование микроорганизмами составляющих смазочных масел в качестве источника питания и энергии, а также выделение ими продуктов жизнедеятельности, как правило, приводит к ухудшению состояния смазочных материалов.
Микроскопические плесневые грибы выделяют так называемые микотоксины, т. е. метаболиты, наиболее токсичными из которых являются афлатоксины и охратоксины. Эти микроорганизмы встречаются повсюду и адаптированы к условиям окружающей среды, но при низкой температуре и относительной влажности меньше 15 % наблюдается низкая активность ферментов и почти не происходит размножение микромицетов. Микроскопические грибы в виде плесени часто можно обнаружить на поверхности зерна, овощей и других растений. В ходе сбора урожая они могут попасть, например, в зазоры пар трения зерноуборочного комбайна и оказать негативное влияние на смазочные материалы, содержащиеся в этих трибосопряжениях [8].
С целью улучшения трибологических свойств смазочных материалов в них целенаправленно добавляются дисперсные компоненты. Например, актуальным является введение частиц такого природного слоистого геомодификатора трения, как серпентинит
(рис. 2). Серпентинит (от лат. Serpens – змея) – горная порода, включающая в себя серпентин Mg6[Si4O10](OH)8 в качестве базового элемента, составляющего не менее 50 % от общего объема породы, а также тальк
и др. [9]. Тонкоплёночные покрытия, полученные с использованием частиц минералов слоистого строения, способствуют снижению потерь на трение за счёт разделения контактирующих поверхностей и сглаживания их микрорельефа [10].
Наряду с серпентинитом, существуют также и другие модификаторы трения в виде мелкодисперсных порошков. Это, например, графит, дисульфид молибдена, дисульфид вольфрама, диселенид вольфрама и др.
[11, 12]. Такие наполнители обладают слоистой структурой и анизотропией свойств. Они могут применяться как антифрикционные добавки, которые заменяют трение соприкасающихся деталей трением слоёв молекул наполнителя. Как показывают результаты исследований, введение дисульфида вольфрама снижает момент трения на
10…40 %, а диселенида вольфрама – на 20…50 %, что демонстрирует эффективность добавок, используемых для защиты деталей узлов трения [11, 12].
Согласно результатам испытаний, проведённых на четырёхшариковой машине трения, при размере частиц серпентинита 1,0 мкм диаметр пятна износа меняется незначительно при низкой концентрации наполнителя, но заметно снижается при повышении концентрации наполнителя до 10 % масс. При использовании серпентинита с размером частиц 10 мкм диаметр пятна износа начинает уменьшаться даже при низкой концентрации и достигает наименьшего значения при концентрации наполнителя 7,0 % масс. [13].
Таким образом, был проведен обзор различных дисперсных компонентов, встречающихся в консистентных смазочных материалах, а также были подробно рассмотрены такие дисперсные компоненты, как микроорганизмы и целенаправленно добавляемые наполнители. Согласно проведенным исследованиям, смазочные материалы не грибостойки, а воздействие микроорганизмов на КСМ приводит к ухудшению стабильности такой важной трибологической характеристики, как сила трения. Соответственно, для выяснения того, окажет ли дисперсный наполнитель позитивное влияние на свойства КСМ, содержащих микроорганизмы, необходимо проведение соответствующих исследований.
Материалы и методы
Для выполнения испытаний использованы КСМ различных марок
(Лита, ЦИАТИМ-201, ГОИ-54п и МС-70), а также образцы заражённых КСМ в чашках Петри и мелкодисперсный порошок серпентинита. Испытания выполнены на машине трения Bosch PBD-40. Схема применяемого узла трения приведена на рис. 3. Согласно рис. 3, в емкость закладываются нижние шарики из стали ШХ15 и смазочный материал. Взвешивание материалов производилось на аналитических весах Госметр ВЛ-324В-С. Испытания проводились при частоте вращения 200 об/мин и нагрузке 20 кгс. Регистрация значений силы трения происходит каждую секунду в течение часа при помощи подключенного через
USB-кабель компьютера с программным обеспечением Owen Process Manager, после чего полученные данные можно сохранить в виде файла формата Excel. Диаметры пятен износа нижних шариков были изменены при помощи цифрового микроскопа DigiMicro 2.0.
Результаты и обсуждение
Сначала были проведены испытания базовых консистентных смазочных материалов (КСМ) для определения трибологических характеристик, таких как средний диаметр пятна износа и средняя сила трения.
Для того чтобы узнать, как влияют микроорганизмы на эти характеристики, были проведены испытания заражённых КСМ. Согласно полученным данным (рис. 4), наименьшим средним диаметром пятна износа, и соответственно, наилучшими противоизносными свойствами обладает КСМ ЦИАТИМ-201, а наименьшей средней силой трения, и соответственно, наилучшими антифрикционными свойствами – ГОИ-54п.
С целью нивелировать негативное воздействие микроорганизмов (микроскопических грибов и бактерий) в заражённые КСМ был добавлен дисперсный наполнитель – серпентинит. Для выявления оптимальной концентрации наполнителя был проведен ряд испытаний со смазочными композициями (СК), каждая из которых состояла из определённого базового КСМ и серпентинита с концентрацией 1,0 %, 2,0 % или 4,0 %.
Путем аппроксимации экспериментальных данных полиномом второй степени были получены графики зависимости таких трибологических характеристик, как средний диаметр пятна износа и средняя сила трения, от концентрации серпентинита.
С помощью этих графиков были подобраны оптимальные концентрации наполнителя: 2,0 % для КСМ Лита; 3,0 % для ГОИ-54п; 2,5 % для МС-70. Для КСМ ЦИАТИМ-201 было решено не проводить испытания СК, содержащей заражённый КСМ ЦИАТИМ-201 и серпентинит, т. к. данная добавка либо увеличивает средний диаметр пятна износа, либо никак не влияет на среднюю силу трения.
Результаты проведённых испытаний представлены на диаграммах (рис. 5).
Сначала рассмотрим изменение среднего диаметра пятна износа. При использовании заражённого КСМ Лита он возрастает на 49 % по сравнению с базовым КСМ Лита, а при применении СК, состоящей из заражённого КСМ Лита и серпентинита, снижается на 7,0 % по сравнению с заражённым КСМ Лита. При применении заражённого КСМ ЦИАТИМ-201 средний диаметр возрастает на 36 % по сравнению с базовым КСМ ЦИАТИМ-201. При использовании заражённого КСМ ГОИ-54п он снижается на 7,0 % по сравнению с базовым КСМ ГОИ-54п, а при применении СК, состоящей из заражённого КСМ, ГОИ-54п и серпентинита, снижается на 28 % по сравнению с заражённым КСМ ГОИ-54п. При применении заражённого КСМ МС-70 средний диаметр снижается на 9,0 % по сравнению с базовым КСМ МС-70, а при применении СК, состоящей из заражённого КСМ МС-70 и серпентинита, снижается на 29 % по сравнению с заражённым КСМ МС-70.
Сначала рассмотрим изменение среднего диаметра пятна износа. При использовании заражённого КСМ Лита он возрастает на 49 % по сравнению с базовым КСМ Лита, а при применении СК, состоящей из заражённого КСМ Лита и серпентинита, снижается на 7,0 % по сравнению с заражённым КСМ Лита. При применении заражённого КСМ ЦИАТИМ-201 средний диаметр возрастает на 36 % по сравнению с базовым КСМ ЦИАТИМ-201. При использовании заражённого КСМ ГОИ-54п он снижается на 7,0 % по сравнению с базовым КСМ ГОИ-54п, а при применении СК, состоящей из заражённого КСМ, ГОИ-54п и серпентинита, снижается на 28 % по сравнению с заражённым КСМ ГОИ-54п. При применении заражённого КСМ МС-70 средний диаметр снижается на 9,0 % по сравнению с базовым КСМ МС-70, а при применении СК, состоящей из заражённого КСМ МС-70 и серпентинита, снижается на 29 % по сравнению с заражённым КСМ МС-70.
Затем рассмотрим изменение средней силы трения. При использовании заражённого КСМ Лита она возрастает на 7,0 % по сравнению с базовым КСМ Лита, а при применении СК, состоящей из заражённого КСМ Лита и серпентинита, снижается на 33 % по сравнению с заражённым КСМ Лита. При применении заражённого
КСМ ЦИАТИМ-201 средняя сила трения снижается на 15 % по сравнению с базовым
КСМ ЦИАТИМ-201. При использовании заражённого КСМ ГОИ-54п она возрастает на 25 % по сравнению с базовым КСМ ГОИ-54п, а при применении СК, состоящей из заражённого КСМ,
ГОИ-54п и серпентинита, снижается на 10 % по сравнению с заражённым КСМ ГОИ-54п. При применении заражённого КСМ МС-70 средняя сила трения возрастает на 10 % по сравнению с базовым КСМ МС-70, а при применении СК, состоящей из заражённого КСМ МС-70 и серпентинита, снижается на 47 % по сравнению с заражённым КСМ МС-70.
Заключение
По результатам исследований было выяснено, что при использовании заражённых КСМ чаще всего происходит ухудшение трибологических свойств по сравнению с базовыми КСМ.
В свою очередь, заражённые КСМ, содержащие оптимальные концентрации серпентинита, продемонстрировали улучшение трибологических характеристик по сравнению с заражёнными КСМ, не содержащими серпентинита. Это указывает на эффективность добавления наполнителя, и, следовательно, на то, что проведение дальнейших исследований с другими наполнителями целесообразно и перспективно.
