Введение высокодисперсных добавок в смазочные среды может способст­во­вать протеканию механохимических взаимодействий в трибосистемах, активизирующих процессы самоорганизации, формирование структур, адапти­рован­ных к  условиям трения. Все возрастающие требования к работоспо­собности и долговечности машин и механизмов при ужесточении условий работы тяжелонагруженных пар трения обуславливает необходимость проведения работ, направленных на выбор оптимальных сочетаний материалов деталей узлов трения  и смазок. В настоящее время весьма актуальным является исследование совмес­тимости добавок к смазкам и материалов, которые используются в тяжелона­груженных и ответственных деталях узлов трения.

Цель и постановка задачи

В работе исследовали эффективность использования УДА в смазочных материалах с целью уменьшения трения и повышения износостойкости узлов трения ДВС.

Исследование влияния добавок УДА на износостойкость деталей трения ДВС

В первом эксперименте оценивали влияние УДА на износостойкость материалов сопряжения «коленчатый вал – вкладыш» дизельных двигателей при добавке их к моторному маслу М14В₂.

Использовали образцы высокопрочного чугуна коленвала, упрочненные электроискровым легированием, при трении в паре с алюминиево-оловянным антифрикционным сплавом АО20-1, который используют для вкладышей подшипников коленвала. Испытания  проводили на машине трения СМЦ-2 [5]. Смазку осуществляли по методу окунания подвижного контртела в масло М14В₂ без добавления и с добавкой УДА в количестве 0,03%. Величину износа образцов определяли весовым методом и  относили к пути трения. Скорость скольжения составляла 1,3 м/с,  нагрузка – 50кг/см²,  время  – 10 час).

Результаты испытаний представлены в таблице 1.

 Таблица 1 Результаты испытаний сопряжения «коленчатый вал – вкладыш» при введении УДА в моторное масло

Анализ полученных результатов испытаний показал, что введение УДА в моторное масло способствует существенному (в 4-5 раз) снижению интенсивности весового изнашивания образцов материала вкладышей, одновременно с этим уменьшается также и износ образцов вала.

Во втором эксперименте предметом исследования являлось определение триботехнических характеристик модельных трибосистем ДВС: «коленчатый вал – вкладыш»,  «гильза цилиндра – поршневое кольцо» с добавкой УДА в индустриальное масло И-20 и без их внесения.

В качестве материалов для испытаний были выбраны следующие:

-сталь 50 г (HRC 52);

-бронза БрС30 (HB 80);

-серый модифицированный чугун  СЧМ (HB 302);

-чугун специальный ЧС (HB 293).

Испытания проводили на машине трения СМТ-1.

Для реализации режимов трения в условиях граничной смазки в среде испытуемых смазочных сред машины трения были оборудованы  системой циркуляционной подачи масла в зону трения.

Перед установкой на машину трения образцы шлифовали и притирали по общепринятой методике ГОСТ 23.210-80. Для повышения воспроизводимости результатов применяли предварительную приработку образцов.

В процессе эксперимента регистрировали момент трения, который пересчитывали в коэффициент трения,  по величине которого судили о механических потерях в трибосистеме; и износ, который пересчитывали в скорость изнашивания, по величине которой судили об износостойкости трибосистем. Величину скорости изнашивания определяли    методом    искусственных  баз,  согласно ГОСТа 23.301-78.

Испытания трибосистемы «коленчатый вал – вкладыш» проводились по схеме «кольцо – кольцо», где неподвижный образец был изготовлен из материала вкладыша (Бр.С30) и имел меньшую площадь, а подвижный образец из материала коленчатого вала (Ст.50Г) и имел большую площадь. Скорость скольжения составляла 0.5 м/с, нагрузка 800 Н, коэффициент взаимного перекрытия площадей трения 0,5.

Результаты испытаний эталонной пары и пары с использованием УДА приведены в таблице 2.

Таблица 2 Результаты испытаний  трибосистемы « коленвал-вкладыш »

Испытания трибосистемы «гильза цилиндра – поршневое кольцо» проводились по схеме, где неподвижный элемент был изготовлен из материала гильзы (ЧС) и имел большую площадь, а подвижный элемент был изготовлен из материала кольца (СЧМ) и имел меньшую площадь. Скорость скольжения составляла 0,5 м/с,  нагрузка – 1200 Н,  коэффициент  взаимного  перекрытия –  0,2.

Результаты испытаний эталонной пары и пары с использованием УДА приведены в таблице 3.

Таблица 3 Результаты испытаний  трибосистемы «гильза цилиндра - поршневое кольцо»

Проведенные сравнительные испытания триботехнических характеристик модельных трибосистем ДВС: «коленчатый вал – вкладыш», «гильза цилиндра – поршневое кольцо» с добавкой УДА в индустриальное масло И-20 и без их внесения показали:

1. Суммарная скорость изнашивания испытуемых трибосистем уменьшается в 1,3 раза для трибосистемы «гильза цилиндра – поршневое кольцо», в 1,84 раза для трибосистемы «коленчатый вал – вкладыш».

2. Коэффициент трения испытуемых трибосистем уменьшился в 1,29 раза для трибосистемы «коленчатый вал – вкладыш», в 1,22 раза для трибосистемы «гильза цилиндра – поршневое кольцо».

Исходя из полученных результатов, можно предположить следующий механизм упрочняющего и противоизносного воздействия добавки УДА при введении их в смазку.

Попадая на поверхность пар трения, частицы УДА оказывают мягкое полирующее воздействие на микровыступы рабочих поверхностей, сопряжен­ных деталей.  При этом обнажается, так называемая, ювенильная поверхность, обладающая высокой свободной энергией и каталитической активностью, на которой механохимические превращения приводят к перераспределению микрочастиц металла, присадок из масла и УДА по поверхности.

УДА, внедряясь в поверхность   детали трения   упрочняют  ее предповерхностный слой и защищают деталь от водородного охрупчивания. Покрывая трущиеся поверхности металла, УДА образуют плакирующий слой (слой сухой смазки), постоянно возобновляющийся и препятствующий износу основного материала, позволяющий в значительной степени уменьшить их износ при  холодном пуске двигателя до поступления основного смазывающего состава.

Необходимо учитывать и возможность улучшения адсорбционной способности рабочих поверхностей по отношению к смазке при насыщении их частицами УДА, а также повышения несущей способности масляного слоя при образовании агрегатов микрочастиц УДА с компонентами смазок.

Выводы

1. Проведенные исследования позволили изучить влияние добавок ультрадисперсных алмазов к  маслам  на характеристики трения и  износа  пар трения  двигателей внутреннего сгорания.

2. Применение алмазосодержащей добавки обеспечивает:

- уменьшение скорости изнашивания   деталей трения ДВС и соответственно  увеличение их эксплуатационного ресурса;

- уменьшение коэффициента трения, что приводит к снижению механических потерь в ДВС, а, следовательно, и к экономии топлива.

3. Полученные результаты свидетельствуют о целесообразности использования УДА для повышения эксплуатационного ресурса ДВС.