Проблемы машиностроения и надежности машин, 2022, № 4, стр. 108-112

Коэффициент трения является основным параметром трибосистем и зависит от ряда показателей, в том числе и от физико-механических свойств применяемого смазочного материала. На трибологические и эксплуатационные характеристики смазочного материала значительное влияние оказывают присадки. В настоящее время большой интерес вызывает применение наноуглеродных присадок (фуллеренов С₆₀) [1–4].

Для определения зависимости антифрикционных свойств масла от концентрации фуллеренов применяется метод тестирования пар трения на специальных машинах трения. Исследования проводились на машинах трения с возвратно-поступательным и вращательным движениями в лаборатории трения в экстремальных условиях ИМАШ РАН.

В исследовании использовалось полусинтетическое моторное масло Mobil Ultra 10W–40 с добавкой наноразмерных частиц. Данный материал использовался как смазочная композиция [5, 6]. Использовался порошок фуллеренов C₆₀ (99.9%) производства Merck KGaA (г. Дармштадт, Германия). Процентное содержание добавки варьировалось. Максимальное содержание присадки в моторном масле не превышало 2%.

Методы исследований. Исследования смазочных материалов проводились при двух режимах трения: граничном, возникающем при запуске двигателя и работе на низких оборотах, и гидродинамическом, характерном для установившегося (основного) режима работы [7].

Режим граничного трения реализовывался на машине ПРУ-2 с возвратно-поступательным движением по схеме “цилиндр–плоскость”, представленной на рис. 1. При применении такой схемы происходит трение скольжения между цилиндрической поверхностью подвижного образца и неподвижной пластиной (рис. 2).

Рис. 1.

Рабочая часть машины трения ПРУ: 1 – неподвижный образец; 2 – подвижный образец; 3 – тензобалка с держателем подвижного образца; 4 – тензорезистор; 5 – рычаг; 6 – груз; 7 – шток; 8 – ролик; 9 – прижим; 10 – держатель неподвижного образца; 11 – основание установки; 12 – термопара.

Рис. 2.

Схемы образцов: (a) – подвижный образец; (б)– неподвижный образец.

Были выбраны следующие режимы работы пары трения: скорость скольжения 0.266 м/с (100 циклов в минуту); трение смешанное (смазка наносилась на ролик один раз перед каждым испытанием); нагрузка на образец варьируется от 18 до 112 Н. Скорость перемещения изменяется по синусоидальному закону.

Привод на основе кривошипно-шатунного механизма. Амплитуда перемещения составляет 80 мм. Продолжительность одного испытания составляет один час. В ходе испытаний фиксировали показания температуры, силы трения и глубины износа.

Испытания смазок в гидродинамическом режиме трения проводились на универсальной машине трения УМТ-1 [8]. Схема испытаний “кольцо–кольцо” приведена на рис. 3.

Рис. 3.

Схема испытаний “кольцо–кольцо”: 1 – невращающееся образец-кольцо; 2 – вращающееся образец-кольцо; 3 – образцедержатель образца 1, обеспечивающий возможность самоустановки; 4 – образцедержетель вращающегося образца; 5 – сферический шарнир.

В качестве материала пар трения для испытаний использовалась сталь 20 по ГОСТ1050-88. Вращающийся образец при трении прижимался к неподвижному образцу с нормальной нагрузкой 80 Н. Угловая скорость составляла 1.5 м/с. Продолжительность одного испытания составляла 10 мин. В ходе испытаний фиксировали показания момента трения и износа пары.

Для измерений и записи результатов применялась система сбора данных фирмы National Instruments с программным обеспечением Labview.

Результаты исследований и их обсуждение. Первым этапом испытаний была оценка трибологических характеристик моторного масла и фуллереновых добавок в моторное масло при возвратно-поступательном движении с малой скоростью на машине трения ПРУ-2.

В табл. 1 показано изменение температуры смазочного слоя между сопряженными поверхностями в зависимости от коэффициента трения и концентраций фуллеренов в смазочной композиции при скорости скольжения 100 циклов в минуту. При работе пары трения с применением смазочной композиции с двухпроцентным содержанием фуллеренов обнаружено снижение температуры смазочного слоя при нагрузках 72 Н и 112 Н. Анализ результатов испытаний (табл. 1), позволяют сделать вывод, что фуллереновые добавки позволяют уменьшить износ по сравнению с базовым маслом.

Результаты экспериментальных исследований показали, что сила трения уменьшается с увеличением концентрации С₆₀ в смазочной композиции от 18 Н до 112 Н (рис. 4).

Рис. 4.

График зависимости силы трения от концентрации фуллеренов при нагрузках: 1 – 18 Н; 2 – 72 Н; 3 – 112 Н.

По результатам экспериментальных исследований на машине трения ПРУ-2 можно сделать следующие выводы: 1. Фуллереновые добавки улучшают противоизносные свойства смазочных материалов. 2. Увеличение концентрации фуллеренов от 0.2 до 2.0% в моторном масле приводит к снижению силы трения и температуры смазочного слоя.

Вторым этапом испытаний эффективности фуллереновых добавок была экспериментальная оценка момента трения в смазочных композициях на универсальной машине трения УМТ-1 по схеме “кольцо–кольцо”.

Результаты экспериментальных исследований измерения момента трения для трибосистемы при постоянной нагрузке 80 Н и угловой скорости 1.5 м/с, представлены в табл. 2.

Экспериментальные исследования (табл. 2) позволили установить, что увеличение концентрации фуллереновой добавки в базовом масле позволяет снизить момент трения и температуру смазочного слоя.

Вывод. Фуллереновые добавки улучшают противоизносные свойства базовых смазочных материалов. Увеличение концентрации фуллеренов в смазочной композиции приводит к снижению коэффициента трения. Из анализа экспериментальных данных с машины трения УМТ-1 и ПРУ-2 следует, что температура нагрева смазочного слоя между трущимися поверхностями снижается с ростом концентраций наночастиц в смазке. Таким образом, было установлено, что добавка наночастиц фуллерена С₆₀ в моторное масло позволяет улучшить физико-механические свойства.