Разработка энергосберегающих масел на смешанной основе для червячных передач тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.17.07, кандидат технических наук Сисенда Вильям Векеса

• Сисенда Вильям Векеса
• кандидат технических наук
• 2000

Оглавление диссертации кандидат технических наук Сисенда Вильям Векеса

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА I ПОДБОР И ПРИМЕНЕНИЕ МАСЕЛ ДЛЯ ЧЕРВЯЧНЫХ

ПЕРЕДАЧ (ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ)

1.1 Червячные передачи и особенности их работы

1.2 Трение, износ и смазка в червячных передачах

1.3 Растительные масла, их преимущества и недостатки

1.4 Синтетические масла, их преимущества и недостатки

1.5 Обоснование цели и задач исследования.

ГЛАВА II ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ.

2.1 Физико-химические характеристики компонентов масел для червячных передач.

2.2 Методы оценки триботехнических свойств масел.

2.3 Математические методы планирования эксперимента

ГЛАВА 1П ТРИБОЛОГИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА МАСЕЛ

3.1 Трибологические свойства базовых масел в паре трения "сталь-бронза"

3.2 Сравнение экспериментальных и расчетных результатов

ГЛАВА IV МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ТРИБО

ЛОГИЧЕСКИХ ПОКАЗАТЕЛЕЙ СМЕСЕЙ МАСЕЛ

4.1 Нахождение коэффициентов систем линейных уравнений

4.2 Статистическая проверка гипотез

4.3 Принятие решений

4.4 Оптимизация состава методом преобразования исходных линейных уравнений регрессии.

ГЛАВА V СТЕНДОВЫЕ ИСПЫТАНИЯ МАСЕЛ

ВЫВОДЫ

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка энергосберегающих масел на смешанной основе для червячных передач»

Одной из важнейших проблем современности является защита окружающей среды от вредных выбросов топливно-энергетическими установками. Тепловые электростанции, котельные и автомашины являются крупными потребителями твердого, жидкого и газообразного топлива. В ближайшие 20 лет нефть, уголь, природный газ и атомная энергия будут, как и сегодня, покрывать 98% потребности в энергии. Использование высокосернистых соединений, жидких, твердых и газообразных топлив, а также низкокачественных смазочных материалов приводят к загрязнению воздушного бассейна сернистым и серным ангидридами, летучей золой, оксидами азота, соединениями ванадия и солями натрия [1].

В последнее время вновь появился интерес к техническому использованию в производстве товарных масел растительных и животных жиров. Это обусловлено, прежде всего, экологическими проблемами, сокращением разведанных запасов и объемов добычи нефти.

Возрастание угрозы глобального экологического кризиса требует принципиально нового подхода к решению проблем предотвращения загрязнения окружающей среды и создания замкнутого кругооборота диоксида углерода. Смазочные материалы, как свежие, так и отработанные, являются одним из основных источников загрязнения био гидро-, лито- и атмосферы. Одна из главных причин этого - низкая биоразлагаемость масел и смазок, особенно из нефтяного сырья и на основе синтетических углеводородов. Некоторые нефтяные и синтетические смазочные материалы и их компоненты являются экотоксичными продуктами.

В настоящее время в странах Западной Европы потребляют около пяти миллионов тонн смазочных масел. Примерно половина, этого количества теряется в процессе эксплуатации и около 1,05 миллионов тонн масел попадает в окружающую среду вследствие проливов и утечек масел в гаражах, на промышленных предприятиях и автострадах. Сжигание отработанных масел также приводит к серьезному загрязнению биосферы [2].

Альтернативой в этом случае могут служить масла растительного и синтетического происхождения, а также их смеси, обладающие высокой биоразлагаемостью и не токсичные. Использование этих продуктов возможно для производства практически всех видов смазочных материалов - масел, пластичных смазок, смазочно-охлаждающих технологических средств и технологических смазок. Важным аргументом в пользу применения растительных масел и их смесей с синтетическими маслами является также ограниченность ресурсов нефти, газа и угля и необходимость поиска новых источников сырья.

Возобновляемость сырьевых ресурсов и относительная их дешевизна по сравнению с биоразлагаемыми, экологобезопасыми синтетическими продуктами обусловливают в настоящее время целесообразность расширения работ по применению жиров в технике. Высокая стоимость и дефицитность синтетических полигликолевых масел с высоким уровнем биоразлагаемости (близким к растительным маслам - 85-90%) существенно сдерживает их применение.

Проблема применения растительных масел представляет практический интерес как для развитых, так и для развивающихся стран. Последние в этом случае имеют возможность вместо импорта нефтяных и синтетических смазочных материалов использовать собственную сельскохозяйственную продукцию. Для получения растительных масел используют масличные растения, принадлежащие к различным ботаническим семействам. Ведущее место в мировом земледелии занимают такие травянистые масличные культуры, как соя, подсолнечник, хлопчатник, арахис, лен и кукуруза. В производстве смазочных материалов наиболее часто применяют масла полувысыхающие (рапсовое, подсолнечное, хлопковое) и касторовое, а также кокосовое и пальмовое.

Касторовое масло, благодаря уникальности своих свойств -невысыханию, высокой вязкости и сравнительно низкой температуре застывания - издавна используется в производстве смазочных материалов. Одновременно оно является единственным источником промышленного получения 12-оксистеариновой кислоты - важнейшего компонента в производстве литиевых смазок.

С современной точки зрения в качестве основы или компонента смазочного материала оптимальным вариантом по доступности, стоимости и физико-химическим характеристикам является рапсовое масло [2]. За рубежом этот продукт уже давно используют как масло специального назначения или добавку к смазочным материалам, а в Европе используется и как базовое масло. В обозримом будущем рапсовое масло может вытеснить до 40-50% нефтяных моторных и трансмиссионных масел. Мировое производство рапсового масла составляет около 8 миллионов тонн в год (1989г). Для достижения оптимальных эксплуатационных свойств (прежде всего трибологических) рапсовое масло должно быть очищено от ряда компонентов, снижающих стабильность продукта при хранении, придающих ему неприятный запах и темный цвет.

Основными техническими преимуществами растительных масел в сравнении с нефтяными являются лучшие вязкостные и трибологические свойства. Это обстоятельство существенно повышает благоприятность их использования с экологических позиций, поскольку в ряде случаев дает возможность ограничить использование химически активных присадок, а иногда и совсем отказаться от их применения. К основным недостаткам растительных масел следует отнести низкую стабильность и в большинстве случаев плохие низкотемпературные характеристики. Указанные недостатки частично устраняются смешением растительных масел с нефтяными маслами, хотя при этом ухудшаются экологические свойства смазочного материала. Все более широкое применение в настоящее время получают и синтетические масла. Значение их быстро растет, что определяется высокими требованиями современной техники к смазочным материалам. В общем случае, синтетические смазочные масла превосходят масла на нефтяной основе по следующим показателям - температуре застывания, термоокислительной стабильности, индексу вязкости, испаряемости, температуре вспышки, противоизносным свойствам и экологическим показателям [3].

Наиболее эффективно преимущества растительных и синтетических (полигликолевых) масел проявляются при применении их в качестве смазочной среды в червячных передачах. В этом случае наблюдается значительное снижение потерь энергии в передачах, но, вместе с тем, в полной мере проявляются и основные недостатки растительных и синтетических масел, описанные выше.

Цель и задачи исследования. Цель работы - создание высокоэффективных энергосберегающих смазочных масел для червячных передач на базе обоснованного подбора смесей нефтяных, растительных и синтетических компонентов.

Основные задачи работы: подобрать оптимальные по составу нефтяной, растительный и синтетический компоненты для разрабатываемых масел используя данные литературы и проведенных лабораторных исследований. провести лабораторные исследования антифрикционных, противоизносных и реологических характеристик смесей масел нефтяного, растительного и синтетического происхождения при варьировании в широких пределах содержания указанных компонентов. Показать преимущества этих смесей по эксплуатационным свойствам, а также по экологическим и экономическим критериям в сравнении с раздельным применением нефтяйых, растительных и синтетических масел. Разработать математическую модель и вывести уравнения, описывающие зависимости исследуемых характеристик этих смесей от их состава. найти область концентраций компонентов исследуемых смесей, в которой обеспечиваются одновременно наилучшие антифрикционные, противоизносные и вязкостно-температурные свойства. провести стендовые испытания разработанных масел в червячных редукторах с целью подтверждения результатов исследования и установленных закономерностей.

Научная новизна. Впервые показана возможность регулирования физико-химических и эксплуатационных свойств масел для червячных передач на основе смесей компонентов нефтяного, растительного и синтетического происхождения путем изменения их состава и соотношения компонентов.

Методами математического моделирования решена задача оптимизации состава масел для червячных передач путем нахождения области концентраций компонентов, в которой обеспечиваются наименьшие величины коэффициентов трения и износа и наибольший индекс вязкости.

Установлено, что масла на смесях компонентов различного происхождения при оптимальном их сочетании заметно превосходят по антифрикционным, противоизносным, вязкостно-температурным и экономическим показателям отдельно используемые нефтяные, растительные и синтетические масла.

Практические результаты работы. При участии автора разработан состав смазочных композиций на основе оптимального сочетания смесей нефтяного, растительного и синтетического масел, и показано, что по результатам лабораторных и стендовых испытаний они превосходят по смазочным и вязкостно-температурным свойствам нефтяные масла.

Разработан алгоритм оптимизации составов трехкомпонентных смазочных композиций по их антифрикционным, противоизносным и вязкостно - температурным характеристикам.

Разработаны программы для ПЭВМ, позволяющие обрабатывать результаты трехфакторного эксперимента и оптимизировать составы трехкомпонентных композиций (симплексно-центроидный план).

Продукты на смешанной основе прошли с положительными результатами испытания на Карачаровском механическом заводе и рекомендованы в качестве масел для червячных редукторов.

Заключение диссертации по теме «Химия и технология топлив и специальных продуктов», Сисенда Вильям Векеса

ВЫВОДЫ

1. Установлена возможность улучшения антифрикционных и противоизносных свойств нефтяных масел, используемых в червячных передачах, путем их смешения с растительным рапсовым маслом и синтетическим (полипропиленгликоль) компонентами.

2. Методом построения диаграмм "состав - свойства" найдены области оптимальных значений трибологических и реологических свойств для определенного соотношения смесей нефтяного (до 80%), растительного (до 40%) и синтетических (до 100%) компонентов.

3. Впервые на основе лабораторных испытаний изучены, разработаны и оптимизированы составы трехкомпонентных масел на смешанной основе, позволяющие значительно улучшить эксплуатационные показатели червячных передач.

4. По модифицированной методике РД 50-531-85, разработанной в ИМАШ РАН, оценена кинетика изнашивания бронзовых образцов и противозадирные свойства лучших композиций масел и показано, что по изученным характеристикам разработанные масла существенно превосходят нефтяное масло И-40А.

5. Результаты оценки антифрикционных свойств масел, полученные методами математического моделирования весьма точно коррелируют с результатами лабораторных и стендовых испытаний на полноразмерных редукторах.

6. Разработаны энергосберегающие масла на смешанной основе для червячных передач, содержащие масло нефтяное И-40А (74-78%масс.), растительное рапсовое (20-24%масс.) и полипропиленгликоль (до 100%), позволяющее увеличить КПД червячных редукторов на 2-6%.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Сисенда Вильям Векеса, 2000 год

1. Черненков И. И., Гаврилов А. А. Охрана окружающей среды от загрязнения сернистыми соединениями. М.: ЦНИИТЭнефтехим. 1976, 56 с.

2. Bisht R. В. P. S., Sivasankaran G. A., Bhatia V. К. Journal of Scientific and Industrial research. 1989, 48, № 4, p. 174-180.

3. Synthetic Lubricant. Product Review. Industrial Lubrication and Tribology. 1989, №6, p. 10-17.

4. Левитан Ю. В., Обморнов В. П., Васильев В. И. Червячные редукторы. Справочник. Л.: Машиностроение. 1985,168 с.

5. Багдасаров Л. Н. Разработка рабоче-консервационного масла для червячных передач. Дисс. канд. техн. наук. М.: ГАНГ. 1991, 108 с.

6. Стерхов А. В. Исследование и разработка масел для червячных редукторов на основе смесей полигликолей. Дисс. канд. техн. наук. М.: ГАНГ. 1996, 111 с.

7. Бершадский Л. И., Бойко Л. С. и др. Выбор и применение новых смазочных материалов в редукторах общего назначения. М.: НИИ Маш. 1983, 120 с.

8. Фукс И. Г., Буяновский И. А. Введение в трибологию. М.: Нефть и газ. 1995, 278 с.

9. Браун Э. Д., Буше Н. А., Буяновский И. А. и др. Основы трибологии, (трение, износ, смазка). М.: Центр "Наука и техника". 1995, 778 с.

10. Типаж мотор-редукторов и редукторов общего назначения. М.: НИИ Маш. 1980, 24 с.

11. Мельников В. Г. Трибологические и коллоидно-химические аспекты действия фторорганических модификаторов трения в моторных маслах. ХТТМ, 1997, № 5, с. 32-37.

12. Матвеевский Р. М. Развитие теории граничной смазки. Трение и износ.1990, Т 11,№6, с. 1103-1111.

13. Боуден Ф. П., Тейбор В. Трение и смазка твердых тел. М.: Машиностроение. 1968, 542 с.

14. Moller U. J. Tribologie und Schmierumgstechnik. 1990, Bd. 37, № 24, s. 188192.

15. Липкин Г. И. Применение рапсового масла в качестве смазочного материала. Переработка нефти и нефтехимия. Экспресс-информация.1991, №2, с. 22-23.

16. Евдокимов А. Ю., Мешеряков С. В., Фукс И. Г. и др. Химическая переработка жиров с целью использования их в качестве компонентов топлив и смазочных материалов. Нефтепереработка и нефтехимия. 1992, № 5, с. 29-36.

17. Евдокимов А. Ю. Растительные масла в производстве присадок к смазочным материалам. Переработка нефти и нефтехимия. Экспресс-информация. 1992, № 14, с. 13-18.

18. Кулиев Р. М., Ширинов Ф. Р., Кулиев Ф. А. Физико-химические свойства некоторых растительных масел. ХТТМ, 1999, № 4, с. 36-37.

19. Фукс И. Г., Евдокимов А. Ю., Лашхи В. Л., Сайдахмедов Ш. М. Экологические проблемы рационального использования смазочных материалов. М.: Нефть и газ. 1993, 164 с.

20. Динцес А. И., Дружинина А. В. Синтетические смазочные масла. М.: Гостоптехиздат. 1958, 350 с.

21. Гундерсон Р. С., Харт А. В. Синтетические смазочные материалы и жидкости. Пер. с англ. под ред. Г. В. Виноградова. Л.: Химия. 1965, 385 с.

22. Калайтан Е. И. Смазочные масла для реактивных двигателей. М.: Химия. 1968,195 с.

23. Виппер А. Б., Виленкин А. В., Гайснер Д. А. Зарубежные масла и присадки. М.: Химия. 1981,187 с.

24. Белов П. С., Виппер А. Б., Заворотный В. А. и др. Производство и применение моторных масел на синтетической основе. Обз. инф. М.: ЦНИИТЭНефтехим. 1979,44 с. (Сер.: Переработка нефти).

25. Танидзаки Есихару Юкагику. 1980, Т. 29, № 9, с. 336-343. Перевод № 6963. ВНИИПКнефтехим. Киев, 1982.

26. Williamson Е. Inform. Chim. 1980, № 202, р. 155-163.

27. Nehls. Beschaffung aktuell. 1983, № 8, s. 2.

28. Коренев К. Д. Сложноэфирные смазочные масла на основе допступного нефтехимического сырья. М.: ЦНИИТЭНефтехим. 1993, № 7 с. 18-21.

29. Populär Science (США). 1987, V. 230, № 3, р. 24. БИНТИ № 20 (2318).

30. Фонтана С. Катионная полимеризация. Под ред. П. Плеша. М.: Мир. 1966, с. 184-188.

31. Основы технологии нефтехимического синтеза. Под ред. А. Н. Динцеса и Л. А. Потоловского. М.: Гостоптехиздат. i960, 846 с.

32. Chem.Week. 1977, М 121, № 22, р. 51.

33. Imparato L. ATA. 1974, 27, № 9, р. 481-490. Перевод в ВЦП № А-5202.

34. Им X. Катку коге. 1976, Т. 29, № 9, с. 749.

35. Fife Н. R., Toussaint W. J. (Carbide а. Carbon Chemicals Co.), пат. США 2425845, 19/VIII 1947.

36. Pruitt M. E., Rogers W. A. Jr. (Dow Chemical Co.), пат. США 2831034, 15ЯУ 1958.

37. Roberts F. H., Fife H. R. (Carbide a. Carbon Chemicals Co.), пат. США 2448644, 7/IX 1948.40