Разработка состава взрывопожаробезопасной гидравлической жидкости для авиационной техники тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.17.07, кандидат наук Колыбельский, Дмитрий Сергеевич

• Колыбельский, Дмитрий Сергеевич
• кандидат наук
• 2013

Оглавление диссертации кандидат наук Колыбельский, Дмитрий Сергеевич

ВВЕДЕНИЕ..................................................................................................................4

1. Современное состояние производства взрывопожаробезопасных гидравлических жидкостей (обзор литературы)..........................................8

1.1 Характеристика гидравлических жидкостей..........................................8

1.2 Требования к жидкостям для гидравлических систем....................................11

1.3 Негорючие гидравлические жидкости..............................................................14

1.4 Отечественные негорючие гидравлические жидкости...........................................19

1.5 Зарубежные негорючие гидравлические жидкости...............................................27

1.6 Выводы..................................................................................................................33

2. Объекты и методы исследования.........................................................................35

2.1 Объекты исследования........................................................................................35

2.1.1 Третичные эфиры фосфорной кислоты..........................................................35

2.1.2 Присадки............................................................................................................42

2.2 Методы исследования.........................................................................................58

3. Разработка композиции гидравлической жидкости на основе эфиров фосфорной кислоты...................................................................................................72

3.1 Разработка состава базовой смеси эфиров фосфорной кислоты.....................72

3.1.1 Подбор компонентов базовой смеси эфиров фосфорной кислоты.............78

3.1.2 Приготовление образцов базовой смеси эфиров фосфорной кислоты...........84

3.2 Подбор комплекса присадок, улучшающих эксплуатационные свойства гидравлической жидкости........................................................................................89

3.3 Выводы................................................................................................................100

4. Проведение опытно-технологических работ.....................................................102

4.1 Разработка нормативной документации на технологический процесс изготовления и испытания опытно-промышленной партии взрывопожаробезопасной гидравлической жидкости.........................................103

4.2 Изготовление опытно-промышленной партии № 1 взрывопожаробезопасной

гидравлической жидкости......................................................................................103

4.3 Сравнительные результаты исследования опытно-промышленной партии взрывопожаробезопасной гидравлической жидкости с жидкостями на основе эфиров фосфорной кислоты отечественного и зарубежного производства............................104

4.4 Экономический эффект от постановки на производство взрывопожаробезопасной гидравлической жидкости.........................................109

4.5 Выводы...............................................................................................................110

ЗАКЛЮЧЕНИЕ........................................................................................................111

ЛИТЕРАТУРА.........................................................................................................114

ПРИЛОЖЕНИЯ.......................................................................................................119

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка состава взрывопожаробезопасной гидравлической жидкости для авиационной техники»

Одним из приоритетных направлений экономического и социального развития России является создание современной системы воздушного сообщения. Это, безусловно, требует коренных и безотлагательных решений по созданию эффективной авиационной инфраструктуры, включающей систему обеспечения высококачественными горюче-смазочными материалами, в том числе техническими жидкостями, отвечающими требованиям современной авиационной техники.

В настоящий момент обеспечение российской авиации взрывопожаробезопасными жидкостями целиком зависит от зарубежных компаний, вследствие чего разработка отечественной рабочей жидкости для гидросистем эксплуатируемых и перспективных самолетов является весьма актуальной проблемой.

Вырабатываемые сегодня в России взрывопожаробезопасные рабочие жидкости не полностью соответствуют высоким требованиям эксплуатации, например, они уступают зарубежным по термической и термоокислительной стабильности, гидролитической устойчивости, стойкости к механической деструкции [1].

К числу высококачественных взрывопожаробезопасных рабочих жидкостей можно отнести продукты зарубежного производства, такие как 8кус1го1 5 и НуМ 1У-Ар1и8, соответствующие спецификациям всех крупнейших самолетостроительных компаний и стандарту БАЕ А8 1241 [2].

Целью работы являлась разработка научных подходов для обоснования состава разрабатываемой жидкости, создание оптимальной рецептуры и технологии приготовления взрывопожаробезопасной гидравлической жидкости и организация ее промышленного производства. Для достижения поставленной цели было необходимо решить следующие задачи:

- провести анализ современного состояния производства взрывопожаробезопасных гидравлических жидкостей;

- обосновать научные и технологические принципы создания взрывопожаробезопасных гидравлических жидкостей, не уступающих лучшим мировым аналогам;

- разработать базовый состав, подобрать комплекс функциональных присадок, выбрать принципиальную технологическую схему приготовления разработанной взрывопожаробезопасной гидравлической жидкости;

- осуществить выработку опытной партии жидкости и провести испытания по комплексу физико-химических и эксплуатационных свойств;

- разработать нормативно-техническую документацию и организовать промышленное производство взрывопожаробезопасной гидравлической жидкости в ОАО «НК Роснефть» - МЗ «Нефтепродукт».

Разрабатываемая жидкость должна обеспечивать стабильную работу в интервале температур от минус 60 °С до плюс 150 °С. В составе жидкости должны быть использованы компоненты базовой основы и функциональные присадки преимущественно отечественного производства.

Научная новизна работы заключается в следующем:

- Впервые установлены зависимости физико-химических и эксплуатационных характеристик взрывопожаробезопасных гидравлических жидкостей от химического строения базовых эфиров фосфорной кислоты и смесей.

- Впервые выявлено наличие синергетического эффекта смеси антиокислителей аминного и фенольного типов, обеспечивающее высокую термоокислительную стабильность взрывопожаробезопасных гидравлических жидкостей на основе эфиров фосфорной кислоты.

Теоретическая и практическая значимость работы определяется следующими конкретными результатами:

- Обоснованы технические требования, предъявляемые к взрывопожаробезопасным гидравлическим жидкостям для обеспечения

работоспособности в интервале температур от 60 °С до плюс 150 °С.

- Разработан оптимальный состав базовой композиции эфиров фосфорной кислоты различного строения, подобран пакет функциональных присадок, позволяющий создать взрывопожаробезопасную гидравлическую жидкость, отвечающую всем современным требованиям.

- Разработана принципиальная технологическая схема и нормативная документация для производства взрывопожаробезопасной гидравлической жидкости требуемого уровня качества.

- Получена опытно-промышленная партия № 1 взрывопожаробезопасной гидравлической жидкости по СТО 00148613-030-2012 и проведен её сравнительный анализ с отечественными и зарубежными аналогами.

Методология исследования базировалась на исследовании широкого спектра эфиров фосфорной кислоты, главным образом, российского производства, а также подборе присадок, обеспечивающих требуемые эксплуатационные характеристики.

Выбор методов испытаний для оценки качества гидрожидкостей основывался на существующей в России базе оценки качества гидрожидкостей, а также мировых стандартах (методы ASTM, ISO, FIT и др.). При этом учитывалось наличие и доступность существующей приборной базы, точностные характеристики, чувствительность методов и приборов, доступность и простота работы, надежность и достоверность получаемых результатов, технологичность методов, время испытаний.

В результате проведенных исследований на защиту выносится:

- обоснование основных технических требований, предъявляемых к взрывопожаробезопасным гидравлическим жидкостям для обеспечения работоспособности в интервале температур от минус 60 °С до плюс 150 °С;

- установленные зависимости физико-химических и эксплуатационных характеристик взрывопожаробезопасных гидравлических жидкостей от химического строения базовых эфиров фосфорной кислоты;

- обнаруженное наличие синергетического эффекта смеси

антиокислителей аминного и фенольного типов, обеспечивающее высокую термоокислительную стабильность взрывопожаробезопасных гидравлических жидкостей;

- оптимальный состав базовой композиции эфиров фосфорной кислоты различного строения с подобранным пакетом функциональных присадок, позволяющий создать взрывопожаробезопасную гидравлическую жидкость, отвечающую всем современным требованиям;

- принципиальная технологическая схема и нормативная документация для производства взрывопожаробезопасной гидравлической жидкости требуемого уровня качества;

- получение и анализ опытно-промышленной партии №1 взрывопожаробезопасной гидравлической жидкости на соответствие качества поставленной цели и задачам исследования.

Степень достоверности и апробации результатов подтверждается обсуждением их на двух науно-практических конференциях и имеющимися публикациями. По теме диссертации опубликованы три научные статьи в журналах, включенных в перечень ВАК. Кроме того, полученная опытно-промышленная партия №1 взрывопожаробезопасной гидравлической жидкости по СТО 00148613-030-2012 в количестве 500 кг превосходит отечественную жидкость НГЖ-5у по термоокислительной и гидролитической стабильности, классу чистоты и содержанию Са и № и не уступает по всем характеристикам зарубежным аналогам 8кус1го11Л)-4 и НуМ 1УАр1и8.

Структура и объем диссертации. Диссертация изложена на 159 страницах машинописного текста, состоит из введения, четырех глав, включающих 36 таблиц, 24 рисунка, заключения, списка литературы из 70 наименований и 6 приложений.

Заключение диссертации по теме «Химия и технология топлив и специальных продуктов», Колыбельский, Дмитрий Сергеевич

В результате проведенной работы были достигнуты следующие результаты:

1. На основании проведенных патентных исследований, а также изучения научно-технической литературы и нормативной документации; мониторинга ассортимента отечественных и зарубежных гидравлических масел на синтетической основе и негорючих рабочих жидкостей для авиационной техники установлены зависимости основных физико-химических и эксплуатационных характеристик взрывопожаробезопасных гидравлических жидкостей от химического строения базовых эфиров фосфорной кислоты и их смесей, а также сформулированы основные требования, которым должна соответствовать разрабатываемая взрывопожаробезопасная гидравлическая жидкость.

2. В результате проведенных исследований разработана композиция взрывопожаробезопасной гидравлической жидкости, в качестве базовой основы которой использованы смесь эфиров фосфорной кислоты в следующем соотношении, % масс: ТБФ - 73,0, ТиБФ - 15,0, ТКсФ - 7,0, ДБФФ - 5,0, позволившая обеспечить оптимальное сочетание требуемых физико-химических и эксплуатационных показателей (огнестойкость, низкотемпературные свойства, термоокислитительная, термическая и гидролитическая стабильность, смазывающая способность и другие).

3. Для обеспечения требуемых вязкостно-температурных свойств была выбрана присадка ПБМА (полибутилметакрилат), так как другие отечественные присадки не обладают требуемой стойкостью к механической деструкции и не способны обеспечить требуемый уровень вязкости на протяжении всего срока эксплуатации жидкости в интервале рабочих температур и давлений.

4. Высокая термоокислительная и термическая стабильность обеспечивается благодаря выявленному синергетическому эффекту смеси антиокислителей аминного и фенольного типов, включающей 0,9% алкилированного фенил-а-нафтиламина (ФАД), 0,5% 4-метил-2,6-дитретбутилфенола (Агидол-1), 0,3% пентаэритрилтетракис-3-(3',5'-дитретбутил-4-гидроксифенил) пропионата (Агидол-110), который объясняется регенерацией амина, как наиболее сильного ингибитора, фенолом, при этом исключается возможность продолжения цепи радикалом амина. Предположительно экранированный феноксильный радикал, как более стабильный, не способен продолжать цепь окисления, что обеспечивает более стабильные антиокислительные свойства.

5. В состав жидкости для улучшения антиэрозионных, антигидролизных, антикоррозионных свойств введены следующие присадки, доказавшие свою эффективность в отечественной жидкости НГЖ-5у и лучших зарубежных аналогах: соединение калиевой соли перфторалкансульфокислоты (ПАВ Хромоксан) - 0,08%, эпоксидная смола марки ERL-4221 - 2,5 %, а также 1,2,3 - бензотриазол - 0,008%.

6. Лабораторный образец гидравлической жидкости прошел испытания по всем физико-химическим показателям, в результате чего установлено ее полное соответствие требованиям, предъявляемым к новейшим огнестойким жидкостям для гидравлических систем современных воздушных судов.

7. Проведен комплекс мероприятий по постановке на производство взрывопожаробезопасной гидравлической жидкости в ОАО «НК «Роснефть -МЗ «Нефтепродукт». Разработана принципиальная технологическая схема и нормативная документация для производства разработанной композиции взрывопожаробезопасной гидравлической жидкости требуемого уровня качества.

8. Получена опытно-промышленная партия №1 взрывопожаробезопасной гидравлической жидкости по СТО 00148613-030-2012 в количестве 150 кг и проведены её испытания по всем физико-химическим свойствам и основным

эксплуатационным показателям в сравнении с лучшими зарубежными образцами и отечественным аналогом.

9. Установлено, что разработанная гидравлическая жидкость превосходит отечественную жидкость НГЖ-5у по термоокислительной и гидролитической стабильности, классу чистоты и содержанию Са и № и не уступает по всем характеристикам зарубежным аналогам 8куёго1 1Ю-4 и НуМ IV Ар1и".

10. Технико-экономические расчёты показали, что экономическая эффективность от внедрения разработанной взрывопожаробезопасной гидравлической жидкости по СТО 00148613-030-2012 и реализации её в количестве 100 тонн в год составит 7800 тыс. руб. при плановой рентабельности 15%.

11. На состав разработанной взрывопожаробезопасной гидравлической жидкости по СТО 00148613-030-2012 подана заявка на выдачу патента (регистрационный № 2013125549 от 03.06.2013 г.).

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Колыбельский, Дмитрий Сергеевич, 2013 год

1. Никитин О.Ф. Рабочие жидкости гидроприводов. Классификация, свойства, рекомендации по выбору и применению. М.: Изд-во МВТУ им. Н.Э.Баумана, 2007. - 147с.

2. Aerospace Standard AS 1241. Fire resistant phosphate ester fluid for aircraft.

3. Башта T.M. Гидравлический привод систем управления. -M.: Машиностроение, 1967. - 284с.

4. Гамылин Н.С. Гидравлический привод систем управления. -М.: Машиностроение, 1972. - 376с.

5. Петров Н.П. Гидродинамическая теория смазки. Избранные работы. Под ред. Л.С. Лейбезона, М.: АН СССР, 1948. - 550с.

6. Хаттон P.E. Жидкости для гидравлических систем. Пер.с англ., под ред. В.В. Вайнштока. - М.: Химия, 1965.- 364с.

7. Рыбаков А.Ю., Тетерин Е.П. Рабочие жидкости гидравлических приводов и их свойства. Владимир: Владимирский политехнический ин-т,1989. - 48с.

8. Комаров A.A. Надежность гидравлических систем. М.: Машиностроение, 1969. - 236с.

9. Эрнст В. Гидропривод и его промышленное применение. Пер. с англ., Машгиз, 1963.- 492с.

Ю.Кондаков Л.А. Рабочие жидкости и уплотнения гидравлических систем. М.: Машиностроение, 1982. - 216с.

11.Башта Т.М. Вопросы применения жидкостей в гидравлических системах машин. Вестник машиностроения . 1960 - 182с.

12.Барышев В.И. Применяемость (выбор) масел в качестве рабочей жидкости гидропривода. Учебное пособие. Челябинск: ЧГТУ, 1993. - 71с.

13.Аксенов А.Ф., Лозовской В.Н. Износостойкость авиационных топливно-гидравлических агрегатов. М.: Транспорт, 1986. - 240с.

14.Домогаров Ю.А., Степаков А.И., Леладзе И.С. Рабочие жидкости и смазки: Учебное пособие. М.: МАДИ (ГТУ), 2005. - 102с.

15.Аксенов А.Ф., Литвинов А.Д. Применение авиационной технической жидкости. М.: Транспорт, 1974. - 165с.

16.Аксенов А.Ф. Авиационные топлива, смазочные материалы и специальные жидкости. Транспорт. М.: 1970. - 164 с.

17. Арбузов А.Е. Избранные труды по химии фосфорорганических соединений. М.: Наука, 1976. - 559с.

18.Кабачник М.И. Фосфорорганические вещества. М.: Знание, 1967 - 32с.

19.Нифантьев Э.Е. Химия фосфорорганических соединений. М.: Издательство МГУ, 1971 - 352с.

20.Курицина А. Д. Исследование изменения структуры и свойств поверхностных слоев подшипниковых металлов при трении. - В.: Трение и износ в машинах. - М.: АНСССР, 1962, вып.15. - с. 198-201

21.Шабалина Т.Н. Исследование механизма действия противоизносной фосфорсодержащей присадки в маловязком масле. Трение износ. 1996. т. 17. №2. С. 207-212

22.Виноградова И.Э. Противоизносные присадки к маслам (противозадирные, противоизносные и антифрикционные). -М.: Химия, 1972. - 272с.

23.Аксенов А.Ф. Трение и изнашивание в углеводородных жидкостях. М.: Машиностроение, 1977. - 152с.

24.Гефтер Е.Л. Фосфорорганические мономеры и полимеры. М.: Издательство АН СССР, 1960.-288с.

25.Пурдела Д., Вылчану Р. Химия органических соединений фосфора. М.: 1972. -274с.

26.Везер Ван Джон Р. Фосфор и его соединения. В 2-х т./ Шерешевский А.И. (пер.с англ.и под ред.); 1962.- 687с.

27.0брайн Р. Токсические эфиры кислот фосфора. М.: Мир, 1964.

28.Тыщенко В.А. Радиационная стойкость маловязких базовых масел для систем управления ракетно-космической техникой. Химия и технология топлив и масел. 2003. №3 С. 47-49

29.Rice W.L. Effects of gamma - radiation of organic fluid and lubricants -«Nucleonics»

30.Корана Г. Новые направления в химии биологически важных эфиров фосфорной кислоты. Пер.с англ. 1964. - 166с.

31.Голиков С.Н., Розенгарт В.И. Фармакология и токсикология фосфорорганическихеских соединений. - JL: Медгиз, Ленинградское отделение, 1960. -112с.

32.Никоноров Е.М. Синтетические смазочные масла. Сборник научных трудов. -М.; ЦНИИТЭНЕФТЕХИМ, 1982. - 81с.

33. Отчет ФГУП «ВИАМ» «Исследование кинетики изменения эксплуатационных характеристик пожаробезопасной гидрожидкости НГЖ-5у при длительном воздействии высоких температур до 150 °С и разработка рекомендаций по увеличению ресурса ее работы в гидросистемах самолетов», 2000 г.

34.Military Specification MIL-H-83282C, Hydraulic Fluid, Fire Resistant, Syntetic Hydrocarbon Base Aircraft, Metric, NATO Code Number H-537, 25 March 1986.

35.Шейпак A.A. Гидравлика и гидропневмопривод: Учеб.пособие: В 2 ч. 4.1: Основы механики жидкости и газа. 2-е изд., перераб. и доп. М.: МГИУ, 2003. - 192с.

36.Рабочие жидкости для гидравлических систем. ОНТИ ВИАМ, 1973.

37.Барышев В.И. Классификация, контроль и нормирование промышленной чистоты рабочих жидкостей и масел // Вестник ЮУрГУ. Сер. «Машиностроение». 2005. Выпуск. 6, №1 с. 149-161

38.Андреев А.Б., Стрельников Э.Н., Шумилов И.С. Исследование чистоты рабочей жидкости в гидравлической системе самолета. М.: Издательство МГТУ им. Н.Э.Баумана, 1991. - 24с.

39.Юдин В.А., Суворов Б.Д., Раскин Ю.Е. и др. Опыт внедрения пожаробезопасной гидравлической жидкости /Авиационная промышленность, 1982, №2.

40.Раскин Ю.Е. Рабочие жидкости для гидросистем современных самолетов, в сборнике «Авиационные материалы», ОНТИ ВИАМ, 1983, с. 136 - 141.

41.Анисимов K.M., Бадыштова С.А., Бнатов С.А. Топлива, смазочные материалы, технические жидкости. Ассортимент и применение. Изд. 2-е перераб и доп. под ред. В.М. Школьникова - М.: Издательский центр «Техинформ», 1999. - 596с.

42.Ахмедов А.И., Фарзалиев В.М., Алигулиев P.M. Полимерные присадки и масла. - Баку: Изд-во «Елм», 2000. - 175с.

43.Патент RU 2009185 С1

44. Патент RU 1750228

45.ТУ НГЖ-5у

46.Паспорт безопасности НГЖ-5у

47.Труды 25 ГОСНИИ МО РФ, вып. 54, Москва, 2008. - с. 217.

48. Технологический регламент на производство жидкости НГЖ-5у в ОАО «НК «Роснефть» - МЗ «Нефтепродукт»

49. Military Specification MIL-H-87257, Hydraulic Fluid, Fire Resistant, Syntetic Hydrocarbon Base Aircraft, Missile and Ordnance, NATO Code Number H-538, 2 March 1992.

50. Hyjet VI-A «plus», Гидравлическая жидкость для гражданской авиации. Технический семинар ExxonMobil, 25 сентября 2002.

51. Проспекты фирмы Exxon Mobil Aviation Lubricants «Стабильность фосфорных эфиров авиационных гидравлических жидкостей»

52. Раскин Ю.Е., Денисов Ю.И., Вижанков Е.М., Бедрин Б.Г. Диагностика и контроль ресурса применения рабочих жидкостей в гидросистемах авиационной техники. Контроль. Диагностика, 2004, №5.

53. Кулиев А. М. Химия и технология присадок к маслам и топливам 1985. - 307с.

54. Ахмедов А.И., Фарзалиев В.М., Алигулиев P.M. Полимерные присадки и масла. — Баку: Издательство «Елм», 2000. - 175с.

55. Ахмедов А.И., Левшина A.M., Исаков Э.У. Влияние сополимеров децилметакрилата с дециклопентадиеном на эксплуатационные характеристики маловязких масел //ХТТМ. - 1987. -№8. - С. 22 - 23.

56. Раскин Ю.Е., Квитницкая Г.П., Кузнецов Н.В., Попова И.М. Стабильность вязкости и ресурс работы в гидросистемах жидкостей с полимерными присадками / ХТТМ, 1981, №1.

57. Андрианов К. А. Полимеры с неорганическими главными цепями молекул. М.: Химия, 1962. 288с.

58.Кочнова З.А., Жаворонок Е.С., Чалых А.Е. Эпоксидные смолы и отвердители: промышленные продукты. Москва, 2006 - 200с.

59. М.Р. Marino, Phosphate Esters, in Synthetic Lubricants and High-Perfomance Functional Fluids, (Ed. R.L.Shubkin), Marcel Decker, New York, 1993, pp. 67-100

60. Snyder, C.E., Ir. And Schwenker, H., Materials on the Move, Nat. SAMPE Tech. Conf. Series, 1974. Miami Beach FL, USA.

61. Т.Манг, У Дрезель Смазки. Производство, применение, свойства. Справочник: пер. 2-го англ.изд. под ред. В.М. Школьникова - СПб.: ЦОП «Профессия», 2010. - 944с.

62. Труды 25 ГОСНИИ МО РФ, вып. 54, Москва, 2008. - с. 217.

63. М.Е. Резников Топлива и смазочные материалы для летательных аппаратов-М.: 1973. -231с.

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

65. Кучер Р.В., Юрженко А.И., Ковбуз A.M. Сб.: Окисление в жидкой фазе. - М.: изд. АН СССР, 1959. - 212с.

66. Патент RU 2009185 С1

67. Патент СССР 359841

68.Патент US 2009247438

69. Патент RU 2081877

70. Патент СССР 325872