VIII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся

Старт в науке

ПЕНООБРАЗОВАНИЕ КАК ЭКСПЛУАТАЦИОННАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РЕДУКТОРНЫХ МАСЕЛ

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы
• Наградные документы

Байкова А.И. 1

---

1МБОУ "Школа №129" г.о.Самара

Нуштайкина Е.А. 1Куликова И.А. 2

---

1МБОУ "Школа №129" г.о.Самара

2ПАО «СвНИИНП», г. Новокуйбышевск

Работа в формате PDF

743.7 KB

Автор работы награжден дипломом победителя III степени

Диплом школьникаСвидетельство руководителяСвидетельство руководителя

Введение

Смазочные масла широко применяются в современной технике с целью уменьшения трения в движущихся механизмах. Они являются важным элементом конструкции, от качества которого напрямую зависит срок службы машин и механизмов.

Одной из немаловажных эксплуатационных характеристик смазочных масел являются антипенные свойства, которые оценивают способность масел выделять воздух и другие газы без появления пены. Образование пены приводит к потерям масла, увеличению его сжимаемости, ухудшению смазывающей и охлаждающей способностей, вызывает более интенсивное окисление масла. Способность противостоять вспениванию особенно важна для масел, используемых в гидравлических системах и для смазывания высокоскоростных механизмов.

Цель: исследовать эффективность однотипных антипенных присадок отечественного и импортного производства в составе редукторного масла РН-ИТД-100.

Задачи:

Изучить литературу по применению редукторных масел и антипенных присадок к ним.

Изучить и освоить метод определения склонности к пенообразованию смазочных масел в соответствии с требованиями ASTMD892

Провести испытания образца редукторного масла до и после введения в состав антипенных присадок.

Научная новизна

Впервые проведены сравнительные испытания двух однотипных антипенных присадок с целью исследования их эффективности в составе редукторного масла РН-ИТД-100. Изучение пенообразования образца редукторного масла до и после введения антипенных присадок различных производителей по ASTM D892 было проведено на современном аппарате SetaFoam (Великобритания).

Литературный обзор

1 Нефтяные масла, их назначение, основные свойства

В любой машине или механизме при работе различных узлов трения используются смазочные материалы ‒ нефтяные масла и пластичные смазки, основное назначение которых ‒ снижение возникающего в рабочих узлах трения, а, следовательно, и уменьшение износа машин или механизмов. В этом смысле масла являются таким же конструкционным материалом, как и металлы, из которых изготавливаются машины и механизмы, и к ним применимы все понятия теории надежности, включая и срок эксплуатации[1].

1.1 Функции масел и смазок

Масла и смазки в зависимости от условий применения выполняют в механизмах следующие функции:

- снижают износ трущихся частей и уменьшают затраты энергии на преодоление возникающего между деталями трения;

- защищают детали машин от коррозионного воздействия внешней среды и агрессивных агентов, например, продуктов сгорания топлива в двигателях внутреннего сгорания;

- служат для отвода тепла, выделяющегося при трении деталей;

- способствуют удалению (вымыванию) из узлов трения продуктов износа и других абразивных загрязнений.

1.2 Классификация и назначение смазочных материалов

В зависимости от условий применения и назначения все смазочные материалы подразделяются на жидкие масла и пластичные смазки. Смазочные материалы могут быть минерального и органического происхождения. Нефтяные масла по способу получения подразделяются на дистиллятные и остаточные[2].Классификация и назначение масел представлены в таблице 1.

Таблица 1‒Смазочные масла и их назначения

2 Индустриальныемасла. Назначение. Классификация

Назначение индустриальных масел – обеспечить снижение трения и износа деталей металлорежущих станков, прессов, прокатных станов и другого промышленного оборудования. Одновременно индустриальные масла должны отводить тепло от узлов трения, защищать детали от коррозии, очищать поверхности трения от загрязнения, не допускать образования пены при контакте с воздухом, предотвращать образование стойких эмульсий с водой, хорошо фильтроваться через фильтрующие элементы, быть нетоксичными, не иметь неприятного запаха и т.д. [2].

2.1 Индустриальные редукторные масла. Область применения. Функции

В большинстве промышленных операций используется оборудование, приводимое в движение зубчатыми передачами того или иного типа. Примером такого оборудования служат бурильные машины, дробилки, лебедки, подвижная техника, шлифовальные машины, повышающие или понижающие передачи[3].

Зубчатые передачи применяются в подавляющем большинстве машин и служат для передачи мощностей с ведущего элемента машины на ведомый. Работа зубчатых передач заключается также в изменении либо скорости ведомого элемента машины, либо направления движения [4].

Существует множество сочетаний типов и материалов зубчатых колёс, соответственно, различаются и требования к редукторным маслам. Передачи разных типов различаются характером взаимодействия контактирующих зубьев[3].Наиболее распространенные типы зубчатых передач представлены в таблице 2.

Таблица 2‒ Распространенные типы зубчатых передач

К функциям редукторных масел относится:

Снижение износа шестерен и других используемых в редукторах пар трения.

Снижение трения, а, следовательно, и потерь мощности на трение.

Отвод тепла (выполнение функции охлаждающего агента).

Предотвращение коррозии.

Снижение шума, вибрации и защита от ударных нагрузок.

Вымывание загрязняющих примесей.

Выполнение роли носителя присадок.

Выполнение роли конструкционного материала, так как смазочный материал имеет важное значение при определении стойкости зубчатых передач против поломки, износа и сваривания.

Для обеспечения надежной и длительной работы редукторов смазочные масла должны обладать определенными характеристиками:

иметь достаточные противоизносные свойства;

обладать высокой антиокислительной стабильностью;

иметь хорошие вязкостно-температурные свойства;

не оказывать коррозионного воздействия на детали редуктора;

иметь хорошие защитные свойства при контакте с водой;

обладать достаточной совместимостью с резиновыми уплотнениями;

иметь хорошие антипенные свойства;

иметь высокую физическую стабильность в условиях длительного хранения.

К маслам, применяемым в различных машинах и устройствах, предъявляются разнообразные требования, которые невозможно удовлетворить в полном объеме традиционными способами обработки масел после их выработки. Это достигается добавлением в состав базового масла соответствующих функциональных присадок – сложных органических или металоорганических веществ, которые улучшают их эксплуатационные свойства. Практически во все сорта масел вводят присадки [5].

2.2 Требования эксплуатации

Для обеспечения вышеуказанных требований, в состав редукторных масел вводят различные виды присадок: противоизносные, противозадирные, антиокислительные, депрессорные, антикоррозионные, противоржавейныеи др.

Введение комплекса присадок различного функционального действия способствует повышенному пенообразованию в процессе эксплуатации масел. Помимо этого, в процессе работы зубчатых передач смазочное масло подвергается интенсивному перемешиванию, вследствие чего в него попадает воздух и образуется пена. Стойкость масел к пенообразованию в значительной степени зависит от углеводородного состава масла, способа и глубины его очистки, природы функциональных присадок, а также условий эксплуатации масла (температура, кратность циркуляции, интенсивность перемешивания).При повышении температуры продолжительность «жизни» пены сокращается. Из этого следует, что пенообразование более опасно при низких и умеренных температурах масла. При высоких температурах, близких к максимальным, сравнительно высокая скорость гашения пены уменьшает опасность нарушения работы трансмиссий [6].

Загрязняющие примеси и в некоторых случаях функциональные присадки увеличивают поверхностное напряжение пленки, повышая степень устойчивости пены, в результате чего зубчатые колёса смазываются только масловоздушной смесью, что приводит к отказам зубчатых передач через короткий период времени[2]. В связи с этим, одним из немаловажных требований служит низкая склонность редукторных масел к образованию пены.

Для предотвращения образования пены или ускорения ее разрушения в масла вводят антипенные присадки.

Основным типом противопенных присадок являются присадки, обладающие большей поверхностной активностью, чем пенообразующие соединения и вытесняющие их с поверхности воздушного пузырька (пеногасители-вытеснители), например, полиметилсилоксаны, специальные полиэтиленгликоли, полиметакрилаты. Эти соединения действуют через снижение коэффициента поверхностного натяжения на границе раздела масляной фазы и воздуха пузырьков, тем самым облегчая схлопывание последних[3].

Наиболее часто применяются в маслах силоксановые полимеры (жидкие силиконы)‒ полиметилсилоксаны.Силоксановые полимеры относятся к кремнийорганическим соединениям.

Жидкие силиконы, особенно линейные (рисунок 1) и циклические (рисунок 2)полидиметилсилоксаны, являются наиболееэффективными противовспенивающими присадками при концентрациях от 1 до (максимум) 100 мг/кг. Для обеспечения устойчивого распределения в базовом масле силиконы обычно предварительно растворяют в ароматических растворителях [1].

Рисунок 1 ‒ Структурная формула полидиметилсилоксана линейного строения

,

где R  CH₃

Рисунок 2 ‒ Структурная формула полидиметилсилоксана циклического строения

Основное назначение антипенных присадок ‒ предупреждение образования стабильной пены в работающем агрегате. Антипенные присадки вызывают уменьшение поверхностного натяжения пленок, разделяющих мелкие пузырьки воздуха. Вследствие этого пузырьки объединяются в более крупные, легко разрываются, и пена гасится [2].

Поверхностное натяжение силоксанов (18 – 20 мН/м) всегда ниже поверхностного натяжения углеводородных масел. Поскольку диметилсилоксановые жидкости имеют низкие значения поверхностного натяжения, они широко используются в качестве антипенных добавок в нефтяные масла[7].

На основании литературной проработки установлено, что склонность масла к пенообразованию может быть серьезной проблемой в таких системах, как высокоскоростные зубчатые передачи, системах перекачки большого объема, системах смазки разбрызгиванием. Недостаточное смазывание, кавитация и потери смазочного материала при переполнении могут привести к механической поломке.

Для оценки масел, используемых в таких условиях эксплуатации, применяют метод испытания ASTM D892 «Стандартный метод определения характеристик вспенивания смазочных масел», суть которого заключается в барботировании воздуха через пористый шар для создания пены в испытуемом образце смазочного масла. Количество пены и ее стабильность определяют при определенных значениях температуры 24 и 93,5 °С[3].

3 Объекты и методы исследований

3.1 Объекты исследования

В качестве объекта исследования был изучен продукт, разработанный специалистами ПАО «СвНИИНП» ‒ индустриальноередукторное масло
РН-И-Т-Д-100 (патент РФ № 2528833).

Масла серии РН-И-Т-Д (ТУ 38.4011192-2010) относится к категории индустриальных масел. Обозначение индустриальных масел включает группу знаков, разделённых между собой дефисом. Первая буква «И» ‒ индустриальное масло; вторая прописная буква – принадлежность к группе по назначению: «Т» ‒тяжелонагруженные узлы (зубчатые передачи)»; третья прописная буква – принадлежность к подгруппе по эксплуатационным свойствам: «Д» ‒ по условиям работы оборудования предъявляются повышенные требования к антиокислительным, антикоррозионным, противоизносным и противозадирным свойствам масел. Таким образом масло РН-И-Т-Д-100 относится к редукторным маслам с вязкостью при 40 °С = 100 мм²/с.

Данное смазочное масло используется для смазывания зубчатых и червячных передач промышленного оборудования, работающих при средних и высоких нагрузках.

В качестве объекта исследования использовался образец масла
РН-И-Т-Д-100 без антипенной присадки.

Антипенные присадки

В качестве антипенных присадокбыли исследованы кремнийорганические полиметилсилоксановые жидкости различного производства, а именно:

Жидкость ПМС-200А

Производится в соответствии с ОСТ 6-02-20-79 в ООО «ПЕНТА-91»г. Москва. Представляет собой прозрачную полиметилсилоксановую жидкость линейной и циклической структуры.Характеристика продукта представлена в таблице 3 [8].

Таблица 3 ‒Характеристика жидкости ПМС-200А (ОСТ 6-02-20-79)

Из литературных данных[2]известно, что данную присадку применяют в маслах различного назначения в концентрации 0,002-0,005%.

Присадка противопенная InfineumC9496

Представляет собой полиметилсилоксановую жидкость, выпускаемую Компанией Infineum (Италия) по Сертификату качества[9].Характеристика продукта представлена в таблице 4.

Таблица 4 ‒Характеристика противопенной присадки Infineum С 9496

3.2 Методы исследования

Пенообразование нефтяных масел – физический процесс, характеризующийся появлением на поверхности жидкости дисперсной системы при концентрации воздуха в масле 50 % и выше. При прочих равных условиях пенообразование масел предопределяется их способностью образовывать (склонностью к пенообразованию) и сохранять пену (стабильностью пены). Склонность к пенообразованию оценивали в соответствии с методом ASTMD892[10]. Согласно данному методу, испытание проводится в несколько стадий:

Этап  I

Часть образца при температуре бани (24,0±0,5) °С продували воздухом с постоянной скоростью (94±5) см³/мин в течение 5 мин, затем отстаивали в течение 10 мин. Объем пены измеряли в конце периода.

Этап  II

Вторую часть образца при температуре бани (93,5±0,5) °С продували воздухом с постоянной скоростью (94±5) см³/мин в течение 5 мин, затем отстаивали в течение 10 мин. Объем пены измеряли в конце периода.

Этап  III

Для этапа III применяли часть образца, использованного при выполнении этапа II. На этом этапе исчезала любая оставшаяся пена, а образец перед установкой испытательного цилиндра в баню, поддерживаемую при температуре (24,0±0,5) °С, охлаждали до температуры ниже 43,5 °С, выдерживая испытательный цилиндр с образцом на воздухе при комнатной температуре. Скорость потока воздуха, время продувки и отстаивания соответствовалитребованиям, указанным в этапах I и II.

Для определения вспениваемости применяли аппарат, примерная схема которого приведена на рисунке 3, состоящий из мерного цилиндра (или цилиндров) вместимостью 1000 см³, оборудованного тяжелым кольцом или хомутом для исключения плавучести и удерживания в определенном положении при установке в баню и трубки подачи воздуха, к концу которой прикреплен диффузор газа. В качестве диффузора газа использовалисферический газовый диффузорный камень диаметром 25,4 мм (1 дюйм) из сплавленных кристаллических гранул оксида алюминия. В цилиндр вставляли резиновую пробку с двумя отверстиями: одно ‒ в центре для трубки подачи воздуха, второе ‒ смещенное относительно центра ‒ для трубки выпуска воздуха.

Рисунок 3‒ Аппарат для определения вспениваемости

1 ‒ прибор для измерения объема;

2 ‒ сосуд из боросиликатного стекла диаметром приблизительно 300 мм, высотой приблизительно 450 мм;

3 ‒ змеевик из медной трубки, не менее одного оборота;

4 ‒ свинцовое кольцо;

5 ‒ высота до отметки 1000 см³ от 335 до 385 мм;

6 ‒ необходимый минимальный уровень жидкости для погружения цилиндра до отметки 900 см³;

7 ‒ н-бутилфталат (используют в качестве манометрической жидкости);

8 ‒ капилляр диаметром 0,4 мм, длиной 16 мм;

9 ‒ поток воздуха расходом от 89 до 99 см³/мин;

10 ‒ дифманометр-расходомер;

11 ‒ мерный цилиндр вместимостью 1000 см³;

12 ‒ диффузор газа (сферическийдиффузорный камень диаметром 25,4 мм (1 дюйм) из сплавленных кристаллических гранул оксида алюминия).

4 Экспериментальная часть

4.1 Физико-химические свойства редукторного масла

Масло редукторное РН-И-Т-Д-100 представляет собой композицию высококачественных минеральных базовых масел глубокой очистки с присадками, улучшающими смазывающие, антиокислительные, антикоррозионные, противоизносные и противозадирные свойства. Требования и основные характеристики на продукт представлены в таблице 5.

Таблица 5 – Результаты исследований образца редукторного масла
РН-И-Т-Д-100

Опытный образец редукторного масла РН-И-Т-Д-100по вязкостно-температурным свойствам удовлетворяет всем требованиям технических условий (ТУ 38.4011192-2010) исоответствует классу вязкости ISOVG 100.

4.2 Исследование пенообразования редукторного масла

Для оценки уровня пенообразующих свойств исходного образца редукторного масла(не содержащего антипенной присадки) были проведены исследования склонности к пенообразованию по методу ASTM D892. Результаты исследования представлены на таблице 6.

Таблица 6 ‒ Результаты исследования антипенных свойств по ASTMD892

Из полученных результатов следует, что исходный образец редукторного масла РН-И-Т-Д-100обладает высокойсклонностью к пенообразованию (высота столба пены 220-230 см³ при норме «не более 100 см³») и стабильностью пены (10-20 см³ при норме «не более 10 см³»), тем самым не обеспечивая защиту оборудования в режиме эксплуатации. Использование редукторного масла подобного качества в приводном оборудовании может привести к нарушению подачи масла к поверхностям трения, интенсификации окисления масла, выбросу из маслосистемы и т.д.

4.3 Технология приготовление смазочных композиций

На основании литературного обзора известно, что одним из способов повышения антипенных свойств является введение в смазочное масло антипенных присадок.

Для этих целей были проведены мероприятия по приготовлению смазочных композиций, в состав которых вводили антипенные присадки отечественного (ПМС-200А) и импортного (Infineum C9496) производства в концентрации 0,005 % масс. каждой.

Приготовление лабораторных образцов редукторного масла с антипенными присадками производилось с использованием лабораторного оборудования и посуды, включающей в себя стакан лабораторный термостойкий объемом 500 мл, верхнеприводную мешалку Компании Heidolph(Германия), электроплитку с регулированием температуры. Дозирование компонентов производилось с точностью до 0,001 грамм с помощью аналитических весовGR-200. Перемешивание производилось при температуре (55 °С ± 5) °С в течении 0,5 часа.

4.4 Исследование влияния антипенных присадок разных производителей на пенообразующие свойства редукторного масла

С целью установления влияния различных марок антипенных присадок на эксплуатационные свойства редукторного масла РН-ИТД-100, были проведены сравнительные исследования.Результаты представлены в таблице 7.

Таблица 7‒ Результаты исследования антипенных свойств лабораторных образцов масла по ASTMD892

На основании результатов испытаний склонности к пенообразованию, играющих немаловажную роль при эксплуатации оборудования, установлено, что все испытанные лабораторные образцы после введения антипенных присадок соответствуют требованиям по допустимому уровню антипенных свойств. Объем образовавшейся пены при пропускании в масло воздуха через специальный шарик-диффузор снизился с 220 см³ до 50 см³ при температуре испытания 24°С; с 40 см³ до 20-25 см³ при температуре испытания 93,5 °С; и с 230 см³ до 40 см³ при температуре испытания 24°С после 94°С. Период разрушения пены до 5 см³ составил не более 10 минут.

Таким образом, испытанные присадки показали близкий уровень по пеногасящей способности. Графически данные исследования проиллюстрированы на рисунке 4.

Рисунок 4 ‒Склонность к пенообразованию образца редукторного масла

Согласно расчетным данным, введение 0,005% масс. антипенной присадки ПМС-200А снижает объем пены исходного образца редукторного масла на 77,3 %, 37,5% и 82,6% при испытаниях I,IIи IIIэтапов, соответственно. При этом стабильность пены не превышает – 1-5 см³.

Введение 0,005% масс. антипенной присадки InfineumC9496снижает объем пены исходного образца редукторного масла на 77,3 %, 50,0 % и 82,6% при испытаниях I,IIи IIIэтапов, соответственно. Достигается полное отсутствие стабильной пены после испытания.

В результате выполненной работы установлена возможностьустранения негативного влияния пенообразования – одной из важных характеристик эксплуатации редукторных масел.

Выводы

Данное исследование посвящено вопросам, связанным с работой промышленного приводного и редукторного оборудования. Выявлены возможные проблемы при его эксплуатации, связанные с пенообразованием применяемых редукторных масел.

Освоен метод определения склонности к пенообразованию смазочных масел в соответствии с требованиями ASTMD892.

Проведены испытания образца редукторного масла до введения в состав антипенной присадки.

Экспериментально установлено, что образец редукторного масла без антипенной присадки не обеспечивает качества по одному из основных эксплуатационных свойств ‒ антипенным. Объем пены превысил 200 см³ при норме на масло «не более 100 см³».

Проведены сравнительные исследования образца редукторного масла при введении антипенных присадок отечественного и импортного производства.

Выбранные для исследования марки антипенных присадок показали близкую эффективность. Установлено, что введение в состав масла антипенныхприсадок в количестве 0,005 % масс. не зависимо от марки производителяболее чем на 77% снижает объем образовавшейся пены при испытаниях по этапам Iи III, и более чем на 37% снижает объем образовавшейся пены при испытаниях по этапу II, практическиполностью исключая ее стабильность.

Список использованной литературы

ASTM Standard D892.Standard Test Method for Foaming Characteristicsof Lubricating Oils (Стандартный метод определения характеристик вспениванияс мазочных масел).

Анисимов И.Г., Бадыштова К.М., Бнатов С.А. и др. Топлива. Смазочные материалы. Технические жидкости. Ассортимент и применение. Справочник под ред. В.М. Школьникова. – М.: Изд-во центра «Техинформ» Международной академии информации, 1999. – 596 с.

Баннов П.Г. Основы анализа и стандартные методы контроля качества нефтепродуктов. ‒ М.: ЦНИИТЭнефтехим., 205. ‒ 792 с.

Бонер Ч. Дж. Редукторные и трансмиссионные масла. М.: Химия, 1967 г.  539 с.

Кичкин Г.И., Виленкин А.В. Масла для гидромеханических трансмиссий автомобилей и тракторов (колесных и гусенечных).‒М.: ГОСТОПТЕХИЗДАТ, 1963. ‒142с.

Кламанн Д. Смазки и родственные продукты. Синтез. Свойства. Применение. Международные стандарты.: Пер. с англ./Под ред. Ю.С. Заславского. ‒ М.: Химия, 1988. ‒ 488 с.

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

Рудник Л.Р. Присадки к смазочным материалам. Свойства и применение: пер. с англ. яз.2-го изд. под ред. А.М. Данилова. СПб. : ЦОП «Профессия», 2013. ‒928 с., ил.

[Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://itwpenta.ru

[Электронный ресурс]. – Режим доступа: https://www.infineum.com