ВЛИЯНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ СМАЗКИ И СОСТАВА МОДИФИЦИРУЮЩЕГО МАТЕРИАЛА ДЛЯ УПРОЧНЕНИЯ ШЕЕК КОЛЕНЧАТОГО ВАЛА НА ТРИБОТЕХНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ПОДШИПНИКОВ СКОЛЬЖЕНИЯ ДИЗЕЛЯ

Леонтьев Л.Б.¹, Шапкин Н.П.², Макаров В.Н.³, Токликишвили А.Г.⁴

¹Доктор технических наук, профессор, ²доктор химических наук, профессор, ³магистрант, Дальневосточный федеральный университет; ⁴ассистент, морской государственный университет имени адмирала Г.И. Невельского

ВЛИЯНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ СМАЗКИ И СОСТАВА МОДИФИЦИРУЮЩЕГО МАТЕРИАЛА ДЛЯ УПРОЧНЕНИЯ ШЕЕК КОЛЕНЧАТОГО ВАЛА НА ТРИБОТЕХНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ПОДШИПНИКОВ СКОЛЬЖЕНИЯ ДИЗЕЛЯ

Аннотация

В статье рассмотрено влияние температуры смазки и состава износостойкого покрытия, формируемого на шейках коленчатого вала, на триботехнические свойства сопряжения «шейка коленчатого вала – вкладыш подшипника» судового среднеоборотного дизеля. Показана перспективность модифицирования шеек коленчатого вала минеральными материалами и металлосилоксаном для повышения износостойкости трибосопряжения.

Ключевые слова: коленчатый вал, модифицирование, износостойкость

Leontev L.B.¹, Shapkin N.P.², Makarov V.N.³, Toklikishvili A.G.⁴

¹Doktor technical sciences, professor, ²doktor chemical sciences, professor, ³magistrant, Far Eastern Federal University, ⁴assistent, Maritime State University named after Admiral G.I. Nevelsky

THE INFLUENCE OF THE TEMPERATURE OF THE LUBRICANT AND THE COMPOSITION OF MODIFYING MATERIAL FOR HARDENING OF THE NECKS OF THE CRANKSHAFT ON THE TRIBOLOGICAL BEHAVIOR OF THE BEARINGS, DIESEL

Abstract

The article considers the effect of temperature lubrication and wear-resistant coating composition formed on the crankshaft journal, on the tribological properties of the interface "neck crank shaft – bearing" medium-speed marine diesel engine. The prospects of modifying the crankshaft journals and mineral materials to increase wear metallosiloksanom tribomating.

Keywords: crankshaft, modification, wear

Ресурс судового среднеоборотного дизеля до капитального ремонта зависит в основном от состояния кривошипно-шатунного механизма, а коленчатый вал — главное звено этого механизма. Шейки вала подвержены трению скольжения при больших скоростях и высоких удельных давлениях. Наиболее характерными дефектами коленчатых валов судовых среднеоборотных дизелей (СОД) являются: износ и задиры шеек, деформации, коррозия и др. [1]. Для повышения износо- и задиростойкости трибосопряжений применяют тонкопленочные покрытия получаемые путем модифицирования поверхностей трения слоистыми силикатами [2].

Температура циркуляционного смазочного масла на входе в дизель для обеспечения заданной вязкости в зависимости от марки двигателя находится в пределах 40–60 °С. Для определения влияния температуры смазочного масла на триботехнические свойства пары трения «шейка коленчатого вала – вкладыш подшипника» были проведены ускоренные испытания в течение 1 ч при нагрузке 400 Н в условиях трения при граничной смазке с использованием следующих материалов для модифицирования стали 45 твердостью 212 HB: серпентинит; металлосилоксановый полимер; алюмосиликат, модифицированный металлосилоксаном; алюмосиликат и алюмосиликат, модифицированный полисахаридом и карбонатом магния.

Модифицирование поверхности стального образца минеральными материалами и металлосилоксаном осуществляли фрикционным методом.

Триботехнические испытания проводили на универсальной машине трения УМТВК по схеме "ролик – колодка" в условиях трения при граничной смазке при скорости скольжения 0,628 м/с. В качестве неподвижного образца использовались колодки, вырезанные из вкладышей подшипников типа «Rillenlager» («Miba» 33).

Результаты испытаний представлены на рис. 1–3. В качестве базовой была взята пара трения «сталь 45 – вкладыш». Испытания контрольной пары (с неупрочненным стальным образцом) позволили установить, что с увеличением температуры подогрева смазки и образца свыше 40 ºС происходит рост резкий рост коэффициента трения с 0,008 до 0,023 (рис. 1). Модифицирование поверхности стали металлосилоксаном, серпентинитом и алюмосиликатом позволяет избежать существенного роста коэффициента трения во всем диапазоне температур подогрева смазки (коэффициент трения возрастает с 0,007–0,008 при 20 ºС до 0,010 при 60 ºС).

Модифицирование поверхности стали алюмосиликатом, модифицированным металлосилоксаном и алюмосиликатом, модифицированным полисахаридом и карбонатом магния, позволяет получить эффект снижения величины коэффициентов трения по мере роста температуры смазки.

Рис. 1 – Зависимости коэффициента трения для трибосопряжения
«вал – вкладыш» при граничной смазке в зависимости от температуры предварительного нагрева смазки и материала для модифицирования стали:  
1 – контрольный образец;  2 – алюмосиликат, модифицированный металлосилоксаном;  3 – алюмосиликат, модифицированный
полисахаридом и карбонатом магния;  4 – металлосилоксан; 
5 – серпентинит;  6 – алюмосиликат

Скорость изнашивания контрольного стального образца возрастает при повышении температуры смазки, особенно интенсивно в диапазоне температур 20–40 ºС. Скорость изнашивания упрочненных стальных образцов или уменьшается с увеличением температуры подогрева или незначительно возрастает (рис. 2). Наилучшие результаты повышения износостойкости в рабочем диапазоне подогрева смазки (40–60 ºС) обеспечивают алюмосиликат, модифицированный металлосилоксаном (снижение скорости изнашивания более чем в 10 раз) и алюмосиликат, модифицированный полисахаридом и карбонатом магния (снижение скорости изнашивания более чем в 7,4 раза).

Рис. 2 – Зависимости скоростей изнашивания стали 45 в условиях трения при граничной смазке в трибосопряжении «вал – вкладыш» от температуры предварительного нагрева смазки и материала для модифицирования стали:
1 – алюмосиликат, модифицированный металлосилоксаном;  2 – алюмосиликат, модифицированный полисахаридом и карбонатом магния; 3 – металлосилоксан; 
4 – серпентинит;  5 – алюмосиликат;  6 – контрольный образец

Скорость изнашивания трибосопряжения со стальным неупрочненным образцом из стали по мере роста температуры увеличивается, причем наиболее интенсивно в диапазоне температур 40–60 º (рис. 3). Модифицирование стали минеральными и органоминеральными материалами позволяет существенно снизить скорости изнашивания сопряженных поверхностей трения по сравнению с парой трения с контрольным образцом.

Наибольшую износостойкость во всем диапазоне температур подогрева смазки обеспечивает упрочнение алюмосиликатом, модифицированным полисахаридом и карбонатом магния, причем скорость изнашивания по мере увеличения температуры повышается незначительно (снижение скорости изнашивания более чем в 8,5 раза). Также высокую износостойкость в диапазоне температур 40–60 º (рис. 3) обеспечивает покрытие, полученное в результате модифицирования стали алюмосиликатом, модифицированным металлосилоксаном (снижение скорости изнашивания более чем в 10 раз).

Рис. 3 – Зависимости скоростей изнашивания трибосопряжения «вал  – вкладыш» при граничной смазке в зависимости от температуры предварительного нагрева смазки и материала для модифицирования стали: 
1 – контрольный образец;  2 – алюмосиликат, модифицированный металлосилоксаном;  3 – металлосилоксан;
4 – алюмосиликат, модифицированный полисахаридом и карбонатом магния; 
5 – серпентинит;  6 – алюмосиликат

Модифицирование металлосилоксаном эффективно при температуре подогрева масла 40 ºС (снижение скорости изнашивания в 3 раза).

Модифицирование серпентинитом обеспечивает незначительное влияние температуры подогрева смазки на скорость изнашивания, однако эффект от его применения значительно ниже, чем от упрочнения алюмосиликатом, модифицированным полисахаридом и карбонатом магния или алюмосиликатом, модифицированным металлосилоксаном.

Температура в зоне трибоконтакта пар трения плавно увеличивается по мере роста температуры подогрева масла. Модифицирование минеральными материалами (за исключением алюмосиликата) и металлосилоксаном позволяет снизить температуру в зоне трибоконтакта примерно в 2 раза.

Таким образом, анализ результатов сравнительных триботехнических испытаний пары трения «шейка коленчатого вала – вкладыш подшипника» в условиях трения при граничной смазке при различных температурах и упрочняющих покрытиях позволил установить, что модифицирование поверхности стали минеральными материалами и металлосилоксаном позволяет во всем диапазоне температур подогрева смазки повысить износостойкость сопряжения, снизить величины коэффициентов трения и температуры в зоне трибоконтакта и тем самым существенно повысить надежность трибоузла и, соответственно, надежность дизеля.