ВЛИЯНИЕ ВЫСОКОДИСПЕРСНЫХ ЧАСТИЦ ЗАГРЯЗНЕНИЙ НА ИЗНОС ПОВЕРХНОСТЕЙ ТРЕНИЯ

В 40-х годах прошлого столетия Е.Г. Семенидо впервые высказал гипотезу о том, что продукты окисления масла, находясь в высокодисперсном состоянии и попадая между поверхностями трения, оказывают буферное влияние. Выдвинутая теория нашла в последние годы экспериментальное подтверждение в работах ряда ученых, которые отмечают, что частицы примесей неорганического происхождения размером 5 мкм и менее являются как бы естественной противоизносной присадкой в маслах. При этом большинство исследований [1–4] и др.[1–5] положительное воздействие мелких частиц на свойства масел объясняют тем, что такие частицы, обладая развитой удельной поверхностью, способны адсорбировать на себе полярно-активные продукты окисления масла которые изолируют таким образом абразивные механические примеси от поверхностей трения и предупреждают изнашивание.

Если частицы не имеют на своих поверхностях защитной оболочки, они способны вызвать интенсивное изнашивание. Это наблюдается тогда,

когда частицы имеют размер более 5 мкм и адсорбционное действие либо не проявляется вообще, либо очень слабо [1, 2].

Кроме того, такие частицы способны снизить удельные нагрузки между поверхностями трения, так как заполняют впадины микровыступов и нивелируют поверхности трения [6, 7].

Известно, что металлические поверхности, разделенные масляной пленкой, при трении электризуются. При этом одна поверхность приобретает положительный заряд, другая отрицательный. Вследствие трибоэлектрического эффекта между поверхностями трения возникает разность потенциалов, величина которой зависит от электрической

прочности и проводимости масляной пленки [1, 8].

Уравнение, описывающее электропроводность σ_к суспензии «масло-частицы примесей», имеет следующий вид [8]

(1)

где В – коэффициент пропорциональности;

S^’_o – объем частиц загрязнения;

K – коэффициент, равный отношению числа частиц после диспергирования к начальному числу частиц;

– фактор преобразования площади частиц;

е, к, m – заряд, время свободного пробега и масса электрона;

Е – энергия активации;

К_В – постоянная Больцмана;

Т – температура.

Как следует из формулы (1), электропроводность σ_к суспензии при прочих равных условиях зависит только от величины коэффициента k, с увеличением которого возрастает σ_к.

Большое значение также имеет механическая прочность (поверхностное натяжение) масляной пленки. Чем она ниже, тем при меньшей толщине происходит разрыв пленки, приводящий к потери электропроводности трущихся сопряжений. В этой связи присутствие в масле высокодисперсных частиц повышает его поверхностное натяжение α_к, что подтверждается следующим уравнением [8]

……………………….. ………………………….(2)

где – поверхностное натяжение масел без частиц примесей;

– поверхностное натяжение частиц;

S^’_о – начальная площадь поверхности частиц;

v – объем масляной пленки;

n_о – начальная концентрация частиц.

Из выражения (2) следует, что по мере увеличения величины коэффициента k, то есть по мере повышения числа (уменьшения размеров) частиц возрастает поверхностное натяжение (механическая прочность) суспензии, что позволяет пленке при относительно больших толщинах сохранять электропроводность.

Если в формулах (1) и (2) принять S^’_о =0 (масло полностью очищено от частиц загрязнений), то получим, что σ_к= σ₀= 0, а = = . Таким образом, масло без частиц теоретически не обладает электропроводностью, а его поверхностное натяжение меньше .

Если принять k=1, то, как видно из формул (1) и (2), электропроводность σ_к= 1 и поверхностное натяжение =1 суспензии будут меньше соответственно, σ_к и .

Следовательно, справедливы неравенства [1]

σ₀ < σ_к=1 < σ_к ; (3)

₀ < _к=1 < _к . (4)

Из сказанного не следует, что количество частиц, размеры которых приводят к минимизации сил трения и скорости изнашивания (5 мкм и менее), должно быть неограниченно большим. Значительное количество частиц загрязнений может вызвать забивание канавок и отверстий подвода масла к подшипникам, интенсифицировать образование низкотемпературных отложений. Кроме того, большое содержание мелких частиц способствует образованию абразивной среды, которая проходя с большими скоростями

через зазоры, вызывает интенсивное гидроабразивное изнашивание, а при

истечении через калиброванные распределительные отверстия деформирует и искажает конфигурацию их кромок, изменяет расход масла.

Многие исследователи приводят и другие причины положительной роли высокодисперсных частиц. Например, в [9] отмечается, что мелкие частицы выполняют функции притирочной пасты, которая обеспечивает постоянную приработку контактирующих деталей. При этом частицы загрязнений дисперсно разделяют поверхности трения, а наличие адсорбированных пленок превращает частицы в химически неагрессивные по отношению к маслу компоненты [1–7, 10].

По данным [1, 5] частицы размером до 5 мкм способствуют уменьшению скорости окисления масла и падения его щелочности на 20…50% от их начальной величины, снижают на 20…50% загрязненность масел, применяемых в качестве рабочих жидкостей, и удваивают сроки их службы в гидроприводах.

По мнению авторов [11] увеличение износа пропорционально размеру частиц, а при очистке масла фильтрами, имеющими номинальную тонкость

очистки 5….10 мкм, практически прекращается износ деталей гидроаппаратуры, вызванный загрязненностью масла [12].

Многиеисследователи придают большое значение соотношению величины зазора и размера частиц, считая, что изнашивающее воздействие оказывают только те абразивные частицы, размер которых больше толщины масляной пленки [12, и др.]. Поэтому диспергируя частицы или увеличивая толщину пленки, можно добиться уменьшения числа частиц, участвующих в изнашивании. Причем эти частицы не только ускоряют приработку, но и значительно уменьшают силу трения в контакте, которая меньше, чем в масле без абразива. При этом частицы формируют фактическую площадь контакта, способствуют ее увеличению, в результате чего может быть повышена нагрузка трения.

По мнению П.Н.Белянина и В.М. Данилова [11], если наибольший размер частиц загрязнения меньше величины зазора, то такие частицы вместе с маслом свободно проходят через него, не вызывая повреждения поверхности. Частицы, большие, чем размер зазора, в него не попадают, однако, могут вызвать частичную или полную закупорку и ухудшение условия попадания масла в зазор.

Как следует из приведенного выше анализа литературы, положительное воздействие высокодисперсных частиц на свойства масел несомненно. Именно поэтому в литературе [1, 3, 6 и др.] появились сведения об исследованиях по искусственному диспергированию крупных частиц загрязнений в масле непосредственно в процессе эксплуатации машин.