Содержание к диссертации
Введение
1 Состояние вопроса и задачи исследований 10
1.1 Состав и свойства пластичных смазок, используемых в узлах трения сельскохозяйственной техники 10
1.2 Анализ присадок и добавок для повышения эксплуатационных свойств пластичных смазок 21
1.3 Современные технологии и устройства для получения графеновых материалов и смешивания смазок с добавками 30
1.4 Выводы и задачи исследований 43
2 Теоретические предпосылки исследования процесса механоактивациии и модифицирования смазок для повышения их эксплуатационных свойств 52
2.1 Анализ процессов движения шаров в барабане планетарной мельницы при механоактивации смазки 52
2.2 Обоснование параметров процесса модифицирования смазки графеносодержащими компонентами 52
2.3 Теоретическая оценка показателя эффективности работы модифицированной пластичной смазки в узлах трения 59
2.4 Выводы 65
3 Программа и методики экспериментальных исследований 66
Программа исследований 67
3.1 Методика исследований процесса механоактивации смазки в планетарной мельнице 67
3.2 Методика приготовления графенового концентрата и модифицирования пластичных смазок в дисковом смесителе 69
3.3 Определение прочностных характеристик пластичных смазок 72
3.4 Определение теплопроводности составов смазок с добавками графенового концентрата 72
3.5 Оценка теплоемкости составов смазок 74
3.6 Методика проведения исследований по определению защитных, антикоррозионных свойств экспериментальных составов пластичных смазок 76
3.7 Определение противоизносных свойств экспериментальных составов пластичных смазок 77
3.8 Методика определения антифрикционных свойств смазок 79
3.9 Методика стендовых испытаний смазок в подшипниках качения 82
3.10 Методика производственных испытаний смазок в узлах трения сельскохозяйственной техники 83
4 Результаты экспериментальных исследований 86
4.1 Результаты исследований процесса механоактивации смазки в планетарной мельнице 86
4.2 Обоснование компонентного состава графенового концентрата 92
4.3 Результаты исследований по модифицированию пластичных смазок графеновым концентратом в дисковом смесителе 97
4.4 Определение предела прочности на сдвиг пластичных смазок, обогащенных графеновым концентратом 100
4.5 Результаты исследований по оценке теплопроводности пластичных смазок с добавками концентрата 103
4.6 Результаты исследований по определению теплоемкости смазок 109
4.7 Результаты оценки коррозионных свойств смазок 113
4.8 Результаты сравнительной оценки противоизносных свойств экспериментальных составов пластичных смазок 118
4.9 Результаты определения антифрикционных свойств смазок 120
4.10 Результаты стендовых испытаний экспериментальных составов смазок в подшипниках качения 123
4.11 Результаты производственных испытаний смазок в узлах сельскохозяйственной техники 126
4.12 Выводы 131
5 Технология повышения эксплуатационных свойств пластичных смазок 133
6 Технико – экономическая оценка эффективности использования смазок с улучшенными характеристиками в узлах трения сельскохозяйственной техники 140
Заключение 144
Список используемой литературы 146
Приложения 156
- Анализ присадок и добавок для повышения эксплуатационных свойств пластичных смазок
- Методика определения антифрикционных свойств смазок
- Результаты оценки коррозионных свойств смазок
- Технология повышения эксплуатационных свойств пластичных смазок
Введение к работе
Актуальность темы. От качества, состава и свойств используемых масел и смазок зависит эффективность работы машин, их срок службы и затраты на эксплуатацию. Пластичные смазки в общем объеме используемых смазочных материалов составляют 8-10 процентов. При этом пластичные смазки работают в гораздо более тяжелых условиях нагрузок, давления, где смазочные масла являются не работоспособными. Одними из наиболее востребованных в условиях сельскохозяйственного производства являются пластичные смазки Литол-24 и Солидол-Ж. Данные смазки обладают высокими вязкостными характеристиками, имеют достаточно устойчивый структурный каркас, хорошо восстанавливаются после разрушения связей, но при этом уступают некоторым видам смазок по антиокислительным, температурным и трибологическим показателям, что приводит к увеличению износа подшипников и трущихся пар. Улучшение свойств смазок может быть достигнуто введением в них различного рода присадок, трибопрепаратов, наполнителей и добавок, что позволит снизить затраты на ремонт техники, увеличить срок ее службы и уменьшить объем потребления дорогостоящих смазочных материалов.
Работа выполнена в рамках Федеральной целевой программы
«Исследование и разработка по приоритетным направлениям развития научно -технологического комплекса России на 2014-2020 гг при поддержке гранта РФФИ № 15-38-50829 мол_НР, и в соответствии с заданием Россельхозакадемии 09.04.07 «Разработать технологии, новые материалы, приборы и оборудование для эффективного использования моторного топлива и смазочных материалов».
Степень разработанности темы. Проблемами повышения эффективности использования техники и нефтепродуктов в АПК плодотворно занимались такие ученые как Григорьев М.А., Удлер Э.И., Коваленко В.П., Рыбаков К.В., Картошкин А.П, Балабанов В.И., Ленский А.В., Уханов А.П., Лебедев А.Т., Афоничев Д.Н., Остриков В.В., Кузнецов Н.А. и др.
Вопросам улучшения эксплуатационных свойств пластичных смазок посвящены труды Бакалейникова М.Б., Сафонова В.В., Ищюка Ю.Л., Гришина Н.Н., Вайнштока В.В., Фукса И.Г., Дружинина Г.В., Boner C.Y. Verdu T.M. и др.
Достаточно перспективным направлением повышения эксплуатационных свойств пластичных смазок является введение в их состав трибопрепаратов нового поколения, ремонтно-восстановительных составов, нанокомпозитных материалов, позволяющих увеличить противоизносные, антифрикционные, антиокислительные и другие свойства смазок. Однако использование дорогостоящих добавок к смазкам является не всегда экономически оправданным.
Включение в состав смазок элементов графита способствует повышению их смазывающих свойств, но только в определенных условиях использования смазок, а применение графеновых структур для улучшения свойств смазок резко увеличивает затраты на их приготовление и соответственно цену конечного продукта.
Решением задач получения и использования наноматериалов, графенов и других современных трибопрепаратов успешно занимались Leon V., Hernoro M.A., Bnuna M., Kim H.M., Sun W., Wang Y, Ткачев А.Г., Першин В.Ф., Пригожин И.Р., Поляков А.А. и др.
В настоящее время не достаточно изучены вопросы изменения свойств смазок под действием графеновых компонентов, нет научного обоснования рациональных концентраций их внесения в товарные смазки Солидол-Ж и Литол-24, отсутствуют эффективные методы и технологические процессы смешивания смазок с добавками.
Остаются нерешенными задачи получения высококачественных пластичных
смазок для АПК, продлевающих срок службы узлов трения сельхозтехники при
адекватных затратах на компоненты добавок к смазкам. Требуют решения
вопросы совершенствования технологии облагораживания смазок добавками,
определения наиболее информативных показателей эффективности работы
смазок в узлах трения изношенной техники.
Целью работы является повышение эксплуатационных характеристик товарных пластичных смазок для увеличения ресурса узлов трения сельскохозяйственной техники и снижения затрат на ремонт машин.
Объект исследований – технологический процесс механоактивации и модифицирования пластичной смазки добавками на основе графенов.
Предмет исследований – закономерности изменения структуры и свойств смазок в процессе механоактивации и модифицирования.
Научную новизну работы составляют:
математические зависимости движения шаров в барабане планетарной мельницы в процессе механоактивации смазки для повышения ее трибологических свойств;
параметры и режимы процесса модифицирования пластичной смазки графеновыми добавками в дисковом смесителе, позволяющего получить однородную структуру смазки;
показатель эффективности работы модифицированной пластичной смазки, базирующийся на анализе противоизносных свойств смазок, характеризуемых изменением диаметра пятна износа;
зависимости изменения эксплуатационных свойств пластичных смазок под действием добавок графенового концентрата.
Техническая новизна работы подтверждена патентом на полезную модель № 168829 «Планетарная мельница для механоактивации пастообразных материалов» от 16 мая 2016 г.
Теоретическая и практическая значимость работы: полученные результаты теоретических исследований позволяют определять режимы и параметры процесса структурирования графита, оценить эффективность процессов модифицирования смазки графеновым концентратом. Оценка эффективности работы смазки в узле трения проводилась на основании теоретического анализа трибологических свойств смазок по изменению диаметра пятна износа. Применение модифицированного состава товарных смазок и
технологии получения смазок с добавками графеновых концентратов позволяет повысить эксплуатационные свойства смазки, снизить износ и продлить межремонтный ресурс сельскохозяйственной техники.
Методология и методы исследований. Теоретические исследования по обоснованию процессов структурирования добавок графенами проводились на основании известных законов математики и теоретической механики. Обоснование эффективности процессов смешивания смазок проводилось с учетом законов гидродинамики и физики. Физико-химические и эксплуатационные характеристики смазок определялись с использованием ГОСТовских методик. Теплоемкость, теплопроводность, прочностные свойства, защитная эффективность составов смазок оценивалась на современном исследовательском оборудовании ТГТУ и наноцентра ТГУ им.Г.Р. Державина. Стендовые испытания смазок в подшипниках качения осуществляли на специальном стенде лаборатории использования смазочных материалов ФГБНУ ВНИИТиН. Обработка результатов исследований проводились с использованием методов математической статистики, современных программ ЭВМ обработки данных. Производственные испытания смазок проводились в реальных условиях эксплуатации техники в колхозе - ПЗ имени Ленина Тамбовского района Тамбовской области.
На защиту выносятся следующие основные положения:
- математические зависимости процесса движения шаров в планетарной
мельнице в процессе механоактивации пластичной смазки;
- параметры и режимы процесса модификации смазок графеновыми
добавками в дисковом смесителе;
- показатель эффективности работы пластичной смазки в зависимости от ее
противоизносных свойств, обеспечиваемых действием добавки графенового
концентрата;
- результаты экспериментальных исследований составов и свойств
пластичных смазок модифицированных добавками графеновых концентратов;
- усовершенствованная технология механоактивации и модифицирования
пластичных смазок для улучшения их эксплуатационных характеристик.
Личный вклад автора. Автору принадлежит разработка программы и
методики экспериментальных исследований. Участие в проведении
теоретических исследований и математического анализа процессов получения модифицированных графеносодержащих смазок. Непосредственное участие в проведении экспериментальных исследований составов смазок в лабораторных, стендовых и производственных условиях и обработке экспериментальных данных.
Степень достоверности и апробация работы подтверждается
достаточным количеством выполненных экспериментов, использованием современных общепринятых методик, ГОСТов, приборов и оборудования, схождением результатов, полученных теоретическими и экспериментальными исследованиями, получением полученных результатов с данными других исследователей по соответствующей тематике, внедрением полученных результатов в производство, выступлениями с докладами на международных
конференциях с результатами исследований, одобрением и публикацией материалов в ведущих журналах.
Результаты исследований были доложены, обсуждены и получили
положительную оценку на Международной научно – практической конференции
«Устойчивое развитие регионов», ФГБОУ ВО ТГТУ, г. Тамбов, 2016,
Международной научно – практической конференции «Вопросы образования и
науки в ХХI веке, 2016 г, the international conference Semiconductor Micro-and
Nanoelectronics, Armenia, Yerevan, 2017, Международной научно - практической
конференции « Europen Research Innovation in Science, education and Technology,
Москва, 2016, ХIХ Международной научно – практической конференции
«Повышение эффективности использования ресурсов при производстве
сельскохозяйственной продукции», Тамбов, ФГБНУ ВНИИТиН, 2017,
Международной научно – технической конференции «Машиностроение и техносфера ХХI века», 2017 г, г. Севастополь.
Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 13 печатных работ, в том числе 4 в изданиях ВАК РФ, 1 статья в международном журнале, индексируемом в базе данных Scopus, получен один патент на полезную модель. Объем публикаций составляет 3,5 п.л., из них 2,1 п.л. принадлежит лично автору.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, шести глав, общих выводов, заключения, списка используемой литературы из 115 наименований и 8 приложений. Работа изложена на 187 страницах, содержит 88 иллюстраций, 15 таблиц.
Анализ присадок и добавок для повышения эксплуатационных свойств пластичных смазок
Для повышения эксплуатационных свойств смазок в них дополнительно вводят различного рода присадки, наполнители, модификаторы, нанокомпоненты металлов, природных материалов и т.д. Присадки к пластичным смазкам подразделяются на антиокислительные, противоизносные, противозадирные, защитно – консервационные и другие [25,26,27,28,29,30,31,32,33], рисунок 1.6.
Рассматривая влияние присадок на свойства смазок ВНИИ НП [14] установлено значительное повышение трибологических характеристик пластичных смазок, таблица 1.1.
Анализируя данные таблицы 1.1 следует отметить, что добавление 3 % масс. присадок к смазке позволяет значительно повысить ее трибологические свойства.
В качестве наполнителей широко используют порошки бронзы, меди, алюминия, олова, оксиды цинка меди, титана, которые добавляют в готовую смазку в количестве 1-30 % [12].
Влияние природы некоторых наполнителей на трибологические свойства смазки представлено в таблице 1.2.
Добавление к смазке на литиевой основе 10 % наполнителя дисульфида молибдена позволяет увеличить критическую нагрузку сваривания более чем в два раза, а использование слюды наоборот снижает критическую нагрузку сваривания. Для условий работы смазки в узле трения одной из важнейших характеристик является коэффициент трения.
Наполнители, вносимые в смазку в зависимости от концентрации их внесения, могут не влиять на одни трибологические показатели и увеличивать другие.
Например, в работе [12] показана роль влияния графита на антифрикционные свойства смазки, таблица 1.3.
Анализируя данные таблицы 1.3 отметим, что внесение в смазку 30 % графита позволяет снизить коэффициент трения.
Однако если рассматривать динамику увеличения концентрации наполнителя графита в смазке, то можно увидеть, что увеличение концентрации наполнителя в 15 раз позволяет снизить f только в 2 раза, что ставит задачи необходимости проведения исследований по повышению эффективности действия наполнителя и снижения его концентрации.
В некоторых источниках [34-43] добавляемые в смазочные масла, пластичные смазки – дисульфид молибдена, графит, фриктол, молиприз и др., позиционируются как модификаторы трения. Это по большей части порошки, состоящие из элементов слоисто – решетчатой структуры с низким усилием сдвига между слоями.
Слоистые модификаторы заполняют микронеровности поверхности трения, создавая тем самым своего рода пленку.
Эффективность работы добавок графита и дисульфида молибдена может зависеть от дисперсного состава частиц и их концентрации в смазке. При недостаточной концентрации и слишком мелких размерах частиц (рисунок 1.7) частицы добавки способны проваливаться во впадины и оказываться не эффективными.
Увеличение концентрации и дисперсного состава частиц до определенного уровня повышает эффективность заполнения микронеровностей. Однако в составе смазки, когда она превращается практически в «жидкое» состояние, снижается стабильность частиц и они могут образовывать нежелательное увеличение сводо-образования.
Как указывается в работах Volinsky A.A., Moody N.R. в процессе применения модификаторов имеет место химическая метаморфоза. При трении поверхностей деталей нагреваются до высоких температур и происходит замещение атомов той или иной добавки на атомы железа, из которого состоят детали, т.е. чтобы модификатор начал работать должно произойти его разрушение [37].
Представляет значительный научный интерес выдвинутая Гаркуновым И.В. теория избирательного переноса [41].
В соответствии с трактовкой избирательный перенос (ИП) возникает в результате протекания на поверхности контактирующих тел химических и физических процессов, приводящих к образованию самоорганизующихся систем автокомпенсации износа и снижения коэффициента трения. Для этого явления характерно образование защитной пленки, в которой реализуется механизм деформации, протекающий без накопления дефектов. Новым является вакансионно – дислокационный механизм сдвига при ИП, рассмотренный Поляковым А.А. Им определено, что ИП – это своеобразный вид трения, осуществляемый, как внутреннее трение в спонтанно возникающей пленке, которая образуется на поверхности трения при определенных сочетаниях смазочного материала и материалов трущихся деталей. Образующаяся пленка повышает износостойкость поверхностей и снижает коэффициент трения [32].
В работах классиков ИП показано, что данный эффект не универсален и зависит от условия его реализации. Для его прохождения необходимо наличие в триаде трения определенного комплекса.
Явление ИП обусловлено термодинамическими системами трения. Свойства этих систем раскрыты Пригожиным И.Р., который установил возможность высокой самоорганизации физических и химических систем при определенных термодинамических условиях [26].
Открытие избирательного переноса при трении позволило разработать новые материалы и технологии, позволяющие значительно сократить продолжительность приработки и повысить ресурс узлов трения. Образование сервовитных пленок может происходить и в соединениях, не содержащих мягкие металлы.
В последнее десятилетие в связи с развитием технологий появляется все больше новых триботехнических материалов, таких как нанопорошки металлов, углеродов, повышающих эксплуатационные свойства пластических смазок.
Важнейшим фактором, препятствующим их широкому внедрению, является высокая стоимость наноматериалов, связанная с затратами на их получение.
Одним из перспективных компонентов, используемых для повышения свойств смазок является графит и графены.
При этом графит, находящийся в дисперсном диапазоне 3 – 10 мкм, считается абразивным материалом.
Известна смазочная композиция, предусматривающая использование терморасширенного графита (патент RU 2428462 МПК С 10М177/00; С10М125/02, опубликован 10.09.2011). Исходный состав для приготовления смазочной композиции, масс. %, высокоориентированный пиролитический графит и мелкодисперсный графитовый порошок 12 -15; порошок фуллерена С60 или С70 – 0,8-1, пластичная смазка остальное.
Сущность способа получения смазочной композиции заключается в смешивании мелкодисперсного графитового порошка с искусственно высокоориентированным пиролитическим графитом в соотношении 5:1. Полученная смесь выдерживается не менее 16 часов при перемешивании в 70 %-ном растворе серной и азотной кислот для получения окисленного графита. Затем порошок промывают и сушат. После чего нагревают до 1000-1200 С.
Терморасширенный графитовый материал вводят в спирт и подвергают ультразвуковому диспергированию. Далее спирт отделяют, и добавляют к полученной субстанции порошок фуллерена С60 или С70 в массовом соотношении 15:1. Смесь термически обрабатывают при t=590 - 610 С под динамическим вакуумом не мене 15 дней. Подготовленный материал смешивают с консистентной смазкой Литол-24.
К недостаткам данного способа получения смазочной композиции следует отнести его сложность осуществления, высокую трудоемкость выполнения, использование сложного и дорогостоящего оборудования.
Также известна антифрикционная присадка с модификатором трения. В качестве модификатора трения используется шихта ультрадисперсного графито-алмазного порошка, при следующем соотношении компонентов: шихта 0,1 – 0,5% масс., остальное минеральное масло (патент RU 2225-8879. МПК С 10М 125/02; С10М 171/06; С10М 30/06. Опубликован 20.03.2004).
Основным недостатком данной присадки является ее низкая эффективность, которая проявляется только в первоначальный момент работы, на стадии приработки.
Методика определения антифрикционных свойств смазок
Исследования по определению антифрикционных свойств смазок проводили на смазках Литол-24, Солидол Ж и этих же смазках, прошедших механоакти-вацию с графеновым концентратом, оценивая коэффициент трения смазок.
Исследования проводили на универсальной машине трения УМТ-01 (рисунок 3.11), которая создана на базе сверлильного станка 1 и предназначена для проведения испытаний по определению коэффициентов трения различного рода материалов в условиях применения различных смазочных материалов. Метод испытаний основан на взаимном перемещении прижатых друг к другу с заданным усилием испытываемых образцов 2 и 3. Скорость вращения образца плавно регулировалась от 0 до 2500 об/мин, усилие прижима испытываемых образцов, от 50 до 1000 Н. Размер образцов: неподвижная круглая пластина диаметр 50 мм, три вращающиеся ролика диаметром 10 мм, Схема контакта: торец вращающегося ролика и плоскости неподвижного диска. Момент трения и осевая нагрузка регистрируется тензодатчиками.
В результате предварительных испытаний было установлено, что сила прижатия образцов неконтролируемо изменяется в диапазоне ±15%, а погрешность тензодатчика, с помощью которого фиксировалась окружная сила и рассчитывался момент трения, составляла ±10%. Для устранения указанных недостатков были внесены некоторые изменения в конструкцию машины.
В частности, устройство для закрепления неподвижной круглой пластины 3, через упорный подшипник 4 было установлено на весы 5 с пределом измерения 15000г и погрешностью ± 0,1 г, что позволило точно фиксировать усилие прижатия элементов пары трения.
Усилие G, создаваемое крутящим моментом трения М нитью 6 через блок 7 передавалось на гирю 8, установленную на весы 9 с точность измерения 0,001г. Численное значение силы G, определялось, как разность веса гири 8 и текущего показания весов. Было установлено, что при скольжении трех стандартных роликов происходит неконтролируемое удаление части смазки из зоны контакта пар трения. Для устранения данного недостатка использовали вращающиеся стальные кольца с наружным диаметром 40 мм и внутренними диаметрами: 10, 20 и 30 мм.
Момент трения рассчитывался по формуле: где т - касательные напряжения, действующие в зоне контакта элементов пары трения, р - текущий радиус, который может изменяться от внутреннего радиуса R1 кольца, до наружного - R2, А - область интегрирования (площадь кольца).
Если в качестве элементарной площади dA взять кольцо радиусом р и толщиной dp, то получим;
Приравняв (3.1) и (3.3) получим: т =
2TT(R23 -Rl3)
Численное значение коэффициента трения скольжения определяли по следующей формуле: где ст = Р/А- нормальные напряжения в зоне контакта элементов пары трения, А- площадь контакта.
При каждом сочетании Р и п (скорость вращения) проводили по 30 опытов с последующей статистической обработкой результатов.
Результаты оценки коррозионных свойств смазок
Защитные свойства пластичных смазок определяют возможность их использования в качестве консервационного материала [103,104,105].
В результате экспериментальных электрохимических исследований установлено, что скорость коррозии углеродистой стали сразу после погружения в 0,5М (3 %) раствор NaCl составляет 0,125 А/м2, потенциал коррозии равен -0,44 В (рисунок 4.29, таблица 4.2).
Нанесение на стальную поверхность товарного Солидола (h пленки =20±2 мкм) повышает потенциал коррозии Екор = -0,300В и снижает скорость коррозии стали до 0,0125 А/м2, соответственно величина защитного действия Z = 90 %.
Наличие пленки товарного Солидола существенно затормаживает анодную реакцию ионизации стали, в силу чего на порядок уменьшается скорость общей коррозии стали.
Добавление 0,25 - 2 масс.% графенового концентрата в Солидол приводит к незначительному повышению защитной эффективности композиции Z до 92 - 94 %, Екор остается равным - 0,300В.
Особенность действия добавки в Солидоле обусловлена тем, что помимо анодной затормаживается и суммарная катодная реакция
Этот дополнительный эффект и обуславливает снижение общей скорости коррозии с 10 до 17 раз.
Результаты электрохимических измерений, полученных в 0,05 М растворе NaCl представлены на рисунке 4.30 и в таблице 4.3. Установлено, что снижение концентрации поверхностно – активного аниона Сl- на стали Ст3 не оказывает принципиального влияния защитную эффективность композиций Солидола.
Полученные данные свидетельствуют о незначительном повышении защитной эффективности Солидола Ж при введении в него графеновой композиции, что в принципе объясняется его незначительной концентрацией в смазке.
Нанесение на стальную поверхность товарного Литола (h пленки =20±2 мкм) повышает потенциал коррозии Екор = -0,330В и снижает скорость коррозии стали в 0,05 М растворе NaCl до 0,010А/м2, величина защитного действия Z = 92 % (рисунок 4.31, таблица 4.4).
Результаты влияния добавок графеновой композиции на защитные свойства Литола аналогичны полученным для Солидола Ж(рисунок 4.32, таблица 4.5). Добавки графеновой композиции незначительно повышают защитную эффективность Литола.
Обобщая результаты исследований, следует сделать вывод, что введение графенового концентрата способствует некоторому увеличению защитных свойств товарных смазок. Наибольший эффект достигается при увеличении концентрации добавки к смазкам от 0,25 до 1 масс %. Общий незначительный положительный эффект определяется в первую очередь низкой концентрацией добавок в смазках. Возможно увеличение концентрации добавки и будет способствовать росту защитных свойств, но это приведет к росту затрат на получение смазки.
Технология повышения эксплуатационных свойств пластичных смазок
При разработке устройства были использованы результаты теоретических и экспериментальных исследований, которые приведены в главе 2 и разделе 4. Смеситель изготовлен согласно схеме, представленной в разделе 3.3, с той разницей, что высота ротора существенно уменьшена (10 мм), а зазор между ротором и корпусом увеличен до 0,15 мм. Данные изменения обоснованы тем, что в процессах приготовления графенового концентрата и модифицирования пластичных смазок предполагалось изменение зазора между неподвижной и движущейся поверхностями, причем в начале процессов указанный зазор должен составлять 0,1-0,15мм, а при переходе к последующим циклам обработки уменьшаться до 0,05мм. На лабораторной установке использовали сменные роторы, а на опытно-промышленной такой возможности нет.
Схема устройства представлена на рисунке 5.1.
Основным узлом устройства является смеситель, который состоит из корпуса 1, крышки 2 и ротора 3. Ротор установлен в подшипниках 4 и через муфту 5 соединен с электродвигателем 6. Исходная смесь подается в зазор (1) между корпусом и ротором цилиндрами 7 и 8. Перемещение поршней цилиндров осуществляется кривошипно-шатунным механизмом, состоящим из круглой платформы 9, которая приводится во вращение электродвигателем 10 через редуктор 11. Цилиндры крепятся к основанию (условно не показано) через шарниры 12 и 13. Рабочие полости цилиндров и смесителя соединены трубопроводом. Первоначально исходную смесь подают в систему, используя цилиндр 15 через открытый кран шаровый 15. Для подачи смеси в необходимых направлениях установлены краны шаровые 16-23.
Устройство работает следующим образом. После заполнения системы исходной смесью кран 15 закрывают. На схеме показан момент, когда точка шарнирного крепления штоков гидроцилиндров (т. А) перемещается из т. С в т. В. Смесь подается в смеситель из цилиндра 7 через открытый кран 16. При этом, кран 20 закрыт. Обработанная смесь из смесителя через открытые краны 17 и 18 подается в цилиндр 8. После того, как т.А пройдет т.В краны 16 и 17 закрывают. В этой ситуации поршень цилиндра 8 перемещается вправо и выдавливает смесь из цилиндра. Смесь по трубопроводу через открытые краны 18 и 20 подается в смеситель. Одновременно обработанная смесь из смесителя по трубопроводу через кран 19 подается в цилиндр 7. После прохождения т.А точки С цикл повторяется. По окончании процесса смесь выгружают из системы используя краны 21-23.
В основы расчета смесителя была положена следующая гипотеза: пути, которые проходит элементарный объем обрабатываемой смеси в зазоре, между неподвижной и движущейся поверхностями в лабораторной и опытно-промышленной установках должны быть равны. Естественно, что зазоры между неподвижной и движущейся поверхностями также равны.
Путь, который проходил элементарной объем в лабораторной установке определяли следующим образом. Весь путь состоит из двух частей: между дном корпуса и ротором; между боковой поверхностью ротора и корпусом. В разделе 2.2 отмечалось, что аналитически длину спирали, шаг которой неравномерно уменьшается, найти очень сложно. Поэтому воспользуемся приближенным решением. Поверхность ротора радиуса RР разделим концентрическими окружностями на M участков с шагом R=(R-RO) /M (рисунок 5.3), где RO- радиус отверстия, через которое смесь подается в зазор.
Рассмотрим движение элементарного объема обрабатываемой среды на /-ом участке. Как отмечалось в разделе 2.2, элементарный объем будет одновременно двигаться в радиальном направлении со скоростью Р (і) и окружном, со скоростью ок (і). Значение окружной скорости можно определить по следующей формуле
Изменяя диаметр ротора и скорость его вращения, а также число циклов обработки смеси можно обеспечить прохождение элементарным объемов требуемой длины пути.
В процессе лабораторных экспериментов параметры установки изменялись в следующих пределах: диаметр ротора 59,9 мм; высота ротора 25 мм; скорость вращения ротора от 52 до 156с-1; величина зазора от 0,05 до 0,15мм; производительность подачи смеси в зазор от 0,125 10-6 до 0,5 10-6м3с-1.
Указанные значения параметров обеспечили изменения длины пути L от 3 до 30 м. Данный этот диапазон использовали при расчете параметров опытно-промышленной установки. В результат расчета получены следующие значения параметров: диаметр ротора 140 мм; высота ротора 10 мм; скорость вращения ротора от 149 до 298 с-1; величина зазора от 0,05 до 0,15 мм; производительность подачи смеси в зазор от 0,156 10-4 до 0,312 10-4м3с-1.
Анализ полученных результатов показал, что при угловых скоростях вращения ротора больше 240с-1 наблюдается заметное уменьшение положительного эффекта. Так например, при угловой скорости 298,3с-1 уменьшение диаметра пятна износа не превышало 5-11%, по сравнению с исходной смазкой. Также установлено, что в диапазоне изменения угловых скоростей вращения ротора от 150 до 240с-1 наблюдается стабильное уменьшение диаметра пятна износа на 22-31%. Уменьшение эффективности модифицирования пластичной смазки графе-ном при угловых скоростях более 240 с-1 возможно связано с увеличением окружной скорости вращения ротора. При угловой скорости 240 с-1 максимальная окружная скорость равна 16,8 мс-1, а при угловой скорости 298,3 с-1 максимальная окружная скорость равна 20,9 мс-1. Вполне вероятно, что при таких скоростях происходит срыв пограничного слоя у движущейся поверхности. В результате срыва резко уменьшаются сдвиговые воздействия на обрабатываемую пластичную смазку, что резко уменьшает интенсивность перемешивания. Радиальная скорость движения элементарных объемов пластичной смазки в зазоре существенно меньше окружной скорости и изменяется в пределах 0,075-0,15мс-1..
Разработанное устройство прошло успешные испытания при изготовлении различных видов смазок с улучшенными эксплуатационными свойствами (Приложение И). В таблице 5.1 представлена технология модифицирования пластичных смазок Солидол Ж и Литол-24 графенами.