Спосіб обробки рідких мастильних матеріалів

Спосіб обробки рідких мастильних матеріалів шляхом дії на них електростатичним полем, який відрізняє ться тим, що як рідкий мастильний матеріал використовують мастильний матеріал, що містить полярні молекули, і діють електростатичним полем, достатнім для діелектричного насичення, при цьому в об'ємі рідкого мастильного матеріалу формують зародки-зони нанокристалів, які утворюють з полярних молекул шляхом перебудови їх колоїдних асоціатів і які мають залишкову поляризованість та за своїми властивостями наближені до сегнетоелектриків, та формують на поверхнях тертя тверду кристалічну фазу-основу і рідкокристалічну фазу збільшеної товщини та підвищеної несучої здатності. Спосіб відноситься до технічних систем, в яких для змащування вузлів тертя застосовуються рідкі матеріали, що містять в собі поверхнево-активні речовини. З метою зменшення зносу деталей технічних систем і втрат від тертя в мастильні матеріали вводять поверхнево-активні речовини (ПАР) - присадки, молекули яких адсорбуються на поверхнях тертя, утворюючи захисні шари, які перешкоджають безпосередньому контакту поверхонь. Найбільшу поверхневу активність виявляють похідні вуглеводнів нафти, молекули яких містять полярну карбоксильну гр упу СООН, наприклад, жирні кислоти. Другими по ступеню активності є металічні мила, молекули яких мають полярну групу СООМе, а також, речовини з полярною групою молекул NH2. Крім того, високою поверхневою активністю володіють спирти парафінового ряду, в яких кінцева метильна група замінена полярною гідроксильною групою ОН. Вказані ПАР найбільш широко використовуються в якості протизносних і антифрикційних присадок до сучасних мастильних матеріалів [1]. Таким чином, сучасні мастильні матеріали уявляють собою суміш молекул ПАР з молекулами базового середовища. Протизношувальні і антифрикційні властивості такого мастильного матеріалу визначаються процесом формування адсорбованого шару на поверхнях тертя і здатністю цього шару витримувати високі контактні навантаження. Рідкі мастильні матеріали, найпоширеніші в даний час, не є істинними розчинами ПАР в неполярному середовищі, а уявляють собою колоїдні системи. Молекули ПАР і молекули базової рідини утворюють асоціати різноманітної будови: димери, міцели, рідкі кристали, високо- та низькодисперсні структури і т.д. їх склад та міцність визначається концентрацією і природою ПАР, структурою базової рідини і температурою [1]. Найтиповішими асоціатами, що виникають в мастильних матеріалах (19) UA (11) 83946 (13) C2 (21) a200701646 (22) 16.02.2007 (24) 26.08.2008 (46) 26.08.2008, Бюл.№ 16, 2008 р. (72) ЛИСІКОВ ЄВГЕН МИКОЛАЙОВИЧ, U A, ВОРОНІН СЕРГІЙ ВОЛОДИМИРОВИЧ, U A (73) ЛИСІКОВ ЄВГЕН МИКОЛАЙОВИЧ, U A, ВОРОНІН СЕРГІЙ ВОЛОДИМИРОВИЧ, U A (56) SU 1247572, A1, 30.07.1986 RU 2101480, C1, 10.01.1998 UA 76384, C2, 17.07.2006 RU 2233867, C1, 10.08.2004 SU 874321, A, 23.10.1981 SU 362042, A, 13.12.1972 GB 1285743, A, 16.08.1972 GB 485105, A, 13.05.1938 DE 4109465, A, 24.09.1992 Шуліка О.С. Підвищення ресурсу гідроприводів і транспортних машин електрообробкою робочих 3 83946 на вуглеводневій основі, є міцели, які мають особливу будову. В них полярні частини молекул з’єднані одна з одною і утворюють ядро, а довгі вуглеводневі радикали розташовані зовні, як показано на Фіг.1а [2]. В роботі [3] були визначені значення критичних концентрацій міцелоутворення (ККМ) для ПАР, що використовуються в якості протизносних присадок до мастильних матеріалів. Наприклад, для лауринової кислоти величина ККМ лежить в межах від 1,3моль/м 3 до 2моль/м 3, для стеаринової кислоти від 0,9моль/м 3 до 1,4моль/м 3. З другого боку, при введенні 1% такої присадки в базове масло її об’ємна концентрація, з урахуванням молекулярної ваги, складає близько 50моль/м 3. Легко побачити, що концентрація присадок в сучасних мастильних матеріалах часто перевищує ККМ, тобто молекули протизносних присадок знаходяться в асоційованому стані. Потрапляючи під дію силового поля поверхонь тертя і температури, що виділяється в процесі тертя, агрегати ПАР (міцели) руйнуються; звільнені при цьому молекули мають можливість взаємодіяти з поверхнями тертя. Якщо енергія зв’язку молекул в міцелах або інших асоціатах перевищує енергію силового поля металевої поверхні, то має місце адсорбція міцел на поверхнях тертя («міцелярна адсорбція»). Однак шари, утворені в результаті такої адсорбції мають рихлу будову, тому їх несуча здатність дуже низька. Молекули присадок, що входять в склад цих міцел не можуть безпосередньо реагувати з поверхнею до тих пір, поки система (тобто мастильний матеріал в тонкому шарі, що розподіляє тіла контакту) не перейде в стан молекулярного розчину. Цей перехід, як правило, пов’язаний з досягненням певної температури. Тому, можливість прояву присадками своєї функціональної дії в багатьох випадках визначається колоїдною структурою мастильного матеріалу [1]. Таким чином, асоційований стан ПАР в мастильних матеріалах не відповідає умовам ефективного формування граничних змащувальних шарів на поверхнях тертя технічних систем. Так, раніше проведеними дослідженнями [4, 5] встановлено, що довжина вуглеводневих радикалів ПАР часто перевищує зону дії силового поля поверхні металу, тобто, в більшості випадків, адсорбція активних молекул, що входять до складу міцел неможлива. З іншого боку, найкращими трібологічними характеристиками буде володіти мастильний матеріал який здатний утворювати на поверхнях тертя міцні адсорбційні шари структура яких наближається до рідких кристалів. Такі шари, згідно [4], можуть утворитися в тому випадку, коли в об’ємі мастильного матеріалу або під дією силового поля поверхні тертя молекули ПАР будуть розташовані, переважно, паралельно один до другого, утворюючи при цьому молекулярні «пакети». Враховуючи описану структуру рідких мастильних матеріалів, одним з основних способів покращення їх трібологічних властивостей є введення «підготовчого етапу» який базується на руйнуванні асоціатів ПАР з подальшим утворенням з них молекулярних «пакетів». 4 В теперішній час зміна молекулярної структури рідких мастильних матеріалів досягається за рахунок застосування різного роду диспергаторів, в яких, разом з дробленням частинок забруднювачів відбувається руйн ування асоціатів молекул присадок [6, 7]. Недоліками застосування диспергаторів є високі енерговитрати, пов’язані з додатковими гідравлічними опорами в системах змащення; неможливість руйнування всіх молекулярних асоціатів, особливо з високими силами зв’язків між молекулами. Найближчим аналогом пропонованого винаходу є спосіб електрообробки рідини на нафтовій основі [8]. Даний винахід заснований на обробці потоку нафтової рідини електричним полем, створюваним в зазорі між коаксіальними електродами. При цьому напруга на електродах дорівнює U=1000-1500В, а швидкість потоку рідини між електродами V=4,5-6,5м/с. Технічним результатом реалізації такого способу є збільшення ресурсу аксіально-плунжерних гідронасосів на 30-80%. Вказаний спосіб не дозволяє отримати таку структуру мастильних матеріалів, яка б сприяла утворенню на поверхнях тертя адсорбційних шарів з високою несучою здатністю, структура яких наближається до рідких кристалів, оскільки в ньому не враховані особливості структури і властивості конкретних вуглеводневих рідин (дипольний момент молекул ПАВ, діелектрична проникність середовища та не розкрита фізика зв’язку молекул ПАР між собою у напрямку, перпендикулярному до вектора напруженості зовнішнього поля). Окрім цього, не вказана величина напруженості електричного поля, яка є критерієм оцінки величини зовнішньої силової дії на агрегати молекул ПАР в оброблюваних рідинах, і залежить, також, від геометричних параметрів електродів і зазору між ними. Суть винаходу полягає у зменшенні зносу поверхонь тертя технічних систем та зменшення сили тертя за рахунок введення «підготовчого етапу» (наприклад, обробки рідких мастильних матеріалів зовнішнім електростатичним полем) який призводить до перебудови асоціатів (міцел) ПАР на впорядковані блоки нанокристалів, які, в подальшому, виконують роль зародків кристалізації на поверхнях тертя, Фіг.1б. Утворені таким чином зародки кристалізації володіють залишковою поляризованістю та по своїм властивостям наближаються до доменів сегнетоелектриків. Вони формують на поверхнях тертя тверду кристалічну фазу - підложку і рідкокристалічну фазу, Фіг.2 (зони II і ІІІ). Ці фази мають збільшену товщин у та підвищену несучу здатність. Перебудова міцел на впорядковані блокидомени відбувається за наступних причин: 1. При дії зовнішнього електростатичного поля на об’єм мастильного матеріалу відбувається його поляризація, при якій молекули, що знаходяться у міцелі і володіють «жорстким» (постійним) дипольним моментом, прагнуть обернутися по вектору напруженості цього поля, долаючи сили теплового руху (орієнтаційна поляризація). Водночас, має місце електронна поляризація метильних СН 3 або метиленових СН 2 груп вугле водневих радикалів 5 83946 цих молекул, яка супроводжується появою індукованих електричних моментів. 2. В результаті повороту молекул ПАР по вектору зовнішнього поля відбувається різке зближення поляризованих вуглеводневих радикалів, внаслідок чого між паралельно орієнтованими у полі молекулами виникають значні сили дисперсійного (Лондонівського) притягання, спрямовані перпендикулярно вектору напруженості зовнішнього поля, Фіг.1б. В цілому, енергія зв’язку між молекулами ПАР, паралельно орієнтованими у зовнішньому полі дорівнює WЗВ=WОР+WІНД+WДИС (1) де WОР - енергія диполь-дипольної взаємодії орієнтованих «жорстких» диполів, Дж; WІНД - енергія диполь-дипольної взаємодії, спричинена появою індукованих електричних моментів, Дж, яка залежить від будови вуглеводневих радикалів та величини зовнішнього поля; де WДИС - енергія дисперсійної (Лондонівської) взаємодії атомів вуглеводневих радикалів, Дж, яка залежить від їх кількості, будови та відстані між ними [4] WДИС= 3 hn0 × a2 × 4 r6 (2) де h.n0 - характеристичний квант, величина якого визначається експериментально на базі теорії дисперсії світла; h - постійна Планка; n0 - кількість взаємодіючих атомів; a - поляризуємість взаємодіючих радикалів; r - відстань між взаємодіючими атомами. З залежності (2) видно, що енергія дисперсійної взаємодії значною мірою залежить від відстані r (пропорційно r-6). Згідно даних [4] ця енергія є суттєвою на відстанях, не більше декількох ангстрем, а за рахунок різкого зближення вуглеводневих радикалів ПАР при перебудові міцел у зовнішньому електростатичному полі, значення енергії дисперсійної взаємодії молекул утворених блоків збільшується на 1-2 порядки, що дозволяє протягом тривалого часу зберігати отриману будову нанокристалічної зони. Виходячи з області дії зовнішнього електростатичного поля індуковані електричні моменти значно зменшуються і, по даним [4] їх енергія складає приблизно до 5% від повної енергії взаємодії молекул ПАР в мастильних матеріалах, тобто цією енергією можна знехтувати. Енергія взаємодії між молекулами ПАР в утвореному блоці після виходу з області дії зовнішнього поля визначається як WЗВ=WОР+WДИС (3) Таким чином, обробка мастильних матеріалів зовнішнім електростатичним полем дозволяє перебудувати міцели в нанокристалічні зони (домени) які складаються з паралельно орієнтованих «жорстких» диполів, зв’язаних між собою дисперсійними силами. З класичної фізики відомо [9], що така будова нанокристалічних зон відповідає будові доменів сегнетоелектриків, в наслідок чого отримані зони володіють залишковою поляризованістю яка є векторною сумою електричних диполь 6 них моментів молекул ПАР, а її максимальне значення (при умові паралельного розташування «жорстких» диполів) можна визначити як Pe = 1 n å Pei V i=1 (4) 3 де V - об’єм нанокристалічної зони, м ; n - кількість диполів ПАР в нанокристалічній зоні; Pеі - дипольний електричний момент i- ї молекули ПАР, Кл/м. Потрапляючи разом з мастильним матеріалом в пари тертя технічних систем утворені нанокристалічні зони, володіючи значно більшим дипольним моментом ніж одиночна молекула ПАР, в першу чергу адсорбуються на поверхнях тертя. Ці зони є зародками подальшої кристалізації ПАР [4], а їх кількість визначає швидкість формування граничного шару. В результаті такої кристалізації на поверхнях тертя зростає тверда кристалічна фаза - основа, на якій адсорбуються нанокристалічні зони з меншою поверхневою активністю, при цьому утворюється друга фаза - рідкокристалічна. Наявність в об’ємі мастильного матеріалу нанокристалічних зон призводить, в цілому, до покращення його трібологічних характеристик: - значно зменшується знос поверхонь тертя технічних систем; - зменшується сила тертя між цими поверхнями. Ці ефекти досягаються за рахунок того, що утворені кристалічні фази нівелюють нерівності поверхонь тертя, тобто при граничному терті зменшується контактний тиск від нормального навантаження, а сила тангенціального зсуву визначається силою взаємодії, що виникає на границі розподілу рідкокристалічних фаз обох поверхонь. З урахуванням того, що вектори залишкової поляризованості спрямовані друг до друга, сума цих сил може наближатися до мінімуму, який обмежений силами електростатичної взаємодії цих фаз. При експлуатації технічних систем, обробку мастильних матеріалів слід проводити в спеціальних пристроях, вбудованих в систему змащення або гідравлічну систему, з підведенням напруги на електроди пристрою зовні - від бортового або стаціонарного джерела живлення. Конструктивні параметри пристроїв для реалізації способу необхідно вибирати з наступних міркувань: поєднання таких параметрів як форма електродів, зазор між ними, напруга на електродах, діелектрична проникність оброблюваної рідини, дипольний момент молекул ПАР і поляризуємість їхніх радикалів повинне забезпечувати достатню для діелектричного насичення напруженість електростатичного поля, яка дорівнює 105-3.106В/м, крім того геометричні параметри пристрою вибираються з умови мінімізації гідравлічних опорів, що виникають при русі оброблюваної рідини. Схема одного з можливих варіантів такого пристрою (з коаксіальним розташуванням електродів) наведена на Фіг.3. Технічним результатом запропонованого винаходу є зниження зносу пар тертя технічних систем в 5-15 разів, в залежності від режимів наван 7 83946 таження і використовуваних мастильних матеріалів, та до 2 разів знизити силу тертя. Для підтвердження можливості здійснення способу авторами проаналізовані та проведені наступні дослідження: - дослідженнями, проведеними в роботі [5, 10] підтверджена можливість зміни молекулярної структури рідких змащувальних матеріалів на вуглеводневій основі під впливом зовнішніх силових полів, зокрема електростатичних. Такі дії приводять до значного покращення трібологічних характеристик рідких мастильних матеріалів. - авторами способу проведені експериментальні дослідження трібологічних характеристик робочих рідин гідроприводів і моторних олив технічних систем при їх обробці зовнішнім електростатичним полем. Дослідження проводилися на машині тертя СМТ-1, пара тертя бронзова колодка - сталевий ролик, досліджувана рідина МГЕ-46В, досліджувана олива - М14Г2. Встановлено, що при обробці робочої рідини зовнішнім електростатичним полем знос пари тертя знижується від 2 до 5 разів залежно від режимів навантаження, Фіг.4, а при обробці моторної оливи знос знижується до 10 разів в залежності від режимів навантаження, Фіг.5. Момент сил тертя в досліджуваній парі зменшується в 1,3-1,7 рази при частоті обертань ролика 3с-1, Фіг.6. - авторами способу проведені експериментальні дослідження несучої здатності мастильних матеріалів (моторної оливи М14-Г2) в залежності від температури. При цьому фіксувалося мінімальне нормальне навантаження змащеного металевого контакту яке призводило до руйнування адсорбованого шару ПАР на його поверхнях. Момент руйнування адсорбованого шару визначався по величині електричного опору в контакті, тобто, якщо цей опір різко зменшувався до величини опору сухого контакту, адсорбований шар вважався зруйнованим, а величина нормального навантаження при якому відбулося це руйнування відображала несучу здатність шару ПАР. Цими дослідженнями встановлено, що обробка мастильних матеріалів зовнішнім електростатичним полем підвищує несучу здатність адсорбованих шарів П АР на поверхнях тертя в 1,5-2 рази в залежності від температури оливи, Фіг.7. 8 - авторами способу проведені експериментальні дослідження зміни трібологічних характеристик мастильних матеріалів у часі після їх обробки електростатичним полем по критерію несучої здатності адсорбційного шару, сформованого на поверхнях тертя те хнічних систем. Дослідження проводились для моторної оливи М14-Г2. Цими дослідженнями встановлено, що отримана під дією зовнішнього електростатичного поля нова молекулярна структура (нанокристалична зона) зберігається протягом 5-20 хвилин в залежності від температури, Фіг.8. Література: 1. Чичинадзе А.В., Берлинер З.М., Браун З.Д., и др. Трение, износ и смазка (трибология и триботехника). - Москва, Машиностроение, 2003. - 576с. 2. Мицеллообразование, солюбизация и микрозмульсии// Под ред. К.Л. Ми ттела. -М.: Мир, 1980. - 597с. 3. Тихонов В.П. Успехи коллоидной химии. – ФАН, 1987. – с.310-323. 4. Ахматов А.С. Молекулярная физика граничного трения. -М.: Физматгиз, 1963 .- 471с. 5. Е.Е. Александров, И.А. Кравец, Е.Н. Лысиков и др. Повышение ресурса технических систем путем использования злектрических и магнитных полей: Монография. - Харьков: НТУ «ХПИ», 2006 544с. 6. Устройство для стабилизации свойств масла. F01М9/02, А.С. СССР №1247572. №3734072/25-06; Заявлено 29.04.84; Опубл. 30.07.86, Бюл. №28. 7. Устройство для обработки моторного масла в процессе его зксплуатации. F01М7/00, А.С. СССР №1332043 А1. №4009917/25-06; Заявлено 17.10.86; Опубл. 23.08.87, Бюл. №31. 8. Способ электрообработки жидкости на нефтяной основе. 6 Е21В43/24. Патент RU 2101480 С1. Российская федерация. №95118617/03; Заявлено 1.11.95; Опубл. 10.01.98. Акционерное общество «ОРЛЭКС». 9. А.В. Аста хов, Ю.М. Широков. Курс физики. Т.2. -М.: Наука, 1980 - 359с. 10. Сюняев З.И. Применение внешних силовых полей для повышения качества смазывающих материалов. - М.: МИН ХиТП им. Губкина, 1982. 59с. 9 Комп’ютерна в ерстка Т. Чепелев а 83946 Підписне 10 Тираж 28 прим. Міністерство осв іт и і науки України Держав ний департамент інтелектуальної в ласності, вул. Урицького, 45, м. Київ , МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислов ої в ласності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601