Field effect application for the decrease of machines’ friction losses


Cite item

Full Text

Abstract

Results of full testing of an electronic friction adjuster are given. It is shown that rational use of field effect in tribotechnical practice permits to ensure growth of energy efficiency of industrial equipment and machinery without design changes and extra investment.

Full Text

УДК 62-503.57+620.1-1/-9+621.893+531.43 ТСМ № 10-2014 Применение эффекта поля для снижения фрикционных потерь машин Канд-ты техн. наук Д.Н. Любимов, К.Н. Долгополов, инж. Н.К. Вершинин (ООО «Инжиниринговый центр «ЛИК», г. Шахты, rostexx@rambler.ru), канд. техн. наук А.В. Дунаев (ГОСНИТИ) Аннотация. Изложены результаты полного цикла испытаний электронного регулятора трения. Показано, что рациональное использование эффекта поля в триботехнической практике позволяет без конструкционных изменений и дополнительных капиталовложений обеспечить рост энергоэффективности промышленного оборудования и машин, а также повысить ресурсосбережение на протяжении всего их жизненного цикла. Ключевые слова: эффект поля, трибосистема, энергосбережение, двигатель внутреннего сгорания (ДВС), электрическая машина. В задачи машиностроения входит внедрение инноваций, минимизирующих энергозатраты в машинах и оборудовании, а также повышающих их ресурс и надежность. Наименее затратные программы модернизации техники подразумевают совершенствование смазки и смазочных материалов [1]. Один из эффективных методов управления смазочным действием - эффект поля, заключающийся в воздействии на фрикционные процессы внешних физических полей (теплового, магнитного, электрического). Полевое воздействие на фрикционные процессы - перспективный способ снижения интенсивности окислительного изнашивания, усталостных и адгезионных процессов, наводороживания трибосопряжений. Одна из проблем реализации данного способа состоит в необходимости разработки компактных источников электрической поляризации узлов трения [2]. Преимущество электрополевого воздействия на трибосреду перед известными способами механической и химической модификации поверхностей трения и состава смазочных материалов заключается в его постоянстве в течение всего срока службы устройства. Воздействие не ослабевает вследствие утонения поверхностного модифицированного слоя или израсходования компонентов присадки. Еще одна особенность эффекта поля состоит в возможности управления режимами трения: от антифрикционного - для снижения энергозатрат и повышения износостойкости трибосопряжения, до фрикционного - для ускорения периода приработки (обкатки новых машин). Третья особенность - универсальность эффекта поля вне зависимости от типа базового смазочного материала, вида трибосопряжения и нагрузочно-скоростных условий его работы. Лабораторные испытания электронного регулятора трения были выполнены на четырехшариковой машине трения (ЧМТ) в соответствии с ГОСТом 9490 «Материалы смазочные жидкие и пластичные. Метод определения трибологических характеристик на четырехшариковой машине» по методике определения противоизносных свойств смазочных материалов, а также на машине трения торцевого типа (МТТ) по схеме «три вращающихся пальца - диск» в соответствии с методикой Приложения №5 испытаний материалов к ГОСТу 23.224 «Обеспечение износостойкости изделий. Методы оценки износостойкости восстановленных деталей». Обе схемы позволяют реализовать режим граничной смазки, демонстрируя работу устройства в наиболее жестких условиях эксплуатации трибосопряжения с минимальным вкладом физических свойств смазочной среды. Стендовые испытания регулятора проводились в августе 2013 г. в Таллинском технологическом университете (ТТУ) на стенде, имитирующем работу дизельного двигателя, а также в лаборатории Санкт-Петербургского государственного политехнического университета (СПбГПУ) на стенде с бензиновым двигателем. Полигонные испытания проведены в октябре 2012 г. в сертифицированной лаборатории Финляндии на катковом стенде с автомобилем Audi A4 (TDI) с дизельным двигателем в условиях длинных пробегов с постоянными скоростью и нагрузкой, а также по так называемому «ездовому циклу» стандартных европейских испытаний: городской цикл и загородная езда. Эксплуатационные испытания регулятора трения проводились на насосах установки предварительного сброса воды с приводом электродвигателя A335L-4УЗ мощностью 250 кВт с частотой вращения 1550 мин-1 на предприятии «Быстринскнефть» (ОАО «Сургутнефтегаз») с ноября 2012 г. по август 2013 г. При проведении лабораторных испытаний регистрировались изменения противоизносных характеристик базовых смазочных масел и мощности трения, характеризующей их энергосберегающие свойства. В качестве базового масла принято медицинское касторовое масло по ГОСТу 18102 как полярная, поверхностно-активная среда с высоким йодным числом. Результаты испытаний приведены в табл. 1. Таблица 1 Результаты лабораторных испытаний электронного регулятора трения Параметр Без регулятора трения С регулятором трения Диаметр пятна износа dср, мм (нагрузка 196 Н, время 60 мин) 0,73 0,65 Вид пятна износа Мощность трения, Вт 12 9 Вид дорожки трения, натертой на МТТ По иллюстрациям в табл. 1 видно, что наряду с уменьшением износа и мощности, расходуемой на преодоление сил трения, на поверхности контакта отсутствуют задиры. Это косвенно свидетельствует о том, что при применении регулятора трения граничная смазочная пленка лучше удерживается на поверхности трения и имеет большую механическую прочность. Близкие по уровню снижения трения результаты получены в наноцентре ГОСНИТИ при испытании регулятора на трибометре TRB-S-DE. В ходе полигонных испытаний (рис. 1) определялись часовой расход топлива, кг/ч, и удельный расход топлива, г/(кВт∙ч). Режимы испытаний: частота вращения - 1) 1500 мин-1 (85 км/ч); 2) 2500 мин-1 (142,09 км/ч); масло 15W-40. Результаты занесены в табл. 2. Таблица 2 Результаты стендовых испытаний электронного регулятора трения Параметр Без регулятора трения С регулятором трения Скорость, км/ч 85 142,09 85 142,09 Часовой расход топлива, кг/ч 5,57 6,19 4,32 5,96 Удельный часовой расход топлива, г/(кВт∙ч) 517,6 538,9 416,7 513,7 Подключение регулятора трения в условиях постоянства нагрузочно-скоростных параметров работы автомобиля снижает расход топлива. Для того чтобы наглядно проследить воздействие регулятора трения на динамику работы ДВС, построены графики часового и удельного расхода топлива (рис. 2). При форсированных режимах работы автомобиля влияние регулятора трения на экономию топлива уменьшается: при скорости 85 км/ч она составила 22,4%, а при скорости 142 км/ч - 3,7%. Отметим способность регулятора трения обеспечивать снижение расхода топлива в период пуска двигателя, а также пологость топливной характеристики двигателя при включенном регуляторе вне зависимости от скоростного режима с сохранением устойчивого эффекта экономии топлива в течение всего цикла испытаний. При «ездовом цикле» в режиме городской езды нагрузочно-скоростные параметры постоянно меняются, поэтому в первом приближении можно полагать, что узлы трения двигателя непрерывно работают в условиях приработки. При испытаниях в условиях городской езды двигатель останавливается или переводится на холостые обороты, что принудительно изменяет толщину смазочной пленки и нагрузочные характеристики узлов трения. Из-за этого регулятор трения каждый раз должен выходить на номинальный режим работы, но с учетом кратковременности этапов стандартных европейских испытаний, а также того, что при работе двигателя на холостых оборотах затрачивается наименьшее количество топлива, затрудняется выделение суммарной разницы между его чистым потреблением. При переводе двигателя на холостые обороты и снятии с него нагрузки в режимах имитации городской езды по европейской методике фактически исследуется не воздействие прибора на снижение сил трения и износа в механизмах машины, а качество композиционных материалов, из которых изготовлены детали трения двигателя, и то, насколько конструкция двигателя подходит под условия городской езды. При испытаниях электронного регулятора трения в режимах «ездового цикла» экономия 4,3%, с учетом погрешности измерений, была достигнута только в условиях загородной езды. Для установления эффективности действия регулятора трения в форсированных режимах при минимальном количестве факторов, влияющих на работу автомобиля, в ТТУ проведены стендовые испытания на дизельном агрегате (частота вращения 2000 мин-1, крутящий момент 95 Н∙м). Экономия дизельного топлива с учетом погрешности измерений составила 3,2%, однако после корректировки данных по начальной температуре топлива[1] экономия оказалась несколько выше (в каждой серии испытаний заливалось новое топливо, имеющее соответственно более низкую температуру, чем рабочая). Стендовые и полигонные испытания регулятора трения на форсированных режимах работы дизельного агрегата и автомобиля показали близкие значения экономии топлива - около 4%. При этом имитационные испытания машин с меньшими скоростями показали существенно более высокую экономию. Аналогичные значения эффективности работы электронного регулятора трения зафиксированы канд. техн. наук А.Ю. Шабановым при стендовых испытаниях в СПбГПУ через 5 мото-ч работы стенда с ДВС ВАЗ-2108: механические потери уменьшились на 5,5%, расход топлива - на 4,3%, температура отработавших газов - на 6-10 °С, содержание СО и СН - на 19%, а содержание NOx увеличилось на 6,53%. Эффективный КПД ДВС повысился на 4,62%, а мощность - на 1%. Таким образом, близкие значения экономии топлива выявлены как на бензиновом, так и на дизельном двигателе, что говорит об универсальности механизмов действия регулятора трения на силовую установку автомобиля. Согласно методам исследований ASTM Fuel-Saving Engine Oil Test Procedure, принятым в США, или ECE 15 Procedure, принятым в Европе, если масло по прошествии испытаний на стенде SQIIIE обеспечивает топливную экономичность 1,5% (Energy Conserving I), 2,3% (Energy Conserving II) и более в сравнении с маслом 15W-40, то оно считается энергосберегающим. Поэтому и рассматриваемый электронный регулятор трения может быть отнесен к энергосберегающим технологиям. Прибор разработан в рамках государственной программы «Старт» Фонда содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере РФ и ориентирован не только на снижение износа и трения механических узлов тепловых машин, но и на повышение эффективности эксплуатации агрегатов электрических машин: насосов, лифтов, машин бытового назначения и другого промышленного оборудования. Эксплуатационные испытания, проведенные при подключении регулятора трения к подшипниковым узлам установки предварительного сброса воды на предприятии нефтедобывающей промышленности, позволили установить, что без дополнительных конструкционных преобразований указанных агрегатов с сохранением всех требований пожаро- и взрывобезопасности может быть достигнута существенная экономия электроэнергии. Результаты измерений одной из серий общего плана испытаний приведены в табл. 3. Общая продолжительность испытаний - 10 месяцев. Таблица 3 Результаты эксплуатационных испытаний электронного регулятора трения Режим работы электродвигателя Время замера, мин Потребленная энергия по счетчику, кВт Расчетная потребляемая энергия, приведенная к 1 ч, кВт∙ч Разница, % Холостой ход 21 2,704 7,73 100 Холостой ход с регулятором 30 3,46 6,92 89,521 Как видно из табл. 3, даже в режиме холостого хода за 30 мин подключения регулятора трения к подшипниковым узлам насоса сэкономлено 0,81 кВт электроэнергии. Ранее аналогичные полугодовые испытания проводились на главных приводах двух пассажирских лифтов ПЛ-500 (ООО «Пассаж», г. Ростов-на-Дону), на которых при подключении регулятора трения к приводу главного редуктора зарегистрирована экономия электроэнергии, равная 6,1% для одного лифта и 6,5% для другого. Подключение электронного регулятора трения к редукторной группе мешалок варочных реакторов (6,3 м3), установленных на производстве горюче-смазочных материалов ОАО «Ростовский нефтемаслозавод «Рикос» (ОАО «Русская смазочная компания», г. Новочеркасск), снизило потребление электроэнергии на 5,13%. При проведении проверки было принято допущение о равной суточной нагрузке электропривода, по технологическим требованиям время сменного простоя из расчетов исключено. Расход электроэнергии учитывался по трехфазному счетчику типа СА4У-И672М, подключенному через трансформатор 100/5. Показания снимались дважды в сутки. Несмотря на кажущуюся простоту реализации метода электрополевого воздействия, основная проблема при использовании регулятора трения (равно как и иного устройства адаптивного управления смазочным действием, принцип работы которого основан на эффекте поля) состоит в выборе режимов работы, места установки и точки воздействия устройства. Ошибки в указанных начальных параметрах могут привести к росту коэффициента трения, катастрофическому изнашиванию пары трения, развитию коррозионных процессов и промотированию адгезионного типа изнашивания. В настоящее время благодаря развитию исследований в области трибофизики и трибохимии смазочных материалов [3-7] изготовлены модификации устройств адаптивного управления смазочным действием (например пат. РФ № 2493380). В реалиях современной экономики такой аспект модернизации нового или подержанного производственного оборудования и механизмов машин, как реализация программы триботехнического ресурсосбережения посредством широкомасштабного внедрения в их конструкционную схему эффекта поля, позволит высвободить значительные средства за счет сокращения амортизационных отчислений, количества запасных частей, числа ремонтов, вызванных износом материалов, а также потребленного углеводородного жидкого, газообразного топлива или иных энергоресурсов.
×

About the authors

D. N Lyubimov

LIK Engineering Center, LLC

Shakhty

K. N Dolgopolov

LIK Engineering Center, LLC

Email: rostexx@rambler.ru
Shakhty

N. K Vershinin

LIK Engineering Center, LLC

Shakhty

A. V Dunayev

All-Russian Research Institute of Repair and Maintenance of Machine and Tractor Fleet

References

  1. Гаркунов Д.Н. Научные открытия в триботехнике. Эффект безызносности. Водородное изнашивание металлов. - М.: МСХА им. К.А. Тимирязева, 2004.
  2. Гольдаде В.А. и др. Ингибиторы изнашивания металлополимерных систем. - М.: Химия, 1993.
  3. Lyubimov D.N. et al. Micromechanism of Friction and Wear. Introduction to Relativistic Tribology. - Berlin: Springer, 2013. - Springer Series in Materials Science, vol. 176.
  4. Любимов Д.Н. и др. Тонкая структура трибоплазмы в контакте фторопласт-сталь и ее связь с фрикционными параметрами узла трения // Трение и смазка в машинах и механизмах. - 2011, №7.
  5. Любимов Д.Н. и др. Квантовая трибофизика. - Ростов-на-Дону: Изд-во ЮФУ, 2012.
  6. Lubimov D.N., Dolgopolov K.N. Micromechanisms Controlling the Structural Evolution of Tribosystems // Nanocomposites with Unique Properties and Applications in Medicine and Industry. - Edited by Dr. John Cuppoletti. - Croatia: InTech Open Access Publisher, 2011.
  7. Лысиков Е.Н. и др. Надмолекулярные структуры жидких смазочных сред и их влияние на износ технических систем. - Харьков: ЭДЭНА, 2009.

Copyright (c) 2014 Lyubimov D.N., Dolgopolov K.N., Vershinin N.K., Dunayev A.V.

Creative Commons License
This work is licensed under a Creative Commons Attribution-NonCommercial-NoDerivatives 4.0 International License.

This website uses cookies

You consent to our cookies if you continue to use our website.

About Cookies