Field effect application for the decrease of machines’ friction losses

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

Supplementary files