Определение концентрации и дисперсного состава механических примесей в масле редукторов мелиоративных многороторных косилок Е.И. Мажугин, А.Л. Борисов

ОПРЕДЕЛЕНИЕ КОНЦЕНТРАЦИИ И ДИСПЕРСНОГО СОСТАВА МЕХАНИЧЕСКИХ ПРИМЕСЕЙ В МАСЛЕ РЕДУКТОРОВ МЕЛИОРАТИВНЫХ МНОГОРОТОРНЫХ КОСИЛОК

В режущих аппаратах мелиоративных многороторных косилок наибольшее распространение получил привод роторов, осуществляемый посредством редуктора с зубчатыми цилиндрическими колесами [1]. Для смазывания зубчатых передач с целью снижения износа трущихся поверхностей, уменьшения затрат энергии на преодоление трения, отвода тепла от деталей и предохранения их от коррозии применяются различные смазывающие жидкости и пластичные смазки. В режущих аппаратах мелиоративных многороторных косилок для смазывания зубчатых колес редуктора применяется смесь трансмиссионного масла ТЭп-15 и смазки общего назначения «солидол Ж» в равных долях [2, 3].

Во время работы косилки в масле редуктора накапливаются механические примеси. Как правило, ими являются продукты изнашивания трущихся деталей привода. Переходя в объем масла, продукты изнашивания резко повышают интенсивность изнашивания деталей. Поэтому очистка масла повышает срок службы привода и снижает расход смазывающих жидкостей.

Анализ источников

Процессы абразивного изнашивания поверхностей трения рассмотрены в трудах М. М. Хрущова, М. М. Тененбаума, М. А. Григорьева, И. В. Крагельского, Ю. Н. Дроздова, Б. И. Костецкого, Ю. А. Розенберга и других [4−8].

Под абразивным изнашиванием понимают разрушение поверхностей трения под воздействие твердых частиц в основном неорганического происхождения, с размерами от долей до 1000 мкм и твердостью порядка 1500 НВ [4], присутствующих в зоне трения. Таким образом, к абразивному износу относят износ, вызываемый частицами, отделившимися в процессе трения. Они обычно предельно упрочнены. Их высокая твердость объясняется тем, что эти частицы, наклепанные при трении в процессе многократного деформирования [5], могут либо свободно перемещаться в зоне трения, либо, шаржируясь в один из элементов пары трения, вести себя как микронеровности. Это и износ вследствие попадания извне в зону трения инородных частиц часто минерального происхождения, и износ рабочих органов некоторых машин и орудий, которые взаимодействуют непосредственно с массой абразива (почвой, песком). Механическое воздействие абразивных частиц на изнашиваемый материал в большой мере зависит от их формы, степени закрепленности и соотношения механических свойств абразивной частицы и изнашиваемой поверхности, действующих нагрузок. По этой причине и сам механизм изнашивания может изменяться от упругого деформирования до наиболее опасного — микрорезания [4]. Процесс микрорезания материала может наблюдаться при соответствующей конфигурации контактирующего выступа или наличия на поверхности трения твердой частицы (абразива или наклепанной частицы износа материала) при внедрении на достаточную глубину (примерно 0,2−0,3 радиуса выступа), т. е. при переходе порога внешнего трения [6].

Весьма существенный вклад в изучение абразивного изнашивания внес М. М. Тененбаум [7]. Им разработана подробная классификация абразивного изнашивания и экспериментально исследовано взаимодействие различных абразивов с широкими классами материалов в массе абразива и при контакте двух поверхностей, между которыми находятся зерна абразива [8].

Во всех разновидностях абразивного изнашивания на величину износа металла влияют такие факторы, как свойства абразивного тела, изнашиваемого металла и окружающей среды. Огромное значение имеет соотношение твердости абразива и металла, а также прочность абразивных частиц, их размер и форма [9].

Теоретические подходы для учета размеров абразивных частиц, зазора между трущимися поверхностями и их шероховатостью предложены в работе [10].

Для оценки загрязненности нефтяных масел существует ряд методов как качественных, так и количественных. Продукты износа и коррозии можно количественно определить только при лабораторных или стендовых испытаниях или по статистическим данным, полученным в результате эксплуатации машин и механизмов [11].

Для того чтобы снизить содержание механических примесей в масле редуктора и уменьшить износ деталей привода косилки, нами предложено обеспечить центробежную очистку масла в процессе ее работы [12]. Для расчета параметров очистителя необходимо знать концентрацию и дисперсный состав частиц механических примесей, которые находятся в объеме масла.

Методы исследования

Для оценки загрязненности масла редукторов приводов нами под наблюдение были взяты три косилки марки К-78М и одна марки АС-1, работающих в условиях рядовой эксплуатации в ОАО «Горкиводхоз». До проведения опытов эти косилки находились в эксплуатации не менее двух лет. Перед началом сезона окашивания из редуктора каждого режущего аппарата была взята проба масла массой около 60 г и помещена в герметичный бюкс. Через двадцать смен работы каждой косилки вновь были взяты аналогичные пробы масла и помещены в герметичные бюксы. Далее пробы масла из редукторов брались через 50 и 110 смен работы косилок с начала сезона. Для отбора пробы масла проводилась разборка редуктора в конце рабочей смены. После чего с помощью металлического шпателя в районе крайнего ротора со дна редуктора бралась проба масла.

Дальнейшие исследования проводились в химико-экологической лаборатории УО БГСХА и на кафедре ботаники и физиологии растений УО БГСХА.

Пробы масла помещались из бюксов в пронумерованные выпарительные чашки. Чашки, взвешенные на весах марки ADVENTURER AR 5120, имеющих первый класс точности, погрешность измерения 0,01 г, предел взвешивания 510 г., доводились до постоянной массы в сушильном шкафу SNOL 67/350. Далее пробы масла растворяли отстоянным бензином марки А-80 до однородного состояния. Количество бензина в 5 раз превышало количество масла. С целью ускорения процесса растворения выпарительные чашки с пробами масла нагревались в сушильном шкафу до температуры 40−45 С. После этого получившаяся смесь отстаивалась в течение 3 часов. Далее масло, растворенное в бензине, осторожно сливалось. Данная процедура проделывалась до тех пор, пока из выпарительных чашек не начал сливаться чистый бензин, а на дне чашки оставались осевшие частицы механических примесей. После чего выпарительные чашки с частицами механических примесей высушивались, доводились до постоянной массы и вновь взвешивались.

Концентрация механических примесей См. п в масле редуктора в процентах определялась следующим образом:

(1).

где m1 — масса пробы масла с механическими примесями, г; m2 — масса механических примесей в пробе, г.

Масса пробы масла с механическими примесями определялась путем вычитания массы пустой выпарительной чашки из массы выпарительной чашки с пробой. Масса механических примесей в пробе определялась путем вычитания массы пустой выпарительной чашки из массы выпарительной чашки с частицами механических примесей.

Опыты проводились с трехкратной повторностью, поэтому среднее значение концентрации механических примесей в масле определялось как среднеарифметическое между тремя полученными значениями концентрации для каждой косилки с соответствующей наработкой.

После определения концентрации механических примесей в масле редукторов был определен дисперсный состав частиц механических примесей методом микроскопического анализа.

Для этого на предметное стекло, предварительно смазанное эмиссионным маслом, с помощью пинцета из выпарительной чашки помещалась часть механических примесей. Механические примеси перемешивались на стекле с маслом, затем предметное стекло устанавливали в микроскоп марки Nikon eclipse 50i. При помощи установленной на нем камеры Nikon DIGITAL SIGHT и с использованием программы Coolview увеличенное в сто раз изображение передавалось на монитор компьютера.

С помощью функций программы Coolview были измерены и пересчитаны частицы механических примесей, находившихся в пробе масла. Пересчет частиц велся методом параллельных полос, по методике, изложенной В. П. Коваленко [14]. Метод параллельных полос дает более точные результаты, но является более трудоемким. Для удобства подсчета на изображение была нанесена сетка с размером ячеек 15Ч15 мкм.

После пересчета частиц механических примесей их поперечные размеры d были разбиты на девять интервалов. При этом учитывалось то, что если размеры частиц по двум основным своим осям отличаются больше чем в 2−3 раза, то для характеристики дисперсности пользуются эквивалентным диаметром, который соответствует диаметру шара, по объему равновеликого объему частицы [15].

Основная часть

На рис. 1 представлен фрагмент изображения, полученного в результате просмотра предметного стекла под микроскопом Nikon eclipse 50i, механических примесей. На фоне масла отчетливо видны частицы механических примесей.

Рис. 1 — Фрагмент изображения механических примесей

По полученным результатам был построен график (рис. 2), отображающий изменение концентрации механических примесей в масле редукторов наблюдаемых косилок в зависимости от наработки nсм.

Рис. 2 — График изменения концентрации механических примесей в масле режущих аппаратов мелиоративных многороторных косилок в зависимости от наработки

Для косилок К-78М при построении графика были взяты средние арифметические значения концентрации механических примесей в масле редукторов по трем косилкам.

Измерения показали, что в процессе использования косилок концентрация механических примесей в масле редуктора увеличивается. Рост концентрации механических примесей для наблюдаемых косилок в зависимости от наработки описывается уравнениями:

— для косилки АС-1:

; (2).

— для косилок К-78М:

. (3).

примесь абразивный изнашивание косилка Уравнения (2) и (3) были дополнительно скорректированы с учетом точности проведения опытов.

Максимальная концентрация механических примесей 1,15% была получена для косилки марки АС-1. Если учесть, что масса масла в редукторе косилки АС-1 равна 5,0 кг [3], то масса механических примесей в масле редуктора после 110 смен работы будет равна 57,7 г. Для косилок К-78М при средней концентрации механических примесей 0,9% и массе масла в редукторе косилки 4,0 кг [2] масса механических примесей в масле редуктора после 110 смен работы будет равна 36 г.

То, что концентрация механических примесей в масле редуктора косилки АС-1 больше, чем концентрация механических примесей в масле редукторов мелиоративных косилок К-78М, объясняется тем, что число роторов у косилки АС-1 на один больше, чем у косилки К-78М, а следовательно, у косилки АС-1 больше пар зубчатых шестерен и зон трения, которые являются источниками механических примесей. В свою очередь количество масла в редукторе косилки АС-1 непропорционально больше, чем в режущем аппарате косилки К-78М, относительно количества роторов.

По рекомендациям [15] и на основании результатов микроскопического анализа были построены интегральная кривая, а по ней методом графического дифференцирования дифференциальная кривая счетного распределения частиц механических примесей (рис. 3).

Рис. 3 — Интегральная 1 и дифференциальная 2 кривые счетного распределения частиц механических примесей

Дифференциальная кривая распределения частиц механических примесей показывает, сколько из общего количества их имеет тот или иной размер. Этой кривой характеризуется каждая размерная группа. По дифференциальной кривой можно анализировать количественную характеристику частиц любого возможного размера.

Также в результате анализа было установлено, что подавляющее число частиц механических примесей состоит из железа и является продуктами изнашивания трущихся деталей привода.

Основное количество частиц находится в интервале от 45 до 75 мкм и составляет 43,7% от общего числа частиц. Количество частиц с размерами более 30 мкм составляет 74,2% от общего числа частиц. Модальное, т. е. наиболее вероятное, значение размера соответствует 50−55 мкм. Большие размеры частиц механических примесей указывают на то, что они могут быть выделены центробежным очистителем при сравнительно невысокой частоте вращения ротора [16].

Заключение

В масле редукторов мелиоративных многороторных косилок в процессе их эксплуатации происходит увеличение концентрации механических примесей прямо пропорционально числу отработанных смен. Концентрация механических примесей в масле редукторов мелиоративных многороторных косилок за 110 смен эксплуатации составила 1,15% у косилки АС-1 и 0,9% у косилок К-78М, что указывает на необходимость применения очистки масла [16].

В результате определения дисперсного состава механических примесей было установлено, что в масле присутствуют частицы размером от 4,5 мкм до 130 мкм. Модальное, т. е. наиболее вероятное, значение размера соответствует 50−55 мкм. Размеры основного количества частиц механических примесей свидетельствуют о том, что они могут быть выделены центробежным очистителем.

• 1. Борисов, А. Л. Анализ конструкций приводов роторов мелиоративных и дорожных косилок / А. Л. Борисов // Материалы, оборудование и ресурсосберегающие технологии: материалы междунар. науч. — технич. конф., Могилев, 21 — 22 апреля 2011 г.: в 2 ч. / ГУ ВПО Белорус.-Рос. ун-т; редкол.: И. С. Сазонов [и др.]. — Могилев, 2011. — Ч. 2. — С. 5.
• 2. Косилка откосов каналов К-78М. Руководство по эксплуатации. — Минск. 2008. — 44 с.
• 3. Косилка ротационная навесная АС-1. Руководство по эксплуатации. — Минск. 2007. — 38 с.
• 4. Крагельский, И. В. Основы расчетов на трение и износ / И. В. Крагельский, М. Н. Добычин, В. С. Комбалов. — М.: Машиностроение, 1977. — 526 с.
• 5. Розенберг, Ю. А. Влияние смазочных масел на долговечность и надежность деталей машин / Ю. А. Розенберг. — М.: Машиностроение, 1970. — 312 с.
• 6. Крагельский, И. В. Трение и износ / И. В. Крагельский. — 2-е изд. перераб. и доп. — М.: Машиностроение, 1968. — 480 с.
• 7. Тененбаум, М. М. Износостойкость конструкционных материалов и деталей машин при абразивном изнашивании / М. М. Тененбаум. — М.: Машиностроение, 1966. — 331 с.
• 8. Григорьев, М. А. Износ и долговечность автомобильных двигателей / М. А. Григорьев, Н. Н. Понамарев. — М.: Машиностроение, 1976. — 248 с.
• 9. Хрущов, М. М. Исследования изнашивания металлов / М М. Хрущов, М. А. Бабичев. — М.: Издательство академии наук СССР, 1960. — 351 с.
• 10. Мажугин, Е. И. Геометрический метод обоснования необходимой тонкости очистки моющих растворов / Е. И. Мажугин, А. Н. Карташевич // Современные материалы, оборудование и технологии упрочнения и восстановления деталей машин/ Тематич. Сб. по материалам междунар. научно-технич. конф. Новополоцк: ПГУ, 1999. С. 112 — 114.
• 11. Коваленко, В. П. Загрязнения и очистка нефтяных масел / В. П. Коваленко. — М.: Химия, 1978. — 304 с.
• 12. Режущий аппарат роторной косилки: пат. 6876 Респ. Беларусь, МПК A01D 34/00 / Е. И. Мажугин, А. Л. Борисов, С. Г. Рубец; заявитель Белорус. гос. с-х. академия. № u 20 100 403; заявл. 23. 04. 10; опубл. 30. 12. 10 // Афіцыйны бюл. / Нац. цэнтр інтэлектуал. уласнасці. — 2010. — №.6 — С. 145.
• 13. Итинская, Н. И. Топливо. смазочные материалы и технические жидкости.: учеб. пособие / Н. И. Итинская. — М.: Колос, 1969. — 360 с.
• 14. Коваленко, В. П. Загрязнение и очистка нефтяных масел / В. П. Коваленко. — М.: Химия, 1978. — 304 с.
• 15. Липатов, Н. Н. Саморазгружающиеся сепараторы / Н. Н. Липатов, О. П. Новиков. — М.: Машиностроение, 1975. — 248 с.
• 16. Гродзиевский, В. И. Реактивные центрифуги для очистки масла в двигателях внутреннего сгорания / В. И. Гродзиевский. — М.: Машгиз, 1963. — 88 с.