Обоснование рационального размера частиц загущающей добавки для растительного смазочного материала на основе рапсового масла
- Авторы: Володько О.С.1, Быченин А.П.1, Едуков В.А.2
-
Учреждения:
- Самарский государственный аграрный университет
- Самарский государственный технический университет
- Выпуск: Том 9, № 4 (2024)
- Страницы: 55-64
- Раздел: ТЕХНОЛОГИИ, СРЕДСТВА МЕХАНИЗАЦИИ И ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЕ ОБОРУДОВАНИЕ В СЕЛЬСКОМ ХОЗЯЙСТВЕ
- URL: https://bulletin.ssaa.ru/1997-3225/article/view/641560
- DOI: https://doi.org/10.55170/1997-3225-2024-9-4-55-64
- ID: 641560
Цитировать
Полный текст
Аннотация
Цель исследований – теоретически обосновать рациональный размер частиц загущающей добавки (Литол-24) к растительному смазочному материалу (РСМ) на основе рапсового масла при формировании смазочной композиции, предназначенной для использования в агрегатах тракторных механических трансмиссий. Существует актуальная научная проблема повышения физико-химических и трибологических свойств РСМ, в частности, увеличения его вязкости. Добиться этого эффекта возможно применением специальных загущающих добавок, например, Литол-24. В статье приведен анализ процессов осаждения частиц загущающей добавки в гравитационном поле и при работе агрегатов тракторной трансмиссии. Предложены теоретические зависимости для определения рационального размера частиц загущающей добавки в статическом режиме из условия длительного (до 6 месяцев) хранения сельскохозяйственной техники, а также в динамическом режиме из условия витания частицы в объеме РСМ. Проанализировано влияние конструктивных особенностей агрегатов трансмиссии распространенных в сельскохозяйственном производстве моделей тракторов на процесс осаждения частиц загущающей добавки в статическом и динамическом режиме, даны рекомендации по определению размера частиц с учетом этого параметра. С учетом ограничивающих факторов расчетным методом определен рациональный размер частиц загущающей добавки, исключающий их быстрое осаждение как при хранении, так и в процессе выполнения транспортных и полевых работ. Рациональным признан размер частиц добавки в диапазоне 1,08·10-6…1,2·10-6 м.
Ключевые слова
Полный текст
В настоящее время не теряет актуальности проблема экономии топливо-смазочных материалов (ТСМ) нефтяного происхождения, в том числе путем их частичной замены на альтернативные ТСМ [1-5], а также снижения вредного воздействия ТСМ на окружающую среду при утечках из смазочных и гидравлических систем [6-8]. В отличие от ТСМ нефтяного происхождения, смазочные композиции на основе растительного сырья (рапсового масла) обладают полной биоразлагаемостью за короткое время [9]. Однако такие смазочные композиции требуют применения пакетов присадок различного действия – загущающих, антиокислительных, противоизносных, противозадирных – так как физико-химические и трибологические свойства растительных масел не удовлетворяют требованиям, предъявляемым к смазочным маслам. Одним из ключевых свойств смазочного материала, в том числе и альтернативного, является кинематическая вязкость. У рапсового масла она недостаточная, следовательно, при его использовании в качестве основы смазочной композиции необходимо повысить вязкостные свойства, например, легированием частицами загущающей добавки (Литол-24) [10, 11].
Цель исследований: теоретически обосновать рациональный размер частиц загущающей добавки к растительному смазочному материалу (РСМ) при формировании смазочной композиции для использования в тракторных механических трансмиссиях.
Задачи исследований: проанализировать процесс осаждения частиц загущающей добавки в гравитационном поле РСМ в статическом режиме; проанализировать движение частиц загущающей добавки в объеме РСМ в динамическом режиме при работе агрегатов трансмиссии; проанализировать движение частиц загущающей добавки в РСМ с учетом конструктивных особенностей агрегатов трансмиссии распространенных в сельском хозяйстве моделей тракторов; определить рациональный размер частиц загущающей добавки в составе РСМ при формировании смазочной композиции для использования в тракторных механических трансмиссиях.
Материал и методы исследований. Для решения первой задачи был проведен теоретический анализ процесса осаждения частиц загущающей добавки в гравитационном поле РСМ в статическом режиме. Растительный смазочный материал на основе рапсового масла предполагает наличие в составе растворенной загущающей добавки, в качестве которой использован Литол-24. Так как плотность частиц добавки больше, чем плотность растительного смазочного материала, то возможно их осаждение – естественный процесс, который имеет место как при функционировании трансмиссии энергетического средства при выполнении транспортных и полевых работ (динамический режим), так и при достаточно длительном его хранении в межсезонье (статический режим). Рассмотрим процесс осаждения частиц под действием гравитационных сил в состоянии покоя РСМ с учетом следующих ограничений: частица имеет шарообразную форму с некоторым радиусом rч; осаждение происходит с некоторой средней скоростью ; на частицу действуют сила тяжести, Архимедова сила и сила Стокса (рис. 1).
Рис. 1. Силы, действующие на частицу загущающей добавки в состоянии покоя: Fm – сила тяжести, Н; Fa – выталкивающая сила, действующая со стороны РСМ на частицу (Архимедова сила), Н; FCm – сила сопротивления осаждению частицы (сила Стокса), Н
Условие осаждения частицы, принятой в качестве анализируемого элемента, в объеме РСМ выражается неравенством [10]:
(1)
При этом
; , (2)
, кг; (3)
, кг/(м·с2), (4)
С учетом зависимостей (2), (3) и (4) выражение (1) приобретает следующий вид:
. (5)
Из выражения (5) выводим граничное условие для скорости осаждения:
. (6)
Очевидно, что на скорость осаждения частиц также влияет их долевое содержание в РСМ (), т.е.
. (7)
Из выражения (7) находим рациональный радиус частицы rч при осаждении:
. (8)
Время осаждения частицы с рациональным радиусом rч можно определить по выражению:
, (9)
где Нм – высота слоя масла, м.
Подставив неравенство (7) в выражение (9), получим:
. (10)
Неравенство (10) справедливо для условия теплового равновесия РСМ с окружающей средой, т. е. когда температура РСМ и окружающей среды равны. Это возможно, например, при длительном хранении РСМ с поддерживаемой одинаковой температурой в течение всего времени.
Таким образом, факторами, влияющими на скорость осаждения частиц добавки Литол-24, являются температура при хранении, которая соответствует температуре отапливаемого помещения, то есть не достигает рабочих значений, и теплообменные свойства добавки и РСМ. При условии отсутствия теплообмена РСМ с окружающей средой скорость и время осаждения частиц определяется по формулам (7) и (10) (условие длительного хранения) [10].
Для решения второй задачи проанализировано движение частиц загущающей добавки в объеме РСМ в динамическом режиме при работе агрегатов трансмиссии. В процессе работы агрегатов трансмиссии на частицу, находящуюся в РСМ, действуют силы, по своим величинам большие, чем при хранении. В связи с этим перемешивание слоев РСМ и движение частиц загущающей присадки (Литол-24) характеризуется большей интенсивностью. Рассмотрим процесс осаждения частиц загущающей присадки при работе РСМ в смазочной системе агрегатов трансмиссии (например, в коробке передач). Примем следующие ограничения (рис. 2): в начале процесса частицы равномерно распределены по всему объему РСМ; при вращении зубчатых колес происходит перемещение слоев РСМ с образованием в объеме коробки передач девяти характерных зон [10, 11].
Рис. 2. Схема перемещений РСМ в объеме коробки передач: a) силы, действующие на частицу в процессе работы; б) схема зон движения РСМ; 1 – шестерня, 2 – РСМ; 3 – корпус редуктора, I-IX – характерные зоны движения РСМ
Анализ принципиальной схемы (рис. 2) показывает, что в зонах I, III, IV и VI существует вероятность накопления загущающей добавки в углах корпусных деталей трансмиссии. Для зоны II характерен повышенный уровень РСМ в связи с его перемещением внутри корпусной детали под воздействием вращающейся шестерни 1. В зоне V уровень РСМ ниже, чем в зоне II, так как из этой области осуществляется забор РСМ шестерней. Для зон VII и VIII характерно вихревое движение РСМ вследствие воздействия на него шестерни, а также заданной конфигурацией корпусной детали траектории. В зоне IX осуществляется захват и направление РСМ зубьями шестерни для смазывания других элементов коробки передач.
Допустим, что вращающимся зубчатым колесом из зоны V забирается некоторый объем РСМ dV5 и подается в зону II. Тогда при прохождении зон VII и VIII возникают завихрения, где скапливаются объемы РСМ dV7 и dV8 (dV7 = dV8 ), т. е.
. (11)
Далее РСМ отражается от стенки коробки передач, меняет направление и ударяется в углы коробки передач в зонах I и III, т. е.
. (12)
Затем РСМ завихряется в зонах VII и VIII и движется в зоны IV и VI, т. е.
. (13)
Перемещаясь далее, РСМ подвергается воздействию шестерни и попадает сначала в зону V, а затем в зону II:
. (14)
Из приведенных выше соотношений следует, что при функционировании коробки передач объемы РСМ в различных зонах изменяются со временем. На частицу в общем случае будут действовать объемные и поверхностные силы, представленные на схеме (рис. 3).
Рис. 3. Схема определения конструктивных размеров коробки передач, влияющих на процесс осаждения загущающих частиц в РСМ: О - центр вращения шестерни; а, с - конструктивные размеры коробки передач; hп - глубина погружения шестерни в РСМ; Нм - высота слоя РСМ в коробке передач; О'О'' - ось вращения вала шестерни; Fm - сила тяжести, Н; Fвр - центробежная сила инерции, направленная от оси вращения, Н; Fк - Кориолисова сила, Н; - равнодействующая от действия сил инерции (в том числе включает силу от вибрации трактора при работе двигателя), Н; Fа - выталкивающая сила (Архимедова), Н; FСм - сила сопротивления движению частиц в масле, Н; - сила трения о металлические стенки коробки передач, Н; Tк и Тс - силы трения качения и скольжения о твердые частицы осаждения (например, абразивные примеси), Н
Ввиду малости значений сил Fк, , Tк и Tс по сравнению с другими силами, ими можно пренебречь. Равнодействующая сил инерции определяется такими параметрами, как скорость движения энергетического средства, его вибрации при выполнении технологической операции, характеристик опорной поверхности и т.д. Поэтому данный показатель имеет случайный характер и может быть приравнен к нулю для упрощения методики расчета.
Условие витания анализируемого элемента в РСМ при функционировании агрегата трансмиссии на примере коробки передач примет следующий вид [11]:
(15)
Составляющие уравнения определяются следующими зависимостями:
; ;
, (16)
Скорость движения масла определится из уравнения:
. (17)
Подставив уравнения (16) и (17) в уравнение (15), получим:
. (18)
Путем математических преобразований получим:
; (19)
, (20)
где – разность плотностей материала частицы добавки и растительного смазочного материала, кг/м3.
Если подставить формулу (7) в уравнение (20), получим:
. (21)
Коэффициент Cх в свою очередь зависит от числа Рейнольдса Re:
, (22)
где d и m – величины, определяемые опытным путем.
При функционировании энергетического средства в агрегатах трансмиссии от вращающихся шестерен возникает турбулентный режим движения РСМ, характеризующийся значениями числа Рейнольдса в пределах 1000…200000 (таблица 1).
Таблица 1
Зависимость числа Рейнольдса от режима движения масла
Число Рейнольдса Re | Значения величин | Режим движения масла | |
d | m | ||
0…1 | 24 | 1 | ламинарный |
1…50 | 25 | 3/4 | ламинарный |
50…1000 | 4 | 3/10 | переходный |
1000…200000 | 0,45 | 0 | турбулентный |
С учетом данных таблицы 1 запишем:
. (23)
Подставив значение (23) в выражение (21), получим:
. (24)
По результатам теоретического анализа можно заключить, что , , т.е. и , определяются главным образом физико-химическими свойствами анализируемых элементов и среды в виде РСМ, а также рабочими режимами и конструктивными особенностями агрегатов трансмиссии энергетического средства.
Анализ рисунка 3 позволяет заключить, что линейный размер анализируемого элемента (радиус частиц ) стремится к максимальным значениям в точках 2', 3', 8' и 9', расположенных в характерных зонах II, III, VIII и IX.
Для этих зон соответственно имеем:
, ; (25)
, ; (26)
, ; (27)
, . (28)
При сравнении значений радиусов частиц для разных зон, видно, что . Таким образом, во время функционирования агрегатов трансмиссии на частицу загущающей присадки, находящуюся в движении, с увеличением расстояния турбулентные слои РСМ оказывают большее воздействие. В частности, при комплексном воздействии на РСМ нескольких шестерен одновременно. Как следствие, размер анализируемых элементов в состоянии витания также увеличивается.
Таким образом, для того чтобы частица в масле во время работы находилась в процессе витания, необходимо, чтобы ее размер был , т.е.:
. (29)
В наиболее распространенных марках сельскохозяйственных тракторов агрегаты трансмиссии (коробка передач, задний мост) оборудованы объединенными масляными емкостями в виде ванн. Соответственно, угловая скорость зубчатых зацеплений главных передач меньше, чем зубчатых зацеплений коробок передач. Таким образом, из-за конструкции коробки передач и задних мостов, размер частиц добавки Литол-24, находящихся в процессе витания, следует определять для условий коробки передач по выражению (29) [10].
Для решения третьей задачи был проведен анализ процесса движения частиц загущающей добавки в РСМ в статическом и динамическом режимах с учетом конструктивных особенностей агрегатов трансмиссии распространенных в сельском хозяйстве моделей тракторов. Сельскохозяйственные тракторы длительное время могут находиться на хранении (3…6 месяцев в осенне-зимний период) при колебании температуры в пределах +20…-20 °C и ниже. В условиях минусовых температур изменяются физические свойства РСМ, такие как кинематическая вязкость и плотность, результатом чего является увеличение длительности процесса осаждения элементов загущающей присадки (зависимость 9). В связи с этим при выявлении оптимального размера исследуемых частиц загущающей присадки в случае длительного хранения техники возникает необходимость учета температуры окружающей среды +20 °C, а также длительность пребывания техники на хранении. Рассчитаем линейные характеристики частиц загущающей присадки (формула 10) для статического режима в режиме хранения РСМ, а также определим эти же параметры для частиц загущающей присадки в динамическом режиме при работе механической коробки передач распространенных моделей тракторов в зависимости от их конструктивных особенностей.
В рамках решения четвертой задачи по результатам теоретических исследований предлагается считать рациональным размером частиц добавок к РСМ, удовлетворяющим конструктивным особенностям коробок передач распространенных тракторов и условию хранения РСМ в течение 6 месяцев при температуре окружающего воздуха +20 °C, rчрац = rчвит (1,08…1,2)·10-6 м.
Результаты исследований. При условии отсутствия теплообмена РСМ с окружающей средой скорость и время осаждения частиц определяется по формулам (7) и (10) (условие длительного хранения). Из-за конструкции коробки передач и задних мостов размер частиц добавки Литол-24, находящихся в процессе витания, следует определять для условий коробки передач по выражению (29). Результаты расчета линейных характеристик частиц загущающей присадки для статического режима в режиме хранения РСМ представлены в таблице 2. Результаты расчета этих же параметров для частиц загущающей присадки в динамическом режиме при работе механической коробки передач распространенных моделей тракторов в зависимости от их конструктивных особенностей представлены в таблице 3 [10].
Таблица 2
Размер частиц добавок при условии хранения растительного смазочного материала
Значения показателей | Марка трактора | |||
ДТ-75 | Т-402-01 | BELARUS 80.1/82.3 | ЛТЗ-60 | |
Высота слоя масла, Нм, ·10-3 м | 110 | 110 | 120 | 100 |
Отношение объема масла к площади масляной ванны, 10-4 м3/ ·10-3 м2 | 9,9/9 | 7,5/6,8 | 14,4/12 | 6/6 |
Размер неосевших частиц, rчос, ·10-6 м, менее | 2,96 | 2,96 | 3,09 | 2,82 |
Таблица 3
Размер частиц добавок при условии работы растительного смазочного материала
Значения показателей | Марка трактора | |||
ДТ-75 | Т-402-01 | BELARUS 80.1/82.3 | ЛТЗ-60 | |
Конструктивный размер b, 10-3 м | 139 | 126 | 144 | 104 |
Угловая скорость вращения, ω, с-1 | 184,1 | 179 | 235,1 | 187,3 |
Размер частиц, rчвит, ·10-6 м, менее | 1,179 | 1,171 | 1,079 | 1,109 |
В идентичных условиях в процессе хранения со временем частицы, не осевшие полностью на дно корпуса агрегата трансмиссии в течение полугода, увеличиваются в размерах. Наряду с этим в РСМ во взвешенном состоянии останутся лишь частицы загущающей присадки, уступающие в размерах осевшим на дно (таблица 2). Из представленных данных видно, что РСМ в тракторах с большей высотой слоя Нм обладает после хранения лучшими триботехническими свойствами, чем в тракторах с меньшей высотой слоя Нм.
Из таблицы 3 видно, что на размер частиц, подвергающихся динамическому воздействию с переходом в режим витания, наиболее значительно влияет угловая скорость пары шестерен. Заданный конструктивно линейный параметр b при этом оказывает крайне незначительное влияние. Объяснить это явление можно тем, что на витающую в толще РСМ частицу загущающей присадки сильнее влияют силы, возникающие при вращении зубчатых пар (параметр ω), чем гравитационное поле (параметр b).
Анализ таблиц 2 и 3 показывает, что . Линейный параметр неосевших частиц загущающей присадки изменяется в широком диапазоне, коррелируя с моделью энергетического средства, и не удовлетворяет условию работы РСМ. В то же время линейный параметр витающих частиц загущающей присадки удовлетворяет сразу двум условиям: работы РСМ в агрегатах трансмиссии энергетических средств сельскохозяйственного назначения и хранения этих же энергетических средств. Следовательно, рациональный линейный параметр частиц загущающей присадки можно обосновать, исходя из выражения (24). Рациональный размер частиц добавок к РСМ rчрац = rчвит (1,08…1,2)·10-6 м.
Заключение. Таким образом, можно заключить, что при формировании РСМ на основе рапсового масла для увеличения вязкости в состав смазочной композиции рационально ввести добавку Литол-24. Так как Литол-24 имеет плотность больше, чем плотность растительного смазочного материала, то происходит его осаждение с течением времени. Теоретически определенный размер частиц добавки должен удовлетворять не только условию хранения РСМ (до 6 месяцев включительно), но и условию его работы в агрегатах трансмиссии, когда на частицу действуют большие по значению силы, чем гравитационное поле. В результате экспериментальных исследований триботехнических свойств растительного смазочного материала необходимо экспериментально подтвердить полученный аналитическими расчетами рациональный размер частиц добавки, равный rчрац = (1,08…1,2)·10-6 м. Триботехнические свойства РСМ можно в дальнейшем улучшить путем обработки ультразвуковым и комплексным излучением (лазерным, инфракрасным излучением и магнитным полем) за счет усиления метаболических реакций в РСМ и увеличения эффекта от их совместного использования.
Об авторах
Олег Станиславович Володько
Самарский государственный аграрный университет
Email: volodko-75@mail.ru
ORCID iD: 0000-0001-8478-1358
кандидат технических наук
Россия, СамараАлександр Павлович Быченин
Самарский государственный аграрный университет
Автор, ответственный за переписку.
Email: bap63@mail.ru
ORCID iD: 0000-0001-8896-7547
кандидат технических наук
Россия, СамараВасилий Алексеевич Едуков
Самарский государственный технический университет
Email: tgv@samgtu.ru
ORCID iD: 0000-0002-9208-4410
кандидат технических наук
Россия, СамараСписок литературы
- Болдашев Г. И., Быченин А. П., Володько О. С. Использование альтернативных топливо-смазочных материалов в автотракторной технике : монография. Кинель : РИО СГСХА, 2017. 169 с.
- Бухвалов А. С., Быченин А. П., Володько О. С. Повышение ресурса ходовой системы гусеничных машин : монография. Кинель : РИО Самарского ГАУ, 2021. – 157 с.
- Приказчиков М. С. Повышение ресурса гидроподжимных муфт коробок передач с гидроуправлением улучшением режима трения фрикционных дисков : дисс. … канд. техн. наук. Пенза, 2013. 197 с.
- Уханов А. П., Володько О. С., Быченин А. П., Ерзамаев М. П. Показатели физико-химических, теплотворных, трибологических свойств масла крамбе абиссинской и дизельного смесевого топлива // Нива Поволжья. 2018. №2(47). С. 141-148.
- Володько О. С., Быченин А. П., Родкин И. С. Сравнительная оценка физико-химических и трибологических свойств минерального и рапсового масла // Самара Арговектор. 2024. №2. С. 5-11.
- Ефимов В. В. Обеспечение эксплуатационной надежности гидросистем сельскохозяйственной техники при альтернативном использовании рапсового масла в качестве рабочей жидкости : дисс. … канд. техн. наук. Саранск, 2000. 218 с.
- Сергатенко С. Н., Федорова И. Л., Игнатова Т. Д. Влияние нефтяного загрязнения на активность почвенных ферментов классов оксидоредуктаз и гидролаз // Вестник Ульяновской государственной сельскохозяйственной академии. 2022. №3(59). С. 83-88.
- Едуков Д. А. Снижение скорости изнашивания зубчатых передач тракторных трансмиссий применением магнитогидродинамической обработки растительно-минерального смазочного материала : дисс. … канд. техн. наук. Пенза, 2009. 252 с.
- Жорник В. И., Ивахник А. В., Запольский А. В. Современные тенденции в создании экологически безопасных биоразлагаемых смазочных материалов // Актуальные вопросы машиноведения. 2023. Т. 12. С. 313-319.
- Едуков В. А. Снижение энергетических затрат в тракторных трансмиссиях путем использования легированного рапсового масла : дисс. … канд. техн. наук. Пенза, 2003. 224 с.
- Ленивцев Г. А., Едуков В. А. Теоретическое определение оптимальных размеров частиц добавок, находящихся в процессе витания в масле // Современные технологии, средства механизации и техническое обслуживание в АПК : сборник научных трудов Поволжской межвузовской конференции. 2003. С. 135-139.
Дополнительные файлы
