Технічні науки/2.Механіка

К.т.н. Воронін С.В.

Українська державна академія залізничного транспорту, Україна

Покращення трібологічних характеристик вузлів тертя машин шляхом використання рідкокристалічних речовин в якості присадок

Кожний вузол тертя в присутності змащувального матеріалу має декілька основних трібологічних характеристик, а саме: інтенсивність та швидкість зношування; коефіцієнт тертя, «латентний період» або термін життя граничної змащувальної плівки. Всі ці характеристики впливають на довговічність вузлів та енергетику процесу тертя, тому задачею дослідників в цій галузі є створення технологій керування ними як на етапі проектування, так й в умовах експлуатації.

Одним з перспективних методів покращення трібологічних характеристик вузлів тертя машин є використання в якості присадок речовин, що здатні утворювати в об’ємі мастильного середовища мезоморфні тверді та рідкокристалічні фази [1, 2]. Проведеними раніше дослідженнями встановлено, що молекули поверхнево-активних речовин можуть знаходитися в трьох молекулярних станах:

1). Мономірний стан – коли молекула знаходиться в поодинокому стані, тобто має місце істинний розчин у вуглеводневому середовищі.

2). Міцеллярний стан – коли молекули згруповані в агрегати з мінімальною вільною енергією.

3). Рідкокристаллічний стан – молекули згруповані в агрегати, що являють собою зародки доменів рідких кристалів.

З точки зору термодинаміки найбільш вірогідним є міцелярний стан присадки, оскільки міцела є системою з мінімальною енергією. Мономірний стан в сучасних мастильних матеріал є неможливим, бо концентрація присадки набагато перевищує значення критичної концентрації міцелоутворення [3]. На сьогоднішній день встановлено, що наявність міцел присадки в мастилах негативно впливає на трібологічні характеристики вузлів тертя. Це пов’язано із природою адсорбції молекул на поверхнях тертя. Тут довгі неполярні вуглеводневі радикали не дають змоги полярним часткам молекул потрапити в зону дії силового поля поверхні тертя, рис. 1. Тому граничний змащувальний шар формується з низькою швидкістю.

1 – міцела; 2 – вуглеводневий радикал; 3 – полярно-активна частка

Рис. 1 – Міцела у силовому полі поверхні та зміна силового поля у відстані

Для вирішення цієї проблеми пропонується застосовувати спосіб електростатичної обробки рідких мастильних матеріалів, спрямований на впорядкування молекул в міцелі та перевід її в рідкокристалічний стан [4, 5]. Така молекулярна структура присадки має меншу термодинамічну стабільність, та існує в об’ємі від декількох секунд до декількох хвилин в залежності від температури, тому в реальних системах змащення електростатичну обробку слід вести безперервно.

Зародки доменів рідких кристалів, утворені під дією зовнішнього електричного поля можуть мати різну ступінь впорядкованості, та за різних температур можуть змінювати свою структуру за наступною схемою [6]:

ТК ↔ СРК ↔ НРК ↔ ІР

або

ТК ↔ СРК ↔ ХРК ↔ ІР,

де ТК – твердий кристал;

ИЖ – ізотропна рідина;

СЖК – смектичний рідкий кристал;

НЖК – нематичний рідкий кристал;

ХЖК – холестеричний рідкий кристал.

Враховуючи, що силове поле поверхні тертя по мірі віддалення від поверхні зменшується, то й гранична плівка, утворена з рідкокристалічних зародків буде мати пошарову будову як показано на рис.2.

1 – дімер присадки;

2 – молекула базової оливи;

3 – поверхня тертя.

h_TK – товщина твердого кристалічного шару;

h_C – товщина смектичного шару;

h_H – товщина нематичного шару.

Рис. 2 – Будова граничного змащувального шару, утвореного рідкокристалічними зародками

Розглянемо такий граничний шар з позицій його трібологічних властивостей. Перший твердий кристалічний шар володіє високою несучою здатністю, відтворює мікропрофіль поверхні та має функцію підложки на якій відбувається подальший ріст мезофаз. Другий смектичний шар також володіє високою несучою здатністю в нормальному напрямку, але внаслідок чіткого розшарування має найменший опір тангенціальному зсуву. Ця його властивість визначає мінімальний коефіцієнт тертя у з’єднаннях. Третій рідкокристалічний шар – нематичний має нижчу ступінь впорядкованості молекул і мінімальну анізотропію властивостей, однак його роль у процесі тертя також суттєва, оскільки він амортизує зовнішні механічні навантаження, як слід зменшує інтенсивність фрикційної втомленості поверхонь.

Таким чином, утворені за рахунок електростатичної обробки, рідкокристалічні угрупування молекул присадки сприяють інтенсивному росту граничної змащувальної плівки на поверхнях тертя. Крім того сама плівка, утворена цими надмолекулярними структурами, володіє відмінними властивостями. До них можна віднести більш короткий термін росту на металевій поверхні, підвищену несучу здатність та малі значення коефіцієнту тертя. Відзначимо, що для утворення такого шару на поверхнях тертя необхідно використовувати полярно-активні речовини які володіють потрібними якостями в діапазоні робочих температур, притаманних конкретній технічній системі. На сьогоднішній день до таких речовин можна віднести деякі жирні кислоти, їх ефіри та інші похідні, а також інші поверхнево-активні речовини здатні до мезоморфних перетворень при заданих температурах. Науково обґрунтоване використання цих речовин в якості присадок дозволяє суттєво (в рази) змінювати показники названих трібологічних характеристик.

Література:

1. Лысиков Е.Н., Воронин С.В. Перспективы использования жидких кристаллов в качестве присадок для улучшения эксплуатационных свойств жидких смазочных сред путевых и строительных машин. – Збірник наукових праць УкрДАЗТ. – Харків: УкрДАЗТ, 2008. – Вип. 91. – С.101-109.

2. Лысиков Е.Н., Косолапов В.Б., Воронин С.В. Надмолекулярные структуры жидких смазочных сред и их влияние на износ технических систем. – Харьков: ЭДЭНА, 2009. – 274 с.

3. Мицеллообразование, солюбизация и микроэмульсии./ Под ред. К.Л. Миттела, П. Мукерджи, Л.М. Принса - М.: Мир, 1980 - 597 с.

4. Спосіб обробки рідких мастильних матеріалів. Є.М.Лисіков, С.В.Воронін. Патент UA № 83946, МПК7: C10N. № а 2007 01155. Заявл. 15.02.2007. Опубл. 26.08.2008, Бюл. № 16.

5. Воронін С.В. Формування доменів рідких кристалів у змащувальних матеріалах під дією зовнішніх силових полів. – Збірник наукових праць УкрДАЗТ.– Харків: УкрДАЗТ, 2011. – Вип. 127. – С. 213-219.

6. А.А. Адамчик, З. Стругальский. Жидкие кристаллы: пер. с польск./Под. ред. И.Г. Чистякова. М.: Сов. Радио, 1979 - 160 с.