О ТРЕНИИ, ГРАФИТЕ И НАНОТЕХНОЛОГИЯХ
Кандидат технических наук Д. БОБРОВ.
Из школьного курса физики большинству из нас известно, что коэффициент полезного действия (КПД) двигателя внутреннего сгорания есть отношение мощности «на выходе», то есть мощности, которую можно реально с двигателя снять и полезным образом использовать, к теоретически возможной его мощности. К сожалению, это отношение очень далеко от единицы — самые лучшие судовые, автомобильные и даже авиационные моторы тратят более половины вырабатываемой ими энергии на банальный нагрев атмосферы и преодоление всевозможных потерь. Весьма значительная доля этих обидных затрат приходится на преодоление трения в механизмах двигателя. В этой небольшой статье мы не будем исследовать тепловые потери двигателя, остановимся лишь на потерях на трение. Но для начала немного теории.
Итак, что такое трение и есть ли от него польза?
Эффект трения известен очень давно. И так же давно люди научились использовать трение в «корыстных» целях. Например, для добывания огня или скрепления разного рода деталей. Скажем, узел на верёвке, гайка на болте, нитка в шве (примеров бесконечное множество) держатся исключительно благодаря силе трения. В этих случаях сила трения, конечно, полезна. Но когда силу трения приходится преодолевать, чтобы, например, сдвинуть с места железнодорожный состав или выдвинуть ящик из стола, полезной её не назовешь. И хотя в большинстве случаев виновата не она одна, инженеры издавна старались по возможности силу трения снизить. Изучению действия силы трения исследователи уделяли много времени, но поняли её природу и законы, которым она подчиняется, как ни странно, совсем недавно. Впрочем, и до сих пор многое в механизме возникновения трения не до конца понятно.
Вероятно, одним из первых инженеров, сформулировавших закон трения, стал Леонардо да Винчи (интересно, в какой области он не был первым — разве что в нанотехнологиях?). Именно он ещё в начале XVI века утверждал, что сила трения, возникающая при контакте тела с поверхностью другого тела, пропорциональна силе прижатия (или нагрузке), действует в направлении, противоположном направлению движения, и не зависит от площади контакта. Через 180 лет после Леонардо этот закон был вновь открыт Г. Амонтоном и развит Ш. Кулоном. Они ввели понятие коэффициента трения. По их мнению (большинство людей, кстати, придерживаются такой точки зрения до нынешнего времени), именно этот коэффициент определяет величину силы трения для любой пары находящихся в контакте материалов.
Классическая формула Fтр = fтрP, где P — сила прижатия, fтр — коэффициент трения, а Fтр —сила трения, приводится практически в любом учебнике физики. Значение коэффициента трения — величина, которую можно найти во множестве справочников для различных пар материалов, например: сталь по стали, сталь по бронзе, дерево по стали и т.д. — практически до бесконечности.
Инженеры давно обратили внимание на то, что величина этого коэффициента зависит от множества параметров. Причём далеко не всегда для одних и тех же пар материалов коэффициент трения остаётся постоянным. Прежде всего, выяснилось, что коэффициенты трения зависят от чистоты обработки да и просто от состояния поверхности. Например, для пары дерево-сталь (для одной и той же марки стали и породы дерева) коэффициент может быть разным в зависимости от направления волокон и влажности древесины. Уже в XIX веке исследователи определили, что закон Амонтона — Кулона не даёт корректного описания силы трения и что коэффициенты трения не являются величинами постоянными. А кроме того, выяснилось, что сила трения в статике (её так и называют — статическая сила трения) существенно отличается от силы трения при движении.
Это можно продемонстрировать на простом опыте. Сдвинем с места при помощи тросика с динамометром массивное тело и запишем показания динамометра. Видим, что, пока сила, приложенная к концу тросика, не достигнет определённой величины, тело остаётся неподвижным, но стоит эту величину превысить, как тело начнёт двигаться. И самое интересное: сила, необходимая для поддержания движения тела, оказывается заметно меньшей, чем «пороговое» усилие, потребовавшееся для того, чтобы начать движение. Эту «пороговую» силу принято называть силой статического трения. Ш. Кулон изучал силу трения, возникающую именно в процессе медленного равномерного движения. Он установил, что в таких условиях она не зависит не только от площади контакта, но и от скорости взаимного перемещения тел.
Самый распространённый, а зачастую и наиболее простой способ снижения трения — использование смазки. Видимо, первыми, кто начал использовать смазку, были древние изготовители повозок. Достаточно в ступицу деревянного колеса, нещадно скрипящего на деревянной же оси и протирающего эту ось за несколько поездок, добавить кусок обычного сала или понемногу, но регулярно подливать масло, оно и скрипеть перестаёт, и катится легче, и оси служат дольше. Кстати, в разных районах в качестве смазки использовали разные местные материалы, от курдючного сала до дёгтя, от природной нефти до графита.
Бешеные темпы развития техники на рубеже XIX—XX веков спровоцировали активные исследования трения. Этим занимались специалисты в области классической механики, физики поверхности, химии, термодинамики. Пришлось даже выделить такие исследования в отдельную отрасль науки — трибологию. Не потеряли актуальности трибологические исследования и в настоящее время. Только в Соединённых Штатах ими постоянно занимаются более тысячи человек, очень активно развиваются такие исследования в Японии, во Франции.
Чтобы разобраться в причинах возникновения силы трения и в причинах её непостоянства, рассмотрим в общем случае топографию соприкасающихся поверхностей.
Заметим, что поверхности реальных деталей никогда не бывают обработаны идеально, никогда не являются безукоризненно плоскими. По меткому замечанию одного из родоначальников современной трибологии Ф. Бо-удена, «наложение двух твёрдых тел одного на другое подобно наложению швейцарских Альп на перевёрнутые австрийские Альпы — площадь контакта оказывается очень малой» (цитируется по статье А. А. Первозванского «Трение — сила знакомая, но таинственная» на сайте «Русский переплёт» http://www.pereplet.ru/obrazovanie/stsoros/499.html).
Приложение прижимающей силы приводит к тому, что вершины неровностей деформируются, частично разрушаются, площадь контакта увеличивается примерно пропорционально прилагаемой нагрузке. Считается, что момент же начала движения одной поверхности относительно другой дополнительно происходят и упругая деформация, и разрушение части микроскопических «пиков» на сопрягаемых поверхностях. На это тратится некоторая энергия, и именно эта энергия и обуславливает превышение силы трения покоя над силой трения движения. Впрочем, исследования последних лет показали, что не только она. В момент старта приходится преодолевать адгезионные силы, силы химической связи, в некоторых случаях даже магнитные силы.
И всё же сила трения в наибольшей степени зависит от силы, с которой поверхности прижимаются одна к другой, от свойств материалов и качества их обработки. Картину существенно может изменить (и изменяет на практике) любая проникшая в зазор между трущимися поверхностями жидкость (или паста). Полную картину можно приблизительно описать следующим образом: при начале относительного движения соприкасающиеся «пики» неровностей противоположных поверхностей начинают деформировать друг друга. В пределах небольших перемещений эти деформации имеют упругий характер. Скольжение происходит как по уже имеющимся зонам контакта, так и по сглаженным пикам. Мельчайшие частицы разрушенных пиков оказываются в зазоре и создают дополнительное сопротивление перемещению. При больших усилиях сжатия некоторые из них привариваются к поверхности и создают задиры. По мере нарастания скорости сдвига жидкая смазка (если она есть) начинает создавать довольно заметную подъёмную силу; значительная часть непосредственных контактов между поверхностями пропадает, и сила трения снижается. При ещё большем увеличении скорости контакт может пропасть совсем и одно тело будет как бы плыть над другим. В этом случае сила трения почти целиком определяется свойствами смазки. Но и в таком режиме сила трения не исчезает бесследно, поскольку с возрастанием скорости движения жидкости растёт вязкое сопротивление.
Неразрывный слой смазки обеспечивает отсутствие непосредственного контакта трущихся поверхностей. В этом случае сила трения покоя (или сила, необходимая для начала движения) практически равна нулю. Однако в реальных механизмах такая ситуация — редкость. Например, в двигателях внутреннего сгорания или механизмах трансмиссии после паузы в работе масло стекает в картер и в зазорах трущихся пар его остаётся совсем немного. Правда, современные смазочные материалы благодаря применению специальных присадок полностью с поверхностей не стекают, тончайшая плёнка остаётся даже после длительной стоянки, однако для полной защиты механизма в момент пуска этого недостаточно.
Скажем несколько слов о современных маслах. Они призваны не только снизить потери на трение, но и решить ещё несколько задач. Прежде всего, их обязанность — защищать механизм от износа. Следовательно, масло должно иметь возможность попадать в зазор трущейся пары при низкой температуре и не вытекать из него при высокой. То есть оно должно обладать не слишком высокой вязкостью на холоде и не слишком низкой при 150—200оС. Вязкость масла должна быть такой, чтобы при больших усилиях сжатия в трущейся паре оно не выдавливалось из зазора и сохраняло плёнку между деталями. Масло должно защищать детали механизма от коррозии, обладать моющими свойствами, удерживать во взвешенном состоянии нерастворимые частицы нагара, продуктов износа трущихся пар, продуктов неполного сгорания топлива и т.д. Масло не должно окисляться само (окисление масла называют процессом его старения) и должно защищать от окисления детали механизма. Словом, разнообразных требований к маслу предъявляется масса.
Главные свойства современных масел определяются как основой, из которой они приготовлены, так и целым набором специальных присадок. В большинстве случаев современные смазочные материалы работают весьма эффективно и не требуют использования добавок. И всё же любое масло рассчитано на некие усреднённые условия использования. В каждом же конкретном случае, в зависимости от условий эксплуатации, от её продолжительности, от аккуратности персонала и многих других причин, механизмы пребывают в разном состоянии. Среднестатистических качеств масел может оказаться недостаточно для полноценной защиты и, самое главное, полноценной и экономичной эксплуатации. По этой причине в некоторых случаях в масло рекомендуют добавлять дополнительные присадки. Впрочем, это не единственный путь. Оказывается, можно менять не свойства масла, а свойства поверхностей трущихся пар.
Ещё в середине 40-х годов прошлого века для продления ресурса авиационных двигателей в Институте авиационных материалов был создан материал на основе дисульфида молибдена (MoS2). Мелкодисперсный порошок размешивали в масле и заправляли вместе с основной порцией смазки в двигатель. Порошок заполнял поры и неровности поверхности металла и существенно снижал трение. В некоторых случаях двигатели работали несколько минут даже при полной потере масла. В дальнейшем на основе дисульфида молибдена были созданы составы для работы не только с двигателями, но и с редукторами. До недавних пор этот материал был абсолютным лидером на рынке антифрикционных присадок.
Напомним, одним из необходимых свойств масла должна быть его способность противостоять износу деталей. А что делать, если износ уже имеет место? Ремонт? Иногда его не избежать, но если вовремя остановить износ, можно обойтись без разборки мотора или коробки передач. Остановить износ помогает новый класс нанотехно-логических материалов, которые при добавлении в масло не изменяют его свойства, зато кардинальным образом сводят дальнейший износ к минимуму.
Подобный материал разработан не так давно в «Промышленной группе "Инновационная энергия"». Разработчики исходили из того, что одним из наиболее низких коэффициентов трения обладает пара графит-графит. Если в этой паре присутствует небольшое количество масла, то трение снижается еще более существенно. Если же поверхности трущихся деталей обладают некоторой эластичностью, то силу трения вообще можно снизить на два, а иногда и на три порядка.
Дело было за малым: создать такую композицию, которая не изменяла бы свойства масла, не задерживалась бы масляным фильтром, оседала бы на трущихся поверхностях, но не где попало, а в наиболее нагруженных местах, и одновременно заполняла бы увеличенные сверх меры зазоры. И создать такой состав удалось. Попутно пришлось решить ещё одну задачу: очистка трущихся поверхностей от оседающих на них нагара и других загрязнений.
В состав препарата входят нанопорошки диоксида кремния, триоксида алюминия и плазменно расширенного графита. Все компоненты диспергированы в нейтральном масле, совместимом с любыми минеральными или синтетическими маслами.
Попадая в двигатель, новый состав первым делом растворяет и отмывает нагар, грязь и лак. Любой человек, хоть раз разбиравший двигатель автомобиля, знает, насколько прочна эта субстанция. Смытая грязь задерживается масляным фильтром. Далее нанотехнологический порошок формирует на трущихся поверхностях эластичный антифрикционный слой. Он заполняет неровности металла, сводя трение к минимуму. Основу защитного слоя составляют молекулы масла, связанные в пространственную структуру частицами оксида кремния, — своеобразный коллоидный раствор. Подложкой служат частицы триоксида алюминия, а внешнюю поверхность защищает тончайшая плёнка плазменорасширенного графита.
Активнее всего образование защитного слоя происходит в зонах повышенного давления и температуры, то есть на наиболее нагруженных участках, требующих самой тщательной обработки и надёжной защиты. По мере образования защитного слоя трение на этих участках снижается и скорость нарастания слоя также падает, зато начинается нарастание защиты в других местах, куда перераспределяется нагрузка.
Новый препарат прошёл испытания в нескольких крупных автохозяйствах и показал отличные результаты. Снижение потерь на трение в двигателях внутреннего сгорания, особенно на низких оборотах, привело к заметному увеличению крутящего момента при одновременном снижении удельного расхода топлива. А это очень важно, особенно для городских условий эксплуатации, ведь частые старты и набор скорости являются главными виновниками загрязнения воздуха: чтобы добиться необходимого для трогания с места крутящего момента, двигатель приходится «раскручивать», неполностью сгоревшее топливо «летит в трубу» в прямом и переносном смысле. Снижение потерь на трение приводит и к улучшению мощностных характеристик двигателя. Прирост мощности достигает 5—7%. Не менее важно и то, что с применением подобного рода материалов увеличивается ресурс механизмов (и двигателей и трансмиссий), что убедительно показали проведённые испытания.
Читайте в любое время
