Результат интеллектуальной деятельности: Низкотемпературное смазочное масло на основе полиэтилсилоксанов

Изобретение относится к жидким смазочным составам на кремнийорганической основе, в частности к низкотемпературным смесевым смазочным маслам на полиэтилсилоксановой основе, которые находят применение в различных отраслях транспорта, промышленности, промышленного оборудования и судовых механизмах различного назначения, трансмиссий и высоконагруженных узлов вертолетов для обеспечения работы узлов трения в экстремальных условиях.

В последнее время требования по работоспособности, предъявляемые к смазочным составам для трансмиссий и высоконагруженных узлов трения значительно возросли. Смазки должны обеспечить длительный ресурс работы таких узлов при нагрузках до 150 МПа. Для обеспечения длительного ресурса работы, смазки должны обладать хорошими смазочными, антифрикционными и антикоррозионными свойствами, специфическими реологическими свойствами, обеспечивающими хорошую подпитку узлов трения и минимальные энергетические затраты на трение.

В настоящее время существующие смазки обеспечивают эксплуатацию техники только до температуры не ниже минус 50°С. Разработка смазок, обладающих улучшенными низкотемпературными характеристиками, при сохранении других эксплуатационных свойств на необходимом уровне, является актуальной задачей для обеспечения эксплуатации техники в условиях Арктики и Крайнего Севера при экстремальной температуре до минус 70°С.

Перед авторами стояла задача разработать антифрикционную многоцелевую морозостойкую смазку с улучшенными низкотемпературными характеристиками, в частности пусковые свойства при температуре до минус 70°С при сохранении других эксплуатационных свойств на необходимом уровне, и отвечающую следующим требованиям по основным показателям качества:

по вязкостно-температурным характеристикам - кинематическая вязкость V₁₀₀ > 5 мм²/с, температура застывания Т_з < -70°С, по смазывающей способности на ЧМТ - диаметр пятна износа D_и < 0,6 мм, нагрузка сваривания Р_с > 3900 Н.

В ходе патентного поиска по фондам ведущих зарубежных стран установлено, что силиконовые смесевые масла за рубежом получают на основе полиметилсилоксановых жидкостей с использованием различных добавок. При этом основа не обладает приемлемыми для нас свойствами совместимости с минеральными и синтетическими углеводородными средами, приемистостью к присадкам, что исключает применение полиметилсилоксанов в отечественной промышленности при производстве низкотемпературных смесевых смазочных масел.

Известны приборные масла с использованием в качестве базового компонента жидких полиэтилсилоксанов (Авт. св. СССР 248881, 1969 г., МКИ 4 С10М 131/12, С10М 129/40, С10М 101/02; Авт.св. СССР 293840, 1971 г., МКИ 4 С10М 101/02, С10М 107/50). Эти жидкости, имея высокие значения краевого угла смачивания, благоприятные для капельной смазки, не применимы для смазки широко распространенных узлов трения, в том числе для пар трения сталь - сталь.

Известны также смазочные масла на основе полиэтилсилоксанов (Авт. св. СССР 286122,1971 г., МПК С10М 5/26, С10М 5/08, Авт.св. СССР 859428, 1981 г., МКИ 4 С10М 129/02, С10М 107/50; Авт. св. СССР 1004456, 1983 г., МКИ 4 С10М 135/36, С10М 107/50), которые обладают удовлетворительными смазочными характеристиками при использовании их в узлах трения для пар трения сталь-бронза, сталь-медный сплав. Однако их смазывающие свойства недостаточны для пары трения сталь-сталь.

Известны низкотемпературные смазочные композиции на основе жидких полиэтилсилоксанов, содержащие полиэтилсилоксаны с молекулярной массой 500-1000 г/моль и вязкостью 40-50 мм²/с, полиальфаолефины со средней степенью олигомеризации 7-8 и молекулярной массой 900-1200 г/моль и диоктилсебацинат. Описанные композиции характеризуется хорошими низкотемпературными свойствами (температура застывания ниже минус 80°С) и удовлетворительными смазочными свойствами (Патент РФ №2194741, МПК С10М 107/50, С10М 161/00, 2001 г.).

К недостаткам данных композиций можно отнести низкую смазочную способность при скольжении в узле трения сталь-сталь (диаметр пятна износа на четырехшариковой машине трения при длительности испытания 60 мин. и нагрузке 196 Н достигает значений 0,85 мм).

Наиболее близким по составу и назначению к заявленному объекту является смесевое кремнийорганическое низкотемпературное масло, выбранное нами в качестве прототипа, представляющее собой смесь полиэтилсилоксановой жидкости ПЭС-4 и минеральных масел состава, мас.%:

(ГОСТ 18375-73 с изм. 1-5, ТУ 6-02-897-78 с изм. 1-5)

Первый компонент масло МС-14 (ГОСТ 21743-76) - авиационное масло селективной очистки. Используется в осевых шарнирах втулок винтов вертолетов, а также в качестве базового компонента для некоторых моторных масел и смазок. Масло МС-14 в настоящее время не производиться.

Несмотря на то, что смесевое масло (прототип) до настоящего времени широко использовалось в различных узлах трения, в том числе для пар трения сталь-сталь, тем не менее оно не удовлетворяет современным требованиям при работе машин и механизмов с наиболее распространенными парами трения сталь-сталь из-за низких смазывающих свойств в условиях экстремально низких температур.

Задача настоящего изобретения - разработка состава масла, обладающего лучшими низкотемпературными вязкостными свойствами, обеспечивающего стабильную работу и повышенный срок эксплуатации тяжелонагруженных узлов трения машин и механизмов, трансмиссий и осевых шарнирах втулок винтов вертолетов в которых присутствуют пары трения сталь-сталь.

В результате научных и экспериментальных исследований поставленная задача решена путем создания низкотемпературного масла, состоящего из следующих компонентов: полиэтилсилоксановой жидкости ПЭС-3, минерального масла ТСгип ТУ 38.1011332-90, присадок жидкого беззольного дитиофосфата Irgalube 353 и Агидол-1 ТУ 38.5901237 при следующем содержании компонентов, мас.%:

Данная композиция отличается лучшими смазочными свойствами для пары трения сталь-сталь, причем ее смазочные свойства существенно превосходят эти свойства каждого компонента в отдельности (табл. 1), что является решением поставленной задачи.

Следует отметить, что при содержания серы до 19,8%, и фосфора 9,3%, как это сделано в предложенной присадке Irgalube 353, существенно повышаются противоизносные показатели при сохранении достаточно высокого уровня противозадирных свойств.

В качестве антиокислительной присадки фенольного типа используют 4-метил-2,6-ди-третбутилфенол (Агидол-1) ТУ 38. 5901237.

Смазочное масло имеет не только хорошие смазывающие свойства, но и широкий температурный диапазон применения. При замене одного из компонентов эксплуатационные свойства смазочного масла ухудшаются, а именно при использовании ПЭС-1 и ПЭС-2 снижается верхняя граница температурного диапазона применения масла, а при использовании ПЭС-5 и ПЭС-4 - за счет высокой вязкости этих жидкостей при низких температурах повышается температура застывания. Следовательно, заявленный состав смазочного масла является оптимальным для решения поставленной задачи.

Смазочное масло разработано из доступного сырья, выпускаемого промышленностью, компоненты масла регламентированы действующими нормативно-техническими документами. В качестве основы состава используются жидкости ПЭС-3 (ГОСТ 13004-77 с изм. 1-3 и ТУ 6-02-1-038-92 соответственно).

Технология приготовления масла включает дозировку компонентов в указанном выше соотношении и смешение их при температуре окружающей среды в течение не менее 30 мин с последующей фильтрацией.

Нами исследованы физико-химические и триботехнические свойства смесей масла ТСгип и полиэтилсилоксановой жидкости ПЭС-3. Результаты представлены в таблица 1.

Из таблицы видно, что маслосмесь, состоящая из 40% ТСгип и 60% ПЭС-3, обладает необходимыми низкотемпературными свойствами и высокой нагрузкой сваривания. В тоже время показатель «диаметр пятна износа» данной смеси выше заданного техническими требованиями.

Для повышения триботехнических свойств смазочной композиции использовали следующие антифрикционные присадки: А-22, А-23, ДФ-11, ВНИИ НП-354, K-33, K-34, K-36, K-45, К-135, ТЭФ-3, АДТФ, осерненные масла, Irgalube 353.

Среди изученных присадок наибольшую эффективность показала присадка Irgalube 353, таблица 2.

Добавление присадки Irgalube 353 в смазочный материал, состоящий из 40% ТСгип и 60% ПЭС-3, позволяет снизить пятно износа шариков до значений, не превышающих норму в соответствии с техническими требованиями. Оптимальную эффективность присадка Irgalube 353 проявляет при концентрации равной 0,5%.

С приготовленными образцами масел, состав которых приведен в таблице 3, проводились лабораторные испытания квалификационными методами, принятыми для моторно-редукторных масел. Результаты определения вязкостно-температурных показателей, трибологических свойств на ЧМТ (ГОСТ 9490-75) в сравнении с результатами испытаний масла ТСгип и прототипа приведены в таблице 4.

Данные, приведенные в таблице 4, подтверждают высокую эффективность предлагаемого масла. Предлагаемое масло представляет собой современное авиационное универсальное смазочное масло, которое может заменить такие масла, как ТСгип, СМ-9, ВО-12 и, не имея присущих этим маслам недостатков (узкий диапазон температур эксплуатации, плохие антифреттинговые свойства), полностью соответствует современным требованиям.

Из сравнения данных таблиц видно, что предложенный состав смазочного масла значительно превосходит по низкотемпературным, вязкостным и смазочным характеристикам известное смазочное масло (прототип).

Комплекс проведенных исследований свидетельствует о том что, предложенные масла полностью решают проблему замены масла ТСгип, а также маслосмесей СМ-9 и "50:50", открывая благодаря оптимальному сочетанию смазывающих свойств и дополнительной возможности для увеличения ресурса втулок винтов и хвостовых трансмиссий вертолетов, чему в настоящее время придается большое значение.

Применение смазочного масла в парах трения сталь-сталь различных узлов и изделий, работающих в условиях Крайнего Севера, позволило повысить надежность работы узлов, значительно уменьшить их износ, снизить затраты на ремонт и техническое обслуживание и сократить величину энергии, необходимой для запуска механизмов при отрицательных температурах.

По смазочному действию и достигаемому техническому эффекту ближайшим аналогом заявляемой композиции являются применяющиеся в вертолетных агрегатах трансмиссионное масло для гипоидных передач ТСгип ТУ 38.1011332-90, а также низкозастывающие маслосмеси ТСгип/АМГ-10 [В.М. Школьников. Топлива, смазочные материалы, технические жидкости. Справочник, М.: Техинформ, 1999, с. 174-175].