Научно-исследовательская работа "Нано+Механика"

ОБЛАСТНОЙ КОНКУРС ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИХ РАБОТ

«МЕХАНИКА ВОКРУГ НАС»

_______________________________________________________

Номинация: «Нано» + «Механика»

Тема: «Самостоятельное повышение потребителем ресурса и срока эксплуатации механических устройств с применением нанотехнологий»

_______________________________________________________

Автор:

Попов Алексей Андреевич

студент группы 0327

Руководитель:

Салиев Вячеслав Владимирович

преподаватель физики

ОГБПОУ:

Кожевниковский техникум агробизнеса

2018

Содержание

Введение

В наш информационный и высокотехнологичный век актуален вопрос надёжности и долговечности работы механических устройств, узлов и агрегатов различной техники. К сожалению многие производители электроники, бытовой техники, автомобильного транспорта и т.д. с целью получения сверхприбыли не заинтересованы в долговечности и надёжности своей продукции. Для того, чтобы не замедлять темпы производства владельцы крупных промышленных компаний «закладывают» в свою продукцию так называемый «эффект запланированного устаревания». Суть этого эффекта заключается в том, что в выпускаемую продукции заложены такие характеристики и параметры материала изделия, которые не позволяют пользоваться потребителю выше указанного производителем срока эксплуатации. Таким образом несмотря на научный прогресс общество становится потребительским. Ради получения сверхприбыли повышаются темпы добычи полезных ископаемых, резко обостряется проблема складирования и переработки бытовых отходов, наносится вред окружающей среде.

А можно ли самостоятельно с гарантированным эффектом повысить срок заявленной производителем эксплуатации технологически сложных изделий и механизмов с помощью новых современных нанотехнологий? Исследованию этого и будет посвящена наша работа.

Тема исследования:

«Самостоятельное повышение потребителем ресурса и срока эксплуатации механических устройств с применением нанотехнологий.»

Актуальность исследования — почему эту проблему нужно изучать:

В наше время нанотехнологии занимают ведущую роль во всех отраслях человеческой деятельности. О нанотехнологиях мы слышим из различных источников: из интернета, телевизионных программ, газет и журналов. Область применения этих технологий весьма обширна от медицины до космонавтики. Поэтому изучение применения этой технологии является актуальным и перспективным направлением научно-технической деятельности в различных отраслях.

Цель исследования:

Выяснить возможность повышения ресурса и эксплуатационных характеристик механических устройств при применении потребителем нанотехнологических средств .

Гипотеза:

Применение нанотехнологий в механике увеличивает срок эксплуатацией механических деталей и устройств.

Новизна, практическая значимость:

Оказывается многие производители настоятельно не рекомендуют использовать высокотехнологичные средства в механических устройствах и агрегатах. Нам и предстоит выяснить обоснованы ли их рекомендации.

Задачи исследования:

- изучить принцип работы атомарных масел и присадок в механических узла и устройствах

- исследовать опыт и результаты использования испытаний данных наномасел и наноприсадок в технических журналах и литературе.

- изучить отзывы потребителей в интернете о данной продукции.

Ход исследования.

Этап 1. Изучить специальную литературу.

Этап 2. Провести опрос среди обучающихся и педагогов техникума об их знании сферы применения атомарных масел и присадок.

Этап 3. Проанализировать и сравнить полученные результаты.

Этап 4. Сделать выводы.

Этап 5. Сделать презентацию, выступить на конференции в техникуме и выпустить брошюру с анализом необходимости применения атомарных масел и присадок.

Исследование:

1. Литературный обзор

Первое поколение присадок с дисульфитом молибдена.

Практически каждый автолюбитель слышал о различных присадках в двигатель, которые изменяют и улучшают свойства моторного масла, создают защитный слой на деталях, уменьшают трение и износ. Как обещают производители, после использования таких продуктов двигатель становится чище, увеличивается  ресурс ДВС, происходит снижение шума во время работы мотора, снижение трения обеспечивает экономию топлива и т.д.

Отметим, что среди давно известных и распространенных составов отмечена молибденовая присадка в двигатель. Еще в продаже имеются и моторные масла различных брендов, которые отличаются от аналогов тем, что сразу имеют в своем составе молибден. По заверениям изготовителей такое моторное масло с молибденом является смазочной жидкостью, которая наилучшим образом защищает двигатель благодаря сбалансированному пакету присадок в комплексе с молибденовой добавкой.

Немного истории:

Защитные свойства дисульфида молибдена (MoS2) известны давно. Еще во время Второй мировой войны немцы добавляли дисульфит молибдена MoS2 в моторы танков. В случае повреждений танкового двигателя и утечки масла силовой агрегат был способен некоторое время дальше работать благодаря молибденовому защитному слою. Это нередко позволяло выйти из боя и добраться до места ремонта своим ходом. Также американские военные использовали масло с молибденом в различных агрегатах и узлах вертолётов во время вьетнамской войны. Если возникала аврийная протечка масла, повреждённый агрегат продолжал работать без масла, позволяя пилоту оставаться в воздухе и выиграть время чтобы посадить машину.

Казалось бы, средство имеет сплошные плюсы. Однако после применения масел и присадок с молибденом сегодня можно столкнуться как с положительными отзывами, так и с отрицательными. Давайте подробнее разбираться, что представляет собой указанная добавка.

Идем далее. С учетом постоянно растущих требований к маслам производители добавляют в свои продукты различные антифрикционные пакеты компонентов для повышения энергоэффективности смазок и улучшения защиты от износа. Указанные добавки могут быть жидкими или твердыми, в состав могут входить эстеры, молибденовые добавки, керамические компоненты или графит. Молибден является давно и хорошо известной противозадирной и противоизносной присадкой в моторное масло, похож по принципу действия на графитовые компоненты, имеет слоистую пластинчатую структуру.

Если точнее, молекулярная структура дисульфида молибдена представляет собой прочную связь 1 атома молибдена с 2 атомами серы. Атомы серы по размеру приближены к атомам металла. В результате сера обеспечивает высокие адгезионные свойства, прикрепляясь к поверхности нагруженных деталей.

Итак, связь серы и молекул молибдена прочная, а соединение между молекулами серы слабое. В результате получается, что трущиеся поверхности активно покрываются защитным слоем из молекул молибдена, при этом указанные молекулы свободно скользят по отношению друг к другу.

В итоге металлические поверхности не контактируют между собой, исключается трение и перегрев, уменьшается износ деталей. Также молибден в составе масла стабилен, то есть постоянно находится во взвешенном состоянии, не оседая на поверхностях. Еще образуемая молибденовая пленка отличается малой толщиной, она не способна уменьшить расчетные зазоры в двигателе и нарушить свободную подачу масла к нагруженным парам.

Другими словами, в такой смазке содержатся твердые частицы дисульфида молибдена, причем размер указанных частиц достаточно большой. В процессе работы мотора такие частицы оказываются не только на поверхности нагруженных трущихся деталей, но и в тех участках, где их нахождение может причинить вред.

В качестве примера можно отметить поршневые кольца и канавки. Как показывает практика, масла с дисульфидом молибдена под воздействием высоких температур в двигателе способствуют быстрой закоксовке колец и их залеганию.

В результате нарушается работа поршневой группы, газы из камеры сгорания прорываются в картер, масло быстро стареет и окисляется, коксование двигателя усиливается. По этой причине смазку с дисульфидом молибдена или похожие присадки в двигателе лучше не использовать.

Что касается альтернативы, среди современных разработок в сфере энергосберегающих молибденовых масел с пониженной вязкостью (0W20, 0W30 и т.п.) можно встретить продукты с использованием органического молибдена. Указанная антифрикционная присадка является эффективным модификатором трения, который хорошо растворяется в моторном масле.

Простыми словами, после выхода на рабочие температуры маловязкие смазки сильно разжижаются и формируют тонкую масляную пленку. Органический молибден в составе таких смазок позволяет избежать износа. Сами масла с органическим молибденом отличаются от других продуктов на рынке ГСМ благодаря характерному зеленоватому оттенку.

Более того, указанная пленка весьма стабильна даже в условиях высокого нагрева. Что касается самой защитной пленки после применения молибдена, слой формируется не постоянно. После того, как пленка сформировалась, дальнейшее образование происходит по мере износа имеющегося слоя.

Однако такого эффекта можно достичь только при условии того, что масло с молибденом находится в двигателе постоянно. Если использовать смазку с молибденом только периодически,  тогда защитная пленка изнашивается, то есть нельзя говорить о дальнейшем сохранении антифрикционных и противоизносных свойств.

Минусы использования моторных масел с молибденом на практике

Как отмечают эксперты и опытные механики, если раньше можно было говорить о какой-либо пользе, то сегодня использование молибдена не оправдано по отношению к двигателю.

Дело в том, что ранее моторные масла не имели в своем составе активного пакета моющих присадок. Однако за последние годы ситуация сильно изменилась. Продукты последних поколений содержат  много кальция, щелочи и т.д.

Если просто, присадки с кальцием  вступают в реакцию с молибденом, причем это происходит раньше того момента, когда молибден успеет создать защитную пленку на поверхности деталей из металла.

Результатом такой реакции становится большая по размеру молекула, а скопление таких молекул оседает на масляном фильтре, загрязняя его. Получается, добавлять в современные масла дисульфид молибдена нежелательно. Прежде всего, моющие присадки в базовом масле вступают в реакцию с добавкой и «срабатываются», затем загрязняется фильтр, далее быстро прогрессирует и общее загрязнение двигателя.

Причина заключается в том, что продуктами окисления дисульфида молибдена является окись молибдена и сера. Молибденовая окись имеет абразивные свойства, а сера вызывает коррозию.

Выводы по первому поколению присадок с молибденом:

• Присадки с молибденом забивают масляный фильтр двигателя

• Длительное использование выводит мотор из строя

• Соединения серы повышают коррозию.

Второе поколение присадок – ревитализанты.

Вот что пишет официальный сайт компании, выпускающий продукцию под брендом Хадо:

«Ревитализанты представляют собой присадки нового поколения. Их добавляют в смазочный материал для улучшения его эксплуатационных характеристик. В системе мотора неизменно присутствуют трение и повышенные тепловые нагрузки. Чтобы их снизить, водители заливают в картер своего мотора различные высокотехнологичные средства»

Гранулы, которые находятся в состав вещества, попадают в систему вместе со штатной смазкой. Она переносит вещество ко всем металлическим составляющим. Если на поверхности есть микротрещина, присадки начинают свое активное действие. Они образуют на трущихся поверхностях плотный металлокерамический слой, который снижает трение и температуру в местах соприкосновения деталей двигателя

Таблица 1.1 Параметры рабочих поверхностей деталей до и после применения ревитализанта.

Изобретение относится к нанотехнологии и к способу получения наноматериалов, которые могут использоваться в смазочных составах для обработки узлов трения, а также для восстановления трущихся поверхностей деталей механизмов и машин.

Наноструктуры ревитализанта - это новый шаг в техническом прогрессе, который связан с уменьшением характерных размеров материалов и переходом их на уровень нанофазных материалов, свойства таких материалов могут иметь существенные изменения, при этом у индивидуальных нанообъектов и организованных образований из нанообъектов возникают новые свойства, важные для технического применения в разных областях техники.

Сам термин «ревитализант\revitalizant» используется как сокращенный оригинальный технический термин, обозначающий «смазочный состав для восстановления узлов трения», полученный по определенной технологии и который предназначен для осуществления процесса ревитализациии который по технической сущности означает активацию или восстановление первоначальных технических параметров или свойств трущихся поверхностей или узлов трения.

Известно, например, техническое решение «Суспензия органико-неорганических наноструктур, содержащая наночастицы благородных металлов» (патент РФ №2364472 от 11.10.2007), согласно которому наноструктура выполнена в виде поликомплекса в двухфазной реакционной системе, состоящей из двух объемных контактирующих несмешивающихся жидкостей, при этом поликомплекс включает органические молекулы, содержащие аминогруппы в количестве 2 или более, и наночастицы благородных металлов.

Как видно из описания технической сущности предлагаемого технического решения, оно является новым и может быть использовано при создании и использовании смазочных составов, в которых первоначальный размер частиц наноструктуры ревитализанта сопоставим по масштабу с размерами дефектов поверхности (зернистость, микрошероховатость). Воздействие наноструктуры ревитализанта (смазочного состава) на трущуюся поверхность приводит к пластической деформации металла в нанообъемах и перевод в активное наноструктурированное состояние трущегося поверхностного слоя. При этом происходит интенсивное дробление зерен металла, увеличение плотности их границ, улучшаются условия для диффузии углерода вглубь поверхности (по вертикали) и внутрь зерен (по горизонтали).

Взаимодействие ревитализанта с материалами поверхностей при образовании модифицированного покрытия можно описать как формирование металлокерамического покрытия, состоящего в основном из карбидов металла. Экспериментальным путем установлено, что на этом этапе наноразмерность частиц ревитализанта обеспечивает размерный эффект их механического взаимодействия с поверхностью металла. Эффект заключается в том, что первоначальный размер частиц ревитализанта сопоставим по масштабу с размерами дефектов поверхности (зернистость, микрошероховатость и т.д.). Такое взаимодействие приводит к пластической деформации металла в нанообъемах и перевод в активное наноструктурированное состояние поверхностного слоя. При этом происходит интенсивное дробление зерен металла, увеличение плотности их границ, улучшаются условия для диффузии углерода вглубь поверхности (по вертикали) и внутрь зерен .

Таким образом, согласно предложенному техническому решению, наночастицы ревитализанта выступают концентраторами давления. Давление частичек ревитализанта в местах контакта с поверхностью достигает высоких значений, поскольку его величина обратно пропорциональна квадрату размера частицы (2-2000 нм), т.е. в наноструктурированном состоянии ревитализант формирует уникальные Р, Т условия (давление, температура) для интенсивной диффузии атомов углерода внутрь поверхности. Эти условия определяют легкое образование карбидов из раствора углерода в железе (низкотемпературную карбидизацию). Такое взаимодействие возможно именно благодаря наноразмерности ревитализанта.

1. Опытные данные.

А теперь перейдем к таблицам с данными испытаний присадки Хадо в лаборатории китайского научно-исследовательского института при Чин Хуанском университете. Для испытаний там был выбран легковой автомобиль китайского производства «Chery» с пробегом 300 тысяч километров.

Я выбрал данные именно этого источника, потому как, по моему мнению, другие источники преследуют, как правило, коммерческие интересы и их исследования разнятся и противоречат другу.

Таблица 1. Сопоставление усредненных показателей токсичности до и после применения смазочного состава, который включает наноструктуру ревитализанта.

На представленной выше таблице мы видим снижение показателя выхлопа СО на 16%, по остальным трём показателям снижение выхлопа незначительно и находится в пределах 3-5%.

Таблица 2. Сопоставление средних показателей расхода топлива до и после применения смазочного состава, который включает наноструктуру ревитализанта.

Изменение среднего значения с 7,351 л/100 км до 6,962 л/100 км соответствует снижению расхода топлива на 5,3%.

Таблица 3. Сопоставление средних показателей мощности двигателя до и после применения смазочного состава, который включает наноструктуру ревитализанта

Из данной таблицы мы видим, что изменение мощности двигателя с 85,6 кВт до 87,9 кВт соответствует повышению на 2,7% или 2,3 кВт.

Таблица 4. Средние показатели компрессии в отдельных цилиндрах до и после применения смазочного состава, который включает наноструктуру ревитализанта.

Определение компрессии проводилось с помощью самопишущего прибора для определения компрессии. Применение смазочного состава, который включает наноструктуру ревитализанта, повысило компрессию двигателя (Таблица 4). При исходных измерениях перед использованием наблюдалась неравномерная картина давления сжатия, отклонения на отдельных цилиндрах составляло до 2-х атм. После применения картина давления сжатия стала равномерной. Отклонения компрессии в отдельных цилиндрах между собой стали незначительными. К тому же было установлено значительное повышение давления сжатия в цилиндрах 2 и 3.

Теперь перейдём к выдержкам из доклада сотрудника Научно-исследовательского института Лю Дзя Сюн:« ХАДО - технология обладает одновременно тремя действиями: смазывание, восстановление и модификация поверхности. В настоящее время эта технология является самым эффективным способом по снижению трения. Очень результативный способ для экономии энергии и ресурсов. Самый простой и экономичный способ для упрочнения поверхности. Шероховатость рабочих поверхностей при обработке составами ХАДО улучшается и достигает уровня зеркальной поверхности.

Слой металлокерамики ХАДО является бесцветным тонким слоем, толщина которого колеблется в зависимости от условий трения от 10 нм- до нескольких микрон. Основная структура слоя сходна с алмазоподобным материалом…

С декабря 2002 г. до августа 2004 г. проводились испытания тепловозов модели DF8B (№5317; №5319) на территории ж. д. «ХАНИ». После добавления ХАДО пробег составил ещё 410 тыс. км и проведён средний ремонт. До мая 2005 г. пробег составил 600 тыс. км и снова проведён средний ремонт.»

Рис.1 Атомарные присадки «Suprotec» и «Хадо».

В простом и наглядном варианте принципиальная схема работы атомарного кондиционера металла приведена на рисунке ниже.

Рис.2

Стоит отметить что ревитализант действует не сразу, необходимо определённое время работы механического узла, что начался процесс восстановления поверхностей. Поэтому для достижение результата необходима работа двигателя на холостом ходу, а для коробок переключения передач, мостов и редукторов необходим ещё и пробег около 1500-2000 километров.

Проанализировав отзывы потребителей на форумах сайтов auto.ru, drom.ru, drive2.ru данной продукции я пришёл к одному утешительному выводу. Положительные отзывы пишут как правило те люди, знания которых в механике более глубже, нежели тех кто пишет отрицательные отзывы. Потому как при использовании атомарной присадки необходимо учитывать такие факторы как:

• Пробег автомобиля.

• Наличие расхода масла.

• Отсутствие регулировки клапанов перед применением присадки.

• Особенности конструкции двигателя.

• Допуски на поверхности деталей производителя и т.д.

Также в своём исследовании я опирался на опыт моего руководителя, который использовал атомарную присадку «Хадо» в своём автомобиле при пробеге в 400 тысяч. Присадка свела к минимуму расход масла, двигатель начал работать тише, заметно улучшилась динамика автомобиля. После этого машина прошла ещё 40 тысяч километров и была продана.

Выводы.

Современные нанотехнологичные масла и присадки действительно эффективно работают. Однако применение потребителем данной продукции должно быть обусловлено наличием у него минимальных технических знаний.

Основные достоинства этих присадок:

• Системное использование новой присадки продлевает ресурс двигателя в 1,5-2 раза, а при определённых условиях в 3-4 раза.

• За счет уменьшения коэффициента трения деталей и увеличения компрессии расход топлива снижается на 3-6 %.

• Мощность двигателя повышается от 2 до 3 %;

• Заметно улучшаются экологические показатели выхлопа.

• Снижение шума двигателя.

В дополнении необходимо отметить высокое качество атомарных масел и присадок продукции фирмы «Хадо». Отечественной альтернативой являются только присадки под брендом «Suproteс» производящиеся в Санкт-Петербурге.Список источников и литературы.

[http://xado.info/pdf/Presentation_China.pdf], [http://xado.info/], [http://autolada.ru/viewtopic.php?t=90057], [(https://www.drive2.ru/b/465933446506610707/)], [http://krutimotor.ru/prisadki-i-maslo-s-molibdenom-stoit-li-ispolzovat/], [http://www.oil-club.ru/forum/topic/9201-strashen-li-molibden-dlya-dvigatelya/] [https://suprotec.ru/podbor-sostava-po-neispravnosti/][http://voditelauto.ru/] [http://avto74.com/volshebnye_prisadki._hado,_fenom,_e]

10