ВведениеПоршневое кольцо и цилиндровая втулка образуют в судовом дизеле сложное трибологическое сопряжение, которое определяет ресурс двигателя в целом. Большие контактные нагрузки, существенные различия в толщине смазочного слоя на разных участках рабочей поверхности цилиндровой втулки, наличие дополнительных загрязнений смазочного материала и другие особенности работы сопряжения создают предпосылки для ухудшения режима трения с переходом от полужидкостного к граничному [1]. Граничный режим трения характеризуется наличием абразивного и усталостного механизмов изнашивания, при которых скорость изнашивания (v) многократно возрастает по отношению к умеренным условиям эксплуатации цилиндропоршневой группы дизеля [2]. Улучшить условия трения сопряжения «поршневое кольцо – цилиндровая втулка» возможно, только модифицируя смазочный материал путем изменения его реологических, теплофизических и химических свойств. Этому может способствовать внесение в масло трибологически активных присадок – модификаторов трения. Существенной проблемой многих присадок-добавок является возможность загрязнения смазочной системы двигателя, ухудшения пропускной способности ее фильтрующих элементов, а также различия в адаптации активных элементов присадки для различных конструкционных материалов, из которых изготовлены отдельные узлы трения. Так, например, реметаллизанты и кондиционеры-восстановители, формирующие отдельные классы присадок, могут существенно улучшать условия трения для деталей цилиндропоршневой группы, изготовленных из чугунов. Однако для подшипниковых узлов кривошипно-шатунного механизма, изготовленных из цветных металлов и их сплавов, такие вещества могут создавать предпосылки для ухудшения условий трения и снижения ресурса данного узла [3]. Между слоистыми и минеральными модификаторами трения существует подобное отличие в адаптации к работе в различных узлах и механизмах двигателя. Минеральные модификаторы трения, содержащие в своем составе неочищенный магнетит в количестве 2–6 масс. %, могут создавать условия для шаржирования прецизионных поверхностей трения образующимися продуктами износа, соединяющимися в процессе истирания в увеличенные агломераты микрометрических размеров [4]. Слоистые модификаторы трения, напротив, не могут шаржировать трибологически значимую поверхность, независимо от ее материала, в то же время создавая на ней защитный слой [5]. Тем не менее в настоящее время разнообразие применяющихся в двигателях различного назначения (в том числе и судовых дизелях) слоистых модификаторов трения сводится к двусернистому соединению молибдена (МоS2), имеющему ограниченную трибологическую эффективность. Отчасти этому способствует низкая термическая стойкость химического соединения МоS2 (до 200 °С). В то же время у более термически стойких классов дихалькогенидов тугоплавких металлов типа молибдена (диселенидов, дисилицидов) температурная стойкость значительно выше – 250–300 и 500–600 °С соответственно [5]. Однако только класс диселенидов может быть с успехом использован в эксплуатационных условиях дизельного двигателя, т. к. его трибологические показатели по коэффициенту трения (f = 0,04–0,12) приемлемы для цилиндропоршневой группы без возникновения дополнительных механических потерь для двигателя. Термостойкие дисилициды (к примеру, MoSi2) дают возможность работы истирающихся сопряжений с f = 0,5–0,7, т. е. с возникновением высоких потерь на трение, и приемлемы для работы в условиях отсутствия смазочного материала, наличия температур свыше 500–1 000 °С или в вакууме [5].  Постановка цели и задач исследованияРазработанная присадка в смазочное масло, содержащая диселенид молибдена МоSe2 [6] как слоистый модификатор трения, обладает высокой трибологической эффективностью [7–9], в частности способна повышать ресурс цилиндропоршневой группы, однако численный расчет ресурса поршневого кольца и цилиндровой втулки как многофакторная переменная в литературе на данный момент отсутствует. Цель настоящей работы заключается в выражении такой зависимости при адаптации ее к отдельным условиям применения противоизносной присадки, содержащей МоSe2, – условиям хранения и объемной концентрации в масле. Для достижения указанной цели необходимо решить следующие задачи:– задать условия работы сопряжения «поршневое кольцо – цилиндровая втулка» в оптимальном числе сочетаний параметров с учетом воздействия противоизносной присадки;– провести ускоренные ресурсные испытания модельных образцов, имитирующих поршневое кольцо и цилиндровую втулку судового дизеля;– оценить результаты проведенных ресурсных испытаний, преобразуя массовый износ образцов в показатели ресурса сопряжения «поршневое кольцо – цилиндровая втулка» в каждом из сочетаний его условий работы;– разработать численное выражение, характеризующее показатели ресурса указанного трибологического сопряжения судового дизеля в зависимости от переменных условий его работы;– произвести сравнение экспериментальных и расчетных показателей ресурса работы сопряжения «поршневое кольцо – цилиндровая втулка». Обоснование условий работы трибологического сопряжения «поршневое кольцо – цилиндровая втулка» при ресурсных испытанияхТрибологическое сопряжение в ресурсном испытании решено было моделировать по размерам реального судового дизельного двигателя при соблюдении подобия по конструктивным материалам и микрорельефу поверхностей трения. В качестве подобного двигателя выступил тронковый четырехтактный дизель 6Ч36/45 с диаметром цилиндра 360 мм. Модельные образцы вырезались из реальных деталей дизеля – поршневого кольца и цилиндровой втулки. Общие параметры испытаний приведены в табл. 1. Таблица 1Table 1Основные параметры программы экспериментального исследованияресурса сопряжения «поршневое кольцо – цилиндровая втулка» судового дизеляMain parameters of the pilot study program of the diesel mating “piston ring - cylinder liner” resource Тип контакта /тип материалаобразцаВид движенияобразцов / путьтрения, мДиаметр образцовна контакте, ммРабочий ход образцов, мм / скоростьдвижения, рад/сПеременные параметры(шаги эксперимента)Конформный(выпуклая плоскостьпо вогнутой плоскости) / чугун СЧ-24 (втулка)и А-ХМ (кольцо),ГОСТ 1412-85Возвратно-поступательное /953 856 360 – неподвижный (кольцо);360 + 0,05 – подвижный (втулка)36,8 / 37,8Контактное давление Р1–3, МПа: 0,5/0,85/1,2; объемная концентрация присадки С1–2, %: 0,5/1,0; срок хранения присадки передвнесением в маслоХ1–2, ч: 36/512 В качестве смазочной среды выступало масло М-16Г2ЦС (ГОСТ Р 12337-2020), противоизносной присадкой являлся слоистый модификатор трения [6], содержащий диселенид молибдена и комплекс ненасыщенных жирных кислот. Присадка вносилась объемно в масло согласно указанным в табл. 1 концентрациям Сi. Сроки хранения готовой присадки Хi перед внесением в смазочное масло с последующим перемешиванием выдерживались согласно указанным в табл. 1 параметрам. Три шага контактного давления Рi, два шага объемной концентрации Сi, два шага времени хранения Хi составляли в итоге число шагов эксперимента, равное 12. Такое количество шагов в экспериментальном испытании следует считать оптимальным, как минимальное по числу и охватывающее весь диапазон давлений сгорания современных судовых тронковых дизелей и возможный диапазон трибологического воздействия присадки. Переменные параметры Сi и Хi выбирались в диапазоне наибольшей и наименьшей эффективности согласно данным, отраженным в [10, 11]. Микрорельеф обеих поверхностей трения – кольца и втулки как модельных образцов – выдерживался в точности с реальными деталями выбранного дизеля в пределах Ra = 0,63–2,5.  Результаты ресурсных испытаний и их оценкаРесурс работы поршневого кольца и цилиндровой втулки при воздействии присадки определялся согласно массовому износу образцов по следующим расчетным выражениям, приведенным ниже:                                  hi = (mi /ρ) / Aki;                               (1)                                       Ii = hi / ST;                                    (2)                                Vi = (hi · 10–6) / Ti;                             (3)                                hpi = ViRцпг · 10–3;                              (4)                                  Rцпгi = hmax / Vi,                                (5)где mi – потеря массы образца (массовый износ), г; ρ = 7 700 000 – плотность образца, г/м3; Аki – площадь контакта испытательных образцов контурная, м2; ST = 953 856 – путь трения, м; Тi = 600 – время испытательного этапа, ч; Rцпг – нормативный ресурс работы элемента цилиндропоршневой группы (поршневое кольцо Rцпг = 8 000 / цилиндровая втулка Rцпг = 40 000), ч; hmax – нормативный предельный износ элементов цилиндропоршневой группы (поршневое кольцо – 250 / цилиндровая втулка – 1 200), мкм; Vi – скорость изнашивания элементов цилиндропоршневой группы, мкм/ч.  Ресурс деталей сопряжения «поршневое кольцо – цилиндровая втулка» как нормативный определялся согласно данным текущего ремонта на судовой дизель 6Ч36/45 (Г-70).Результаты эксперимента: первичный массовый износ и все последующие показатели, рассчитанные по (1)–(5) приведены в табл. 2 (жирным шрифтом выделены полученные значения, не удовлетворяющие нормативным значениям ресурса поршневого кольца или цилиндровой втулки для двигателя 6Ч36/45). Таблица 2Table 2Параметры изнашивания и ресурса поршневого кольца и цилиндровой втулкисудового дизеля 6Ч36/45 (Н/П – неподвижный/подвижный образцы, имитирующие кольцо/втулку)Parameters of wear and operation life of the piston ring and cylinder liner of the marine diesel engine 6Ch36/45(Н/П - fixed/movable samples imitating a ring/liner)№Этапmi, гhi, мм · 10–5I · 10–11vi, мкм/чhрi, ммRi, чНПНПНПНПНПКольцоВтулка1Р1С1Х10,0710,0482,7261,8432,8581,9320,0450,0310,3631,2295 503,33139 073,652Р2С1Х10,0930,0593,572,2653,7432,3750,060,0380,4671,514 201,46831 788,733Р3С1Х10,0980,0753,7622,8793,9443,0190,0630,0480,5021,923 987,10725 007,144Р1С1Х20,1120,0764,4663,034,6823,1770,0740,0510,5952,023 358,78123 758,965Р2С1Х20,1310,0795,2243,155,4763,3020,0870,0530,6962,12 871,6322 856,726Р3С1Х20,1630,0926,4993,6686,8143,8460,1080,0610,8672,4462 307,87419 626,977Р1С2Х10,0310,031,1111,0751,1641,1270,0190,0180,1480,71613 506,0566 9908Р2С2Х10,0340,0311,2181,1111,2771,1640,020,0190,1620,7412 314,3464 829,039Р3С2Х10,0410,0321,4691,1461,541,2020,0250,020,1960,76410 211,8962 803,1310Р1С2Х20,0530,0422,1261,6852,2291,7670,0350,0280,2841,1237 054,21742 728,411Р2С2Х20,0540,0552,1672,2072,2712,3130,0360,0370.2891,4716 923,58332 628,9612Р3С2Х20,0610,0572,4472,2872,5662,3980,0410,0380,3271,5256 129,07431 484,08 Разработка расчетного выражения для определения и прогнозирования ресурса сопряжения «поршневое кольцо – цилиндровая втулка» и сравнение экспериментальных и расчетных данныхРесурс любого трибологического сопряжения, ч, в том числе и возвратно-поступательного, в случае применения противоизносной присадки с седиментирующей в зависимости от времени составляющей типа MoSe2 может быть основан на построении следующего расчетного выражения:R = (ST / Vmax)(А · В · С · D · Е)n,где ST – путь трения, м (по условиям эксперимента принимается равным 953 856 м); Vmax – максимальная скорость изнашивания элементов цилиндропоршневой группы, м/ч (принимается средним в диапазоне 0,018–0,108 мкм/ч); А = pi Vn τ0 / HBminAk – комплекс, учитывающий изнашивание материала поверхности трения в зависимости от контактных параметров взаимодействия; В = HBmax / HBmin – комплекс, учитывающий изнашивание материала поверхности трения в зависимости от параметров их твердости; С = Sm / Ra – комплекс, учитывающий изнашивание материала поверхности трения в зависимости от параметров ее шероховатости; D = (сi / сmax)a – комплекс, учитывающий изнашивание материала поверхности трения в зависимости от скорости седиментации слоистого модификатора трения; Е = (vi / v0)b – комплекс, учитывающий изнашивание материала поверхности трения в зависимости от объемной концентрации противоизносной присадки; n – степенной коэффициент приспособления расчетного выражения к реальному показателю ресурса работы элементов цилиндропоршневой группы. В комплексах А, В, С, D, E отдельные элементы имеют следующее значение: pi = 0,5–1,2 – давление контактное, МПа; Vn = 0,421+0,01 – скорость поступательного движения поверхности трения, м/с; τ0 = 10–13 – время колебания атомов в кристаллической решетке поверхности трения, с; HBmin – твердость наименее прочной поверхности трения, МПа; Ak = 11,3 · 10–3 – номинальная теоретическая площадь контакта, м2; HBmax и HBmin – максимальная и минимальная твердость взаимодействующих поверхностей трения соответственно; Sm и Ra – средняя длина волны и средняя высота микронеровности наиболее шероховатой поверхности трения соответственно, м; сi и сmax – скорость седиментации слоистого модификатора трения произвольная и максимальная соответственно, ч; vi и v0 – вязкость смазочной среды произвольная для масла с присадкой и исходная смазочного масла, соответствующая определенной объемной концентрации противоизносной присадки в смазочном масле – носителе; a = 1,4 и b = 0,575 – степенные коэффициенты, отражающие графические зависимости параметров времени седиментации слоистого модификатора трения и вязкости смазочной среды от времени автономной работы судна и объемной концентрации противоизносной присадки в смазочном масле. Данное расчетное выражение основано на известном соотношении, выведенном Ю. Н. Дроздовым в ранее представленных им авторских работах [12] по изнашиванию цилиндропоршневой группы перекачивающих сероводородных компрессоров и судовых двигателей.Комплексы D и E являются для данного расчетного выражения дополнительно внедряемыми и отражающими параметры С1–2 и Х1–2, заложенные в экспериментальном исследовании ресурса сопряжения «поршневое кольцо – цилиндровая втулка». Комплекс А содержит учитываемый в эксперименте параметр контактного давления Р1–3. Комплексы В и С являются вспомогательными для расчета ресурса и отражают данные по прочностным и микрогеометрическим параметрам изнашиваемых поверхностей трения. На рисунке отражено сравнение экспериментальных и расчетных значений ресурса Ri деталей сопряжения «поршневое кольцо – цилиндровая втулка» по отношению к нормативным показателям (для дизеля 6Ч36/45).    Сравнение показателей расчетного и экспериментального ресурса Ri поршневого кольцаи цилиндровой втулки судового дизеля (№ шагов эксперимента согласно табл. 3) Comparison of the calculated and experimental values of operation life Ri of the piston ring and cylinder linerof a marine diesel engine (number of experimental stages, according to Table 3)Таблица 3Table 3Сравнение расчетных и экспериментальных значений ресурса RiComparison of calculated and experimental values of resource Ri №ШагУсловия экспериментаЭкспериментальный ресурс RЭ, чРасчетныйресурс RР, чОтносительная погрешность, %ДавлениеРi, МПаКонцентрация Сi, об. %Срокхранения Хi, чКольцоВтулкаКольцоВтулкаКольцоВтулка1Р1С1Х10,50,5365 503,3339 073,655 648,0740 218,512,632,932Р2С1Х10,850,5364 201,4731 788,734 256,9332 287,811,321,573Р3С1Х11,20,5363 987,1125 007,144 153,3723 811,84,17–4,784Р1С1Х20,50,55123 358,7823 758,963 512,6124 742,584,584,145Р2С1Х20,850,55122 871,6322 856,722 767,6821 995,02–3,62–3,776Р3С1Х21,20,55122 307,8719 626,972 416,3420 567,14,74,797Р1С2Х10,513613 506,0566 99014 158,3964 230,014,83–4,128Р2С2Х10,8513612 314,3464829,0312 891,8861 762,624,69–4,739Р3С2Х11,213610 211,8962 803,139 731,9359 694,38–4,7–4,9510Р1С2Х20,515127 054,2242 728,47 146,6342 100,291,31–1,4711Р2С2Х20,8515126 923,5832 628,967 268,3734 009,174,984,2312Р3С2Х21,215126 129,0731 484,086 102,131 178,68–0,44–0,97 В табл. 3 приведено сравнение экспериментальных и расчетных значений ресурса Ri с учетом погрешности расчета. Выводы1. Проведенные экспериментальные исследования ресурса деталей сопряжения «поршневое кольцо – цилиндровая втулка» судового дизеля позволили выявить эффективную концентрацию присадки в масле Сi = 0,5÷1,0 об. % при времени хранения готового трибологического состава перед внесением в масло Хi ≤ 36 ч.2. Наибольшим трибологическим эффектом противоизносная присадка обладает в области контактных давлений до 0,85 МПа. 3. Ресурс деталей пары трения «поршневое кольцо – цилиндровая втулка» повышается в 1,28÷1,67 раз по отношению к нормативным показателям дизеля 6Ч36/45, однако несоблюдение условий хранения присадки до внесения в масло может снизить показатели ресурса относительно нормативных для данного двигателя в 1,7÷3,45 раза.4. Разработанная математическая модель ресурса деталей, составляющих трибологическое сопряжение «поршневое кольцо – цилиндровая втулка», обладает высокой сходимостью с результатами эксперимента на физической модели, имитирующей исследуемую пару трения «поршневое кольцо – цилиндровая втулка» (относительная погрешность в диапазоне 0,5÷5 %).5. Большое влияние как на расчетные, так и на экспериментальные показатели ресурса судового дизеля оказывает объемная концентрация Сi противоизносной присадки, оптимальное значение которой должно быть не ниже 1,0 %, при этом величина контактного давления в паре трения – в пределах до 1,0 МПа, время предварительного хранения присадки – не более 36 ч.6. Проведенные исследования позволяют рекомендовать предложенную математическую модель для оценки ресурса пары трения «поршневое кольцо – цилиндровая втулка» для высоко- и среднеоборотных судовых двигателей внутреннего сгорания, имеющих умеренную степень форсирования.