Трибология как составная часть экологии. "Мир нефтепродуктов" 2020.

Энергия является основным двигателем всех видов человеческой деятельности. С одной стороны, она обеспечивает процветание человечества, но с другой – требует все большего потребления природных ресурсов. На сегодняшний момент энергия – неотъемлемый стимул во всех сферах социального, экономического и экологического прогресса.

Энергоуслуги – неотъемлемый элемент обеспечения базовых потребностей людей. В целом энергия является благом, однако чрезмерное ее использование и ископаемых ресурсов может увеличивать объем углеродного следа и выбросы парниковых газов, что оказывает негативное влияние на экосистемы. Взаимо-связь между энергопотреблением и прогрессом человечества характеризуется неразрывностью, неоднозначностью и многоплановостью. Рассмотрим эту многогранную взаимосвязь.

Человечеством предпринимались многочисленные попытки достичь компромисса между потребностью в энергии и сопутствующими пагубными эффектами. Этого компромисса можно добиться за счет разработки оборудования, позволяющего удовлетворить потребности человечества в энергии и одновременно уменьшить его зависимость от ископаемых энергоносителей. Задачей проектировщиков как раз и является выработка такого компромисса между этими двумя разнонаправленными полюсами, которые должны как-то сосуществовать. Важнейшим компонентом достижения этой цели оказывается сокращение нерациональных потерь энергии из-за износа и трения, что существенным образом сказывается на производительности оборудования. Определение компонентов технологии, которые обладают наиболее выраженным влиянием на экосистему, представляет собой путь для уменьшения или полного устранения этого воздействия (рис. 1). Важным аспектом роста потребления энергии является рост производства потребительских товаров, предоставление коммунальных услуг и эксплуатация различного оборудования. Пока этот аспект еще не получил должного внимания со стороны политиков или общественности. По оценке Организации экономического сотрудничества и развития (ОЭСР) [1] мировая добыча сырьевых материалов возрастет с 92,1 млрд тонн в 2017 г. до 167 млрд тонн в 2060 г. [3]. Очевидно, что всякое потребление материалов приводит к выработке диоксида углерода и выбросам парниковых газов. Осознание негативных эффектов воздействия хлорфторуглеродов (ХФУ), используемых в качестве хладагентов, хлорированных углеводородов в технологических маслах, свинца и серы в топливах, привело к запрещению использования этих токсичных веществ. Ученым пришлось разработать альтернативные материалы, а также найти решения для достижения аналогичных характеристик малого трения, функциональности и надежности, как и у запрещенных материалов. Задача разработчика – как уменьшить потери за счет трения, так и разработать более экологичные методы смазывания вместо существующих с использованием смазочных материалов, не наносящих вред окружающей среде. Для решения этих задач нужен трибологический подход.

Необходимо учитывать такие факторы, как потери от износа и трения, долговечность, ремонтопригодность и мониторинг состояния первичных компонентов механической системы. Эти задачи требуют глубокого понимания инженерных аспектов и научного обоснования этих операций. Именно здесь начинает играть свою роль трибология [4]. Трибологический анализ (таблица) потенциально позволяет получить огромные экологические и экономические выгоды. Исследование трибологических свойств может помочь сократить выбросы углерода во всем мире за счет уменьшения трения, продления срока использования техники, или уменьшения износа [5]. Важное значение трибологии для национальной экономики в качестве смежной науки было продемонстрировано Американским обществом инженеров-механиков еще в 1977 г. (40 %-ная экономия энергии, равная приблизительно 10,9 % ВВП), и Немецким федеральным министерством научных исследований и развития в 1976 г. (экономия составила >2,0 % ВВП). Проведенный впоследствии глубокий анализ результатов всестороннего двухгодичного исследования, выполненного в 2006 г. Китайским институтом трибологии и охватывавшего шесть отраслей промышленности, подтвердил оценку ежегодной экономии в $41,4 млрд [6], что эквивалентно 1,55 % ВВП Китая. Главные движущие силы технологического прогресса в трибологии в будущем будут основываться на принципах устойчивой («зеленой») трибологии или обнуления углеродных выбросов [7].

В широком смысле их можно определить как научные и технологические аспекты трибологии в приложении к достижению экологического равновесия и природоохранных и биологических результатов. Они включают: • повышение ресурса прочности и долговечности изделий для уменьшения объема используемого материала, всегда приводящего к выбросам углекислого газа; • снижение трения, что позволяет экономить энергию и сокращать выбросы углекислого газа. В 2015 г. Генеральная Ассамблея ООН установила 17 целей устойчивого развития, которые представляют собой всемирно признанные руководства для определения «экологически безопасного развития» [8].

Эти цели являются обязательными для рационального использования энергии и сбережения окружающей среды. Одновременно они сфокусированы на уменьшении потерь энергии и решении экономических задач, поскольку за счет более эффективного использования оборудования можно добиться существенной экономии капитала. В недавно проведенном анализе в области фундаментальных трибологических исследований удалось пролить свет на некоторые экологические вопросы, в том числе проблемы биоразлагаемости и токсичности для окружающей среды, связанные с передовыми технологиями производства экологичных трибологических материалов. Среди таких примеров можно выделить керамические подшипники для использования в насосах космических кораблей или химическую модификацию поверхности в трибологических системах. Использование трибологии для решения проблем потерь энергии вследствие трения поможет доказать ее полезность в решении природоохранных задач [10]. Трибологические разработки играют важную роль для трущихся компонентов автомобильных двигателей внутреннего сгорания. В 2018 г. во всем мире было зарегистрировано 1,3 миллиарда используемых автомобилей, и ежегодно в мире производится 95–100 миллионов новых автомобилей. Если бы механические потери или трение в силовом агрегате удалось сократить благодаря эффективным трибологическим свойствам, то даже сокращение на 10 % привело бы к уменьшению использования топлива на 1,5 %. Это эквивалентно приблизительно 340 литрам бензина, сэкономленным в течение срока службы автомобиля. С учетом этого становится очевидным, что даже такая кажущаяся незначительной экономия ($350 на машину), в пересчете на огромное число используемых в настоящее время автомобилей, может дать колоссальные финансовые и экологические выгоды.

Кроме того, надежность и долговечность механических деталей будут усилены за счет использования все более всесторонних и точных трибологических данных. Было установлено, что лабораторные испытания комбинаций материалов в специфической ситуационной близости в настоящее время – наиболее точный способ получения фундаментальных трибологических данных в целях контроля надежности.
Правильное сочетание трибологических знаний, электронной техники и механики поможет разработчику трибологических технологий расширить границы возможностей для возобновляемых, экологически безопасных источников энергии, таких как ветряные и приливные турбины. Для полной реализации потенциала возможностей трибологии в ХХ веке потребуется использовать природные ресурсы реалистичным и экономически рациональным образом.

Наличие и доступность ископаемых ресурсов в целом не способствует решению проблемы с выбросами диоксида углерода. Тем не менее, нефтехимические компании Европы и СШАвсе больше развивают парки ветряных и солнечных станций, занимаются улучшением переработки, развивают станции зарядки электромобилей и автомобилей на водородных и метановых двигателях и т. д. Общей задачей является не запрещение ископаемых источников энергии, а получение нейтральной энергии с точки зрения выбросов диоксида углерода или парниковых газов. В настоящее время кажется, что они восприняли проблему таких выбросов в рамках парадигмы устойчивого развития, поскольку в начале 2030-х годов текущего века ожидается пик спроса на нефть.

Разработке экологического оборудования уделяется большое внимание производителями комплексного оборудования (OEM-компании). Они вкладывают средства в продвижение «электрификации силовых агрегатов» для сокращения выбросов диоксида углерода. Все большую популярность приобретают гибридные автомобили с коробками передач и электромоторами. По прогнозам к 2040 г. в мире ожидается значительный рост на рынке малотоннажных гибридных автомобилей с электромоторами. Однако гибридным автомобилям требуется пройти еще долгий путь, чтобы стать конкурентоспособными с традиционными автомобилями. Требуется также дополнительная разработка гибридных автомобилей с точки зрения рационального развития, поскольку автомобили с двигателями внутреннего сгорания все еще преобладают на рынке, а для гибридных автомобилей пока не разработана специальная трансмиссионная жидкость.

Гибридные автомобили можно разделить на мягкий, полный и подзаряжаемый гибридный электромобиль. Также можно определить пять архитектур: параллельная, последовательная, с распределением мощности, through the road (с независимыми приводами на переднюю и заднюю ось) и комплексная. Каждая из этих архитектур имеет уникальную трансмиссию, для которой требуются соответствующие жидкости. В случае интеграции электрического мотора и трансмиссии эта специальная жидкость должна соответствовать определенным электрическим свойствам. Электрические системы, как правило, работают в диапазоне напряжения свыше 48 В по сравнению с 12 В для стандартных двигателей. Жидкость должна обладать балансом между электропроводностью и изолирующей способностью. При высокой проводимости возникает риск утечки тока, а это опасно при контакте с заряженными деталями. Неэффективно работающая изолирующая жидкость потенциально является причиной накопления статического электричества и искрового разряда, что может повредить оборудование и привести к окислению жидкостей.

Таким образом, термостойкость и изоляция являются очень важными показателями для долговечной эксплуатации.

Ввиду строгости нормативов Агентства по охране окружающей среды США(EPA) значительные усилия сосредоточены на разработке гибридной жидкости. Основное внимание уделяется таким вопросам, как окисляемость, накопление осадка и поддержание малой вязкости. Окисление, усиливаемое электростатическими искровыми разрядами, ухудшает качество масла и увеличивает вероятность накопления осадка, что ухудшает отвод тепла от мотора. Для решения этих задач и устранения любых потенциальных проблем используются альтернативные базовые масла и присадки. В ходе различных испытаний удалось понизить вязкость с 5,5 до 4,5 сСт при температуре 100° Cс хорошей перспективой получения в будущем еще более низких значений. Если говорить в целом, то устойчивое развитие гибридных автомобилей напрямую зависит от разработки специальных трансмиссионных жидкостей.

Использование трибологического подхода для анализа систем автомобилей стало очень важным фактором повышения энергоэффективности автомобильных систем и, следовательно, сокращения выбросов и объемов углеродного следа. В Китае использование трибологических свойств позволило получить ежегодную экономию в объеме до 1,55 % ВВП за счет сокращения потерь от трения и износа и количества потребляемой энергии. Значительные усилия следует сосредоточить на изучении трибологических преимуществ всех новых разрабатываемых материалов. Гибридные автомобили также показали большую перспективность с точки зрения уменьшения объема углеродного следа благодаря прогрессу в области разработки трансмиссионных жидкостей с пониженной вязкостью. При этом требуется проведение дополнительных исследований для разработки специальных трансмиссионных жидкостей, которые могут работать в условиях повышенного напряжения и одновременно обладать превосходными противоокислительными и термоизоляционными свойствами. Гибридные автомобили, создаваемые на основе новейших знаний в области трибологии, могут оказать колоссальное позитивное влияние на мировую экономику и улучшить экологическую ситуацию.