Файл: Итинская, Н. И. Топливо, смазочные материалы и технические жидкости учеб. пособие.pdf

Рис. 43. Схема образования масляного слоя в трущей­ ся паре вал — вкладыш подшипника:

а — в состоянии покоя; б — в начале вращения; в — при уве­ личении частоты вращения.

честно масла. Таким образом, все новые слои перегоняют­ ся из широкой части серпа в узкую. Накапливающиеся в узкой части зазора слои масла создают давление, вал начинает приподниматься (как бы всплывать в подшип­ нике); между валом и нижней частью подшипника созда­ ется масляный клин. Давление, развиваемое маслом на­ зывают гидродинамическим.

При увеличении частоты вращения большее количество масла увлекается вместе с валом (рис. 43, в). Гидродина­ мическое давление возрастает, что ведет к увеличению толщины масляного слоя, самое большее давление возни­ кает внизу шейки вала. В таком положении вал уже не касается стенок подшипника, весь зазор заполнен мас­ лом, трение между металлом заменено трением между час­ тицами масла. Минимальный зазор при этом несколько смещается от вертикальной оси по ходу вращения вала. Образование масляного слоя возможно только в том слу­ чае, когда^возникающее гидродинамическое давление пре­ вышает действующие на вал удельные нагрузки.

Чем тоньше масляный слой, тем скорее он может раз­ рушиться и привести к смешанному виду трения. Надеж­ ность масляного слоя, а следовательно, и несущая спо­ собность подшипников увеличиваются с повышением ско­ рости движения вала и вязкости смазочного масла. Однако в этом случае увеличиваются и затраты энергии на прео­ доление внутреннего трения между частицами масла, поэ­ тому в каждом конкретном случае приходится подбирать оптимальное значение вязкости. Толщину масляного слоя

для цилиндрического подшипника скольжения можно оп­ ределить по следующей формуле:

■гт

200

где т) — динамическая вязкость масла;

с— коэффициент, зависящий от размера подшип­ ника;

v— скорость перемещения трущихся поверхностей; Рт — Удельное давление.

§3. Граничное трение

Граничной смазкой называют такую, когда между тру­ щимися поверхностями находится очень тонкий слой мас­ ла. Пленка масла на металлической поверхности прочно удерживается силами межмолекулярного взаимодействия. О толщине масляного слоя существуют разные мнения. Долгое время считали, что на поверхности находится мономолекулярный слой масла. Экспериментальными исследованиями советских ученых доказано, что на тру­ щихся поверхностях находятся полимолекулярные слои толщиной в десятые доли микрона. Имеются высказыва­ ния, особенно в зарубежной литературе, что толщина пленки доходит до микрона.

Поведение граничных слоев смазки не подчиняется законам гидродинамики (так как свойства пленок не оп­ ределяются объемной вязкостью), а зависит от смазываю­ щей способности масла и физико-химических свойств по­ верхностей трения. Над изучением граничной смазки в Советском Союзе работают многие ученые, здесь нужно отметить работы Б. В. Дерягина, М. Т. Кусакова, Г. И. Фукса, А. С. Ахматова и др. В работах В. В. Дерягина и А. С. Ахматова экспериментально доказано, что гранич­ ные слои смазки па поверхностях металла подобны твер­ дым телам.

Часто говорят, что граничное трение — это предел ра­ ботоспособности трущихся пар. Если при жидкостном тре­ нии износ деталей очень небольшой и в основном проис­ ходит при нарушениях режима жидкостной смазки, то при граничном трении всегда наблюдается износ деталей. Основное требование к качеству масла при граничном трении — обеспечение возможно меньшего износа поверх­ ностей трения, а это зависит от взаимодействия молеку­ лярных слоев масла с поверхностью. Все смазочные масла обладают смачиваемостью, т. е. способностью растекаться тонким слоем по поверхности металла. Эта способность зависит от внутренних сил сцепления. В даппом случае силы взаимодействия между металлом и частицами масла

201

больше силы молекулярного взаимодействия между час­ тицами масла, поэтому оно и растекается по металлу. Такие вещества, как ртуть, не обладают смачиваемостью, так как силы взаимодействия между молекулами ртути больше, чем между ртутью и металлом. Хорошее смазоч­ ное масло должно не только смачивать металл, но и обра­ зовывать на нем прочную пленку, не разрушающуюся под действием внешних факторов.

Смазывающая способность масла имеет очень важное значение во многих случаях эксплуатации двигателей внутреннего сгорания и других машин: во время пуска двигателя или механизма, после их остановки или дли­ тельной стоянки, при прогреве машины, а также при ра­ боте машины перед ее остановкой. Во всех этих случаях износ деталей зависит от прочности масляной пленки, находящейся на них. Смазочная способностью очень важ­ на при смазывании деталей, испытывающих высокие удель­ ные нагрузки, а также в тех случаях, когда наблюдается недостаток поступления масла к трущимся деталям, при использовании масла с меньшей вязкостью, при резко переменных режимах работы и во всех других случаях, не обеспечивающих жидкостное трение.

Смазочные свойства масел зависят от их химического состава, точнее от наличия соединений, имеющих в своем составе электрозаряженные молекулы. К веществам, спо­ собным образовывать граничный слой на поверхности ме­ таллов, относятся поверхностно-активные соединения, со­ держащие в своих молекулах серу, фосфор, хлор или полярные группы СООН, ОН и др. К таким соединениям в маслах относятся смолистые вещества, сернистые сое­ динения, органические кислоты, оксикислоты, спирты и др. Полярно-активные соединения масла ориентируются к металлу полярной группой, а их углеводородная цепоч­ ка располагается нормально к поверхности трения, обра зуя своеобразный молекулярный частокол, препятствую­ щий непосредственному контакту трущихся поверхнос­ тей, сухое трение заменяется трением свободных концов углеводородных цепочек. Кроме этого, многие полярно активные соединения масел вступают в химическое взаи­ модействие с металлом.

Наиболее прочные граничные слои образуются в тех случаях, когда происходит химическое взаимодействие между полярно-активными соединениями масла и метал­ лом. К таким веществам относятся органические жирные

202

износа. Смазывающая способ­ ность оценивается техническими испытаниями на прибо­

рах и машинах трения. В зависимости от конструкции машины и методики испытания оценочными показателями являются: величина коэффициента трения, износ трущихся деталей или та нагрузка, под действием которой разруша­ ются масляные граничные слои.

Более широкое распространение получили испытания на четырехшариковой машине трения JJOCT 9490—60). Схема этой машины показана на рисунке 44. Основная часть установки — пирамида из четырех стальных шари­ ков (0 12 мм). Верхний шарик А зажимается в специаль­ ном патроне, который, вращаясь, скользит по трем ниж­ ним шарикам Б, закрепленным в ванне с испытуемым мас­ лом В. Скорость вращения патрона постоянна, изменение нагрузки ступенчатое (возрастающее), продолжительность каждого испытания 1 мин. Износ оценивается по диаметру пятна на нижних шариках, диаметр измеряется при помо­ щи специального микроскопа.

Значение смазочных свойств масел при граничной смаз­ ке видно из следующего примера. Измеряли температуру в точках контакта константанового стержня и стального диска под действием постоянной нагрузки. Детали испы­ тывались без смазки, с применением товарного масла и олеиновой кислоты. В первом случае температура достигла 800°, во втором — была около 500°, а в третьем (использова­ ние полярно-активного соединения) — немногим выше 200°.

203

§ 4. Полужидкостное трение

Рассмотренная выше характеристическая диаграмма трения (рис. 42) показывает, что при уменьшении скорости движения или увеличении нагрузки условия жидкостного трения ухудшаются. Масляный клин, разделяющий тру­ щиеся поверхности, становится все тоньше, и жидкостное трение переходит в полужидкостное (точка С). Если даль­ ше повышать нагрузку или снижать частоту вращения, то зазор становится меньше /?min_кр. Через масляную пленку начинают проступать отдельные микронеровности, имею­ щиеся на трущихся поверхностях, наступает местный (ло­ кальный) контакт деталей, имеет место граничная смазка. Дальнейшее уменьшение зазора способствует возрастанию коэффициента трения, так как увеличивается зона контакта (левая часть экспериментальной кривой на рисунке 42). Область граничной смазки увеличивается, а жидкостной уменьшается, дальнейшее увеличение нагрузки приводит к сухому трению и заклиниванию.

Полужидкостной смазкой называют такой режим тре­ ния, когда вместе с жидкостной имеет место и граничная смазка. Переход от жидкостной смазки к граничной про­ исходит постепенно. Полужидкостное трение особенно лег­ ко возникает при уменьшении скоростей скольжения поверхностей трения, а это обычно бывает при пуске и ос­ тановке двигателя или механизма, поэтому и износы де­ талей максимальны на пусковых режимах. Износы будут особенно возрастать, если в масле содержатся абразивные механические примеси.

Вдвигателях и других машинах имеются такие узлы,

вкоторых невозможно обеспечить жидкостное трение (ци­ линдр — поршень, зубчатые зацепления и др.). Даже узлы трения, работающие при установившемся режиме на жид­ костной смазке, определенные периоды эксплуатируются при полужидкостной смазке (например, пуск и остановка машины, неустановившиеся нагрузки, резкое изменение скоростей). Полужидкостное трение будет наблюдаться и при высоких удельных нагрузках, рабочих температурах, неправильно подобранной (низкой) для данных условий работы вязкости масла, резком изменении вязкости с из­ менением температур (недостаточный индекс вязкости), нарушении геометрической формы деталей (большие из­ носы, плохие качества материала, его обработка и сбор­ ка деталей), при недостаточном поступлении масла к тру-

2&i

тцческие масла заданных эксплуатационных свойств, поэ­ тому они находят все большее применение в технике, вы­ тесняя органические, а иногда и нефтяные масла.

Пластичные смазки в зависимости от области приме­ нения можно разделить на антифрикционные, консервационные и уплотнительные. Пластичные смазки — это сложная коллоидная система, состоящая из жидкой! осно­ вы, загустителя, иногда стабилизатора и присадки. Об­ ласть применения пластичных смазок чрезвычайно ши­ рока, поэтому их ассортимент очень большой.

§6. Общие требования, предъявляемые

ксмазочным маслам

Основное назначение смазочных масел — уменьшить износ сопряженных трущихся деталей, заменить трение между частицами металла трением между слоями масла. Тонкий смазочный слой, находящийся между трущимися поверхностями, выполняет ответственные и разнообразные функции. Можно сказать, что па этом тонком масляном слое строится развитие всей сложнейшей современной техники. С любой машины, от самой простой до самой слож­ ной уберите масло, и машина за очень короткий отрезок времени перестанет существовать, вернее работать.

Усложняются условия работы в современных узлах трения существующих и проектируемых машин — повы­ шается давление, скорость, температура, часто узлы трения работают в различных агрессивных средах; все это предъявляет более высокие требования к смазочным маслам. От того, насколько правильно подобран смазочный материал, каково его качество, как строго выдерживаются установленные режимы работы масла, зависит длитель­ ность межремонтных сроков работы машин, их эффектив­ ность и надежность, а все это определяет экономичность и величину непроизводительных затрат энергии, расход на приобретение смазочных материалов.

Условия работы масла в различных узлах трения чрез­ вычайно разнообразны. Для того чтобы обеспечивались наиболее правильные режимы смазки, смазочные масла должны обладать определенными свойствами, отвечать предъявляемым к ним требованиям. В очень тяжелых ус­ ловиях работают масла, смазывающие детали двигателей внутреннего сгорания (действие высоких температур, кон­ такт с продуктами сгорания топлива и т. д.). Трапсмиссион-

206

пые масла, идущие для смазывания зубчатых передач, подвергаются действию очень высоких давлений, а скорост­ ные и температурные условия работы у них легче, чем у моторных масел. Условия работы масел для смазки раз­ личных металлообрабатывающих станков более легкие, здесь нет ни очень высоких, ни очень низких температур, нет и высоких давлений.

Несмотря на различные условия работы того или иного узла трения, к смазочным маслам могут и должны быть предъявлены общие требования, которым должны отве­ чать все без исключения смазочные масла.

1.Масла должны иметь оптимальную вязкость, обес­ печивающую надежную работу узлов трения на всех воз­ можных режимах.

2.Для обеспечения минимального износа трущихся деталей в условиях, когда не может быть обеспечена жид­

костная смазка, масла должны иметь наиболее высокие смазывающие свойства.

3. Масла не должны содержать воды, механических примесей и коррозийно-активных веществ.

4. Масла должны обладать высокой химической ста­ бильностью, т. е. не изменять свои свойства в процессе транспорта и хранения.

Кроме перечисленных общих, к каждой группе масел дополнительно предъявляются свои специфические требо­ вания, которые будут приведены ниже.

Вопросы для повторения

1.Каково назначение смазочных материалов?

2.Какие требования предъявляются к смазочным маслам?

3.Что такое жидкостное и граничное трение?

4.Какие параметры определяют режим жидкостного трения?

9.От чего зависит смазывающая способность масла?

10.Наличие каких соединений повышает прочность масляной пленки?

11.Как оценивается смазывающая способность масел?

12.Каковы значения коэффициентов жидкостного и граничного трения?

13.Когда наблюдается износ — при жидкостном или граничном трении?

14.Чему должна быть равна несущая способность масляного слоя?

15.Как классифицируются смазочные материалы?

207

Г л а в а VIII

ЭКСПЛУАТАЦИОННЫЕ СВОЙСТВА МАСЕЛ

ИМЕТОДЫ ИХ ОЦЕНКИ

§1. Значение важнейших характеристик масел

Условия работы смазочных материалов в различных узлах трения машин и механизмов очень разные, в связи с чем ассортимент вырабатываемых масел и смазок боль­ шой.

Каждый сорт, каждая марка получаемого продукта должны отвечать требованиям, предъявляемым стандар­ том на данный вид продукта. После получения опреде­ ленной партии продукта в заводской лаборатории про­ веряют его качества и соответствие требованиям стандарта, заполняют паспорт, в котором приводят численные зна­ чения ряда физико-химических показателей качества, на­ зываемых контрольными. Обычно нормируются кинемати­ ческая вязкость при одной или нескольких температурах, содержание органических кислот, золы, коксуемость, тем­ пературы вспышки, застывания и др. Эти показатели в основном и определяют эксплуатационные свойства сма­ зочных материалов.

В связи с общим техническим прогрессом, быстрым ростом машинно-тракторного парка все большему кругу лиц приходится иметь дело с различными смазочными ма­ териалами, от правильного выбора и умелого применения которых зависят надежность, техническая исправность и долговечность узлов трения, затраты средств и времени на техническое обслуживание машин, расход масел и мно­ гое другое. В заводских руководствах, инструкциях, пра­ вилах технического ухода за машинами указываются реко­ мендуемые марки смазочных материалов и приводятся карты смазки, но в этих источниках нет сведений о свойст­ вах материалов и правил их применения с учетом особен­ ностей эксплуатации. Нет данных, которые помогли бы правильно подобрать заменитель рекомендуемого мате­ риала, а такая потребность часто возникает в условиях реальной эксплуатации; отсутствуют сведения, характе­ ризующие эксплуатационные свойства смазочных мате­

208

риалов, которые крайне необходимо знать всем тем, кто

соприкасается с вопросами эксплуатации и ремонта совре­ менной техники.

К важнейшим эксплуатационным характеристикам ма­ сел можно отнести вязкостные свойства, которые в пас­ порте нормируются кинематической вязкостью и индек­ сом вязкости; противоизносные свойства, зависящие от чистоты масла (отсутствия абразивных механических при­ месей), его вязкости и смазочных свойств; окисляемость и термическая устойчивость масла, зависящие от химичес­ кого состава масла, глубины его очистки, моющих свойств; антикоррозийные свойства (количество органических кис­ лот, химический состав, наличие воды и коррозийно-ак­ тивных веществ). Остановимся на рассмотрении эксплуа­ тационных свойств смазочных масел.

§2. Вязкостные свойства масел

Квязкостным свойствам относятся: вязкость при ка­ кой-то определенной температуре, изменение вязкости с из­ менением температуры и давления, потеря маслом под­ вижности (застывание), значения предельной вязкости при пуске.

Вязкость смазочных материалов играет исключитель­ но важную роль при эксплуатации двигателей внутреннего сгорания и других машин и механизмов. Вязкость — ос­ новной параметр при подборе масла, поэтому большинство масел маркируют по их вязкости. При установлении марки вязкость определяют при тех температурах, при которых работают узлы трения, например индустриаль­ ные масла маркируют по кинематической вязкости в сСт при 50°, а масла для двигателей внутреннего сгорания — по кинематической вязкости в сСт при 100°.

От величины вязкости масла при рабочих температурах зависят возможность образования жидкостного трения, отвод тепла от деталей, затраты энергии на циркуляцию масла по системе смазки, работа масляного насоса, посту­ пление масла ко всем трущимся деталям при пуске маши­ ны и других неустановившихся режимах, работа масло­ очистительных фильтров и центрифуг, очистка деталей от накопившихся продуктов износа, старения и загрязнения, герметизация (уплотнение) узла трения и др.

При выборе масла необходимо учитывать, что его вяз­ кость изменяется в зависимости от температуры: с пони­

209