Виды смазочных материалов

Назначение смазочных материалов. Эксплуатационные требования. Виды трений

Назначение смазочных материалов.

Основное назначение смазочных материалов – уменьшение износа трущихся деталей и снижение затрат энергии на преодоление трения. Кроме этих функций, смазочные материалы выполняют и другие: отводят тепло от трущихся пар, предохраняют детали от коррозии, очищают поверхности трения от продуктов износа и других примесей, герметизируют узлы трения.

В зависимости от характера относительного перемещения поверхностей различают трение скольжение и трение качения. Сила трения качения всегда меньше силы трения скольжения, поэтому там, где это возможно, предпочтительнее применять подшипники качения.

Различают следующие виды масел:

1. Минеральные или нефтяные, являющиеся основной группой выпускаемых смазочных масел. В зависимости от способа получения они классифицируются на дистилятные, остаточные, компаундированные или смешанные;

2.Растительные и животные, имеющие органическое происхождение. Растительные масла получают путем переработки семян определенных растений. Животные масла вырабатывают из животных жиров. Данные масла по сравнению с нефтяными обладают более высокими смазывающими свойствами и более низкой термической устойчивостью. Поэтому их чаще используют в смеси с нефтяным;

3.Синтетические, получаемые из различного исходного сырья различными методами (каталитическая полимеризация жидких или газообразных углеводородов нефтяного и ненефтяного сырья; синтез кремнийорганических соединений). Синтетические масла обладают всеми необходимыми свойствами, однако из-за высокой стоимости применяются только в самых ответственных узлах трения.

По агрегатному состоянию смазочные материалы делятся на:

– жидкие смазочные масла, которые в обычных условиях являются жидкостями, обладающими определенной текучестью ( нефтяные и растительные масла);

– пластичные или консистентные смазки, которые в обычных условиях находятся в мазеобразном состоянии (технический вазелин, солидолы, консталины, жиры). Они подразделяются на антифрикционные, консервационные, уплотнителъные;

– твердые смазочные материалы, которые не изменяют своего состояния под действием температуры, давления (графит, слюда, тальк). Их обычно применяют в смеси с жидкими или пластичными смазочными материалами.

По назначению смазочные материалы делятся на масла:

– моторные, предназначенные для двигателей внутреннего сгорания;

– трансмиссионные, применяемые в трансмиссиях автомобилей и других машин;

– гидравлические – для гидросистем различных машин.

По температуре применения различают:

– низкотемпературные, для температуры не более 60°С;

– среднетемпературные, применяемые при температурах 150 – 200°С;

– высокотемпературные, используемые в узлах, которые подвергаются воздействию температур до 300°С и выше.

Смазочные масла должны обладать соответствующими вязкостью и индексом вязкости, высокой термоокислительной устойчивостью и хорошими противокоррозионными свойствами, противоизносными качествами и хорошей прокачиваемостью при различных температурах окружающей среды. Масла должны обеспечивать максимально возможный срок службы и не образовывать на поверхностях деталей различные отложения. Чтобы удовлетворить весь комплекс требований, предъявляемых к смазочным маслам широко используют специальные добавки (присадки).

По наличию и распределению на трущихся поверхностях смазочного материала различают следующие виды трения: сухое, когда между трущимися поверхностями отсутствует смазочное вещество; жидкостное, при котором трущиеся поверхности полностью разделены слоем смазочного вещества; граничное, когда трущиеся поверхности разделены тончайшим молекулярным слоем адсорбированных на них смазочных веществ; полужидкостное – переходное между жидкостным и граничными видами трения.

Сухое трение – самое опасное для узлов и механизмов, так как сопровождается резким увеличением износов, потерей энергии на трение, температур. Жидкостное трение обеспечивается, если смазывающая жидкость полностью разделяет трущиеся поверхности, т.е. трение между твердыми телами заменяется трением между частицами жидкости. При этом в 10 – 15 раз снижаются затраты мощности на преодоление трения, резко уменьшаются износ и нагрев деталей, узел трения выдерживает более высокие нагрузки. Работа узла трения, а следовательно, машины в целом становится более продолжительной, надежной.

Образование масляного слоя между трущимися поверхностями при заданной нагрузке зависит от скорости их относительного перемещения и вязкости масла.

Надежность масляного слоя, а следовательно несущая способность подшипников с повышением частоты вращения вала и вязкости масла уменьшается.

Коэффициент жидкостного трения составляет 0,001- 0,01, а минимальная толщина масляного слоя при жидкостном трении для автотракторных двигателей равна 4 -6 мкм.

В ряде случаев двигатель может кратковременно работать в неблагоприятных условиях (резкое возрастание нагрузки, значительное снижение частоты вращения вала, перегрев двигателя, чрезмерное понижение вязкости масла), при которых гидродинамический слой масла нарушается, и жидкостное трение переходит в граничное. При этом между трущимися поверхностями остается очень тонкий слой масла. Пленка масла на металлической поверхности прочно удерживается силами межмолекулярного взаимодействия. Оно зависит от смазывающей способности масла и физико-химических свойств поверхностей трения. Толщина слоя масла составляет 0,1 – 1,0 мкм. Коэффициент трения составляет 0,01 – 0,1.

Все смазочные масла обладают смачиваемостью, т.е. способностью растекаться тонким слоем на поверхности металла. Эта способность зависит от внутренних сил сцепления. В данном случае силы взаимодействия между металлом и частицами масла больше силы молекулярного взаимодействия между частицами масла. Смазывающая способность масла имеет очень важное значение во многих случаях эксплуатации ДВС: во время пуска или при прогреве двигателя.

Полужидкостной смазкой называют такой режим трения, когда наряду с жидкостной имеет место и граничная смазка (например, при пуске и остановке двигателя, неустановившейся нагрузке, резком изменении скорости). Полужидкостное трение будет наблюдаться при высоких удельных нагрузках и рабочих температурах, низкой вязкости масла, нарушении герметичности деталей, недостаточном поступлении масла, попадании в него абразивных и механических примесей.

Определить марку моторного масла, если известны следующие данные: =11,2 сСТ, индекс вязкости 95, щелочность 6,0 мг/г, зольность – 1,15%, температура вспышки 223 0 С, температура застывания ‑ (-19 0 С). В каких двигателях и в какое время года можно использовать данное масло?

1.По условию задачи, используя справочные данные, устанавливаем марку масла. Это моторное масло марки ___________

2.По кинематической вязкости, индексу вязкости и температуре застывания можно заключить, что масло __________

Данное масло можно использовать ­­­­­________________________________________________________________________________________________________________________________________________

Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском:

Лучшие изречения: Сдача сессии и защита диплома – страшная бессонница, которая потом кажется страшным сном. 9051 – | 7306 – или читать все.

Виды смазочных материалов

Одним из наиболее эффективных путей обеспечения надежности и долговечности подвижных сопряжений деталей машин и механизмов и минимизация энергетических потерь при их эксплуатации является использование в качестве компонентов этих сопряжений смазочных материалов.

Смазочные материалы (СМ) – продукты органического и неорганического происхождения, которые вводят между поверхностями с целью уменьшения потерь на трение в этом сопряжении, предотвращения заедания и снижения износа пар трения (рис.1). Внутреннее трение в смазочных материалах 3 существенно меньше, чем внешнее трение несмазанных деталей 1 и 2, и исключение или минимизация непосредственного контакта пар трения приводит к улучшению фрикционно-износных характеристик сопряжения.

Рис.1. Схема несмазанного (а) и смазанного (б) трибологического контакта: 1 и 2 – взаимодействующие элементы узла трения; 3 – смазочный материал.

Смазочный материал является важнейшим конструкционным элементом узла трения, во многом определяющим его надежность и долговечность, а также потери энергии при его функционировании.

Действие смазочного материала, в результате которого уменьшается износ, повреждение поверхности и/или сила трения называется смазкой.

В узлах трения машин и механизмов могут быть реализованы следующие виды смазки:

  • жидкостная (гидродинамическая, эластогидродинамическая, гидростатическая);
  • граничная;
  • смешанная (полужидкостная);
  • газовая смазка (газостатическая и газодинамическая);
  • твердая смазка (смазка, осуществляется твердым смазочным материалом).

Возможность реализации того или иного вида смазки определяется конструкцией узла трения, условиями и режимами его работы, а также рядом других технических и экономических факторов. В настоящее время наиболее широко распространена смазка жидкими смазочными материалами.

Условием реализации жидкостной смазки является обеспечение существования слоя смазочного материала, толщина которого при приложенной нагрузке превышает суммарную высоту микронеровностей сопряженных поверхностей (см. рис.1). Это может быть обеспечено путем поступления жидкости в зазор между поверхностями трения под достаточно большим внешним давлением. В этом случае реализуется гидростатическая смазка, которую применяют, например, в опорах и направляющих металлорежущих станков. Однако в большинстве случаев жидкостная смазка, обеспечивающая полное разделение рабочих поверхностей контактирующих деталей в процессе эксплуатации, осуществляется под действием давления, самовозбуждаемого в слое жидкости при относительном движении поверхностей, ограничивающих смазочный слой (гидродинамическая смазка). При жидкостной смазке имеют место минимальные потери на трение в подвижных сопряжениях и практически полное отсутствие износа трущихся тел. Рассчитать толщину смазочного слоя, разделяющего трущиеся тела, и несущую способность этого слоя позволяет гидродинамическая (ГД) теория смазки, созданная трудами Н.П. Петрова, Б. Тауэра и О. Рейнольдса и развитая А. Зоммерфельдом, Н.Е. Жуковским, А.К. Дьячковым, М.В. Коровчинским и др. Толщины гидродинамических смазочных слоев составляют 10-30 мкм.

Теоретической основой гидродинамической теории смазки служат дифференциальные уравнения течения вязкой жидкости.

Согласно закону вязкого течения, сформулированному И. Ньютоном, сила внутреннего трения Fт для ламинарного режима прямо пропорциональна производной относительной скорости νx перемещения площадки A по нормали к ней

(1)

где η – динамическая вязкость, Па·с.

Этот же закон может быть представлен в виде

(2)

где τ – касательное напряжение (напряжение сдвига) на площадке внутри движущей среды.

Те среды, которые подчиняются закону пропорциональности касательных напряжений поперечной производной скорости по нормали к этой площадке, называют истинно вязкими или неньютоновскими. Течение многих смазывающих жидкостей (нефтяных и растительных масел) при температурах, не слишком близких к температурам застывания, и газов достаточно хорошо описываются зависимостью (2) – см.рис. 2, кривая II.

Рис.2. Зависимость напряжения сдвига τ в жидкости Шведова (I) и в ньютоновской жидкости (II) от производной скорости dV/dh. Здесь τ – статическое предельное напряжение сдвига; τd – второе предельное напряжение сдвига.

Для некоторых сред для начала движения необходимо приложить дополнительное напряжение (см.рис. 2, кривая I), что характерно для пластичных смазок и некоторых коллоидных растворов. Теория гидродинамической смазки создана прежде всего для ньютоновских жидкостей. Толщины гидродинамических смазочных слоев составляют в ДВС 10-30 мкм. В этом режиме работают радиальные и осевые опоры скольжения, направляющие скольжения, хорошо приработанные зубчатые передачи и т.д.

Для описания смазки тяжелонагруженных или неприработанных узлов трения (зубчатых или цепных передач, подшипников качения, полимерных или тяжелонагруженных подшипников скольжения или качения), а также при обработке металлов давлением и в других случаях применяют эластогидродинамическую (ЭГД) теорию смазки, которая адаптирует классическую гидродинамическую теорию к условиям, когда высокие контактные напряжения вызывают упругие дефформации контактирующих тел и заметно увеличивают вязкость смазочного материала в пленке жидкости, разделяющей эти тела. Эластогидродинамическая теория смазки создана трудами А.И. Петрусевича, А.М. Эртеля и А.Н. Грубина и развивалась Д. Даусоном, Г.В. Хиггинсом, Д.С. Кодниром, М.В. Коровчинским, Ю.Н. Дроздовым и др.

Смешанная (полужидкостная) смазка

Широко распространен в узлах трения режим смешанной (полужидкостной) смазки. При этом режиме одни участки поверхности контактирующих тел разделены гидродинамическим слоем, а другие граничным. При этом виде смазки используется как важнейшая объемная характеристика смазочного материал – его вязкость, так и способность смазочного материала создавать на поверхностях трения прочные граничные слои. Естественно, чем выше доля гидродинамической смазки, тем меньше коэффициент трения при смешанной смазке.

Читайте также:  Характеристики профнастила

Если геометрия контакта и условия работы смазанного узла трения не обеспечивают реализацию жидкостной смазки, то разделение контактирующих поверхностей и устранение (или по крайней мере локализацию) металлического контакта трущихся тел, ведущего к интенсивному изнашиванию, порче рабочих поверхностей и к заеданию сопряжения, обеспечивают граничные слои, образующиеся на поверхностях трения в результате взаимодействия активных компонентов смазочного материала с поверхностными слоями трущихся тел. Такой режим смазки называют граничным.

В режиме граничной смазки в те или иные периоды эксплуатации работают практически все тяжелонагруженные узлы трения (при пуске, остановке любых подвижных сопряжений, в «мертвых точках» цилиндро-поршневой группы двигателей внутреннего сгорания и т.д.). В узлах трения, работающих при высоких нагрузках и температурах и сравнительно низких скоростях скольжения, граничный режим смазки имеет место в течение всего периода работы.

При граничной смазке имеет место изнашивание трущихся тел, а коэффициенты трения при этом режиме существенно выше, чем при жидкостной смазке. Во многих случаях именно граничные слои обеспечивают работоспособность трибосопряжения в наиболее тяжелых условиях эксплуатации. Учение о граничной смазке и граничном состоянии вещества было создано в 1922-1936 гг. англичанином У.Б. Харди. В его развитие большой вклад внесли А.С. Ахматов, Б.В. Дерягин, Ф.Ф. Боуден, Д. Тейбор, Г.И. Фукс, Р.М. Матвеевский и др.

Области существования гидродинамической (эластогидродинамической) и граничной смазки определяют по диаграмме Герси-Штрибека (рис.3), представляющей собой зависимость коэффициента трения f от безразмерно критерия Z=ην/Pпог, обычно называемого числом Герси (иногда его называют числом Зоммерфельда), где η – динамическая вязкость, ν – скорость относительного перемещения трущихся тел, P пог – погонная нагрузка на узел трения.

Рис.3. Диаграмма Герси-Штрибека: I-III зоны, в которых реализуется I – граничный, II – смешанный (полужидкостный) и III – гидродинамический режимы смазки.

В левой части диаграммы Герси-Штрибека локализована зона I реализации граничного режима смазки – режима смазки наиболее жесткого. Он имеет место при высоких удельных нагрузках на узел трения, низких скоростях относительного перемещения трущихся тел и повышенных температурах, вызывающих снижение η, и характеризуется не только повышенным коэффициентом трения, но и постоянным изнашиванием трущихся тел. Определяющим свойством смазочных материалов при реализации граничной смазки является поверхностная и химическая активность по отношению к материалу поверхностей трущихся тел. Толщины граничных слоев при высоких нагрузках не превышают сотых долей микрометра.

В правой части диаграммы расположена зона III реализации гидродинамического режима смазки. Основными характеристиками, обеспечивающими реализацию этого режима, являются вязкость смазочного материала и гладкость поверхностей трущихся тел. Вязкость снижается с ростом температуры T и повышается с увеличением давления p в смазочном слое, что учитывается ЭГД теорией смазки, например, выражением η(p,T)=ηexp( αp-αтΔT), где η 0 – вязкость при атмосферном давлении и температуре T=20°C, α и α т – пьезокоэффициент и температурный коэффициент вязкости, ΔT – приращение температуры по сравнению с 20 ° C.

Зоны I и III реализации граничного и гидродинамического режимов смазки разделяет промежуточная зона II – режим смешанной (полужидкостной) смазки. Это режим смазки, при которой одни участки контакта поверхностей сопряженных тел разделены гидродинамическим (эластогидродинамическим) слоем, а другие участки поверхности – граничным слоем. При этом режиме смазки большое значение имеют как объемная характеристика смазочного материала – его вязкость, так и способность смазочного материала создавать на поверхностях трения прочные граничные слои. Чем выше доля контакта поверхностей, разделенных гидродинамическим слоем, тем коэффициент трения при смешанной смазке ниже и тем меньше износ трущихся тел. На границе зон гидродинамической и смешанной смазки расположена зона эластогидродинамической смазки.

Вероятность реализации режимов гидродинамической, смешанной или граничной смазки можно приближенно оценить по значению относительной толщины смазочного слоя λ, представляющей собой отношение толщины hmin смазочного слоя в зоне минимального зазора между трущимися телами к характеристике высоты неровностей рабочих поверхностей этих деталей:

(3)

где Ra1 и Ra2 – параметры шероховатости соответственно первой и второй рабочей поверхности контактирующих тел.

Чем больше величина λ, тем выше вероятность реализации жидкостной смазки, тем меньше вероятность непосредственного контакта вершин неровностей контактирующих тел. При λ>3 имеет место гидродинамический (и вообще жидкостной) режим смазки; при λ

Таблица 1. Основные характеристики видов смазки (по Г.Польцеру и Ф. Майсснеру)

Вид смазкиКоэффициент трения fтрОпределяющая характеристика СМПостулируемые свойства СМПостулируемые свойства твердого телаКритерий λ
Гидродинамическая0,001-0,01ВязкостьНесжимаемый, вязкость независима от давления, СМ-ньютоновская жидкостьАбсолютно жесткое, абсолютно гладкое, износ отсутствует>3
Гидростатическая0,001-0,01Несжимаемый, вязкость независима от давления, СМ-ньютоновская жидкостьАбсолютно жесткое, абсолютно гладкое, износ отсутствует>3
Эластогидро-динамическая (ЭГД)0,001-0,01ВязкостьНесжимаемый, вязкость зависит от давления и температурыУпругодеформируемое, абсолютно гладкое (кроме микроконтактной ЭГД)>3
Смешанная (полужидкостная)0,08-0,15Вязкость, поверхностная активность, химическая активностьНесжимаемая жидкость, коллоидный раствор поверхностно- и химически активных компонентов в инактивной средеУпруго- и/или пластически деформируемое, шероховатое, изнашиваемое3>λ>1
Граничная0,08-0,18Поверхностная активность, химическая активностьКоллоидный раствор поверхностно- и химически активных компонентов в инактивной средеУпруго- и/или пластически деформируемое, шероховатое, изнашиваемое

Режим смазки определяет также вид изнашивания трущихся тел (табл. 2)

Таблица 2. Характер износа в зависимости от режима смазки (по Г. Польцеру и Ф. Майсснеру)

Вид смазкиХарактер разрушения
ЖидкостнаяФрикционная усталость при упругих деформациях
Смешанная (полужидкостная)Пластическое деформирование, малоцикловая усталость
Граничная смазкаМалоцикловая усталость, абразивное, адгезионное и/или коррозионно-механическое изнашивание
Трение без смазочного материалаАбразивное изнашивание и/или схватывание с глубинным вырыванием
  1. Доценко А.И., Буяновский И.А. / Основы триботехники. Учебник. – М.: Инфра-М, 2014.
  2. А. В. Чичинадзе, Э. Д. Браун, Н. А. Буше и др.; Под общ. ред. А. В. Чичинадзе. / Основы трибологии (трение, износ, смазка). 2-е изд. переработ, и доп. – М.: Машиностроение, 2001.

Читайте также:  Виды кабельных ножниц
Ссылка на основную публикацию