Смазочные масла

3.1.1. Функции, выполняемые смазочными маслами

Главным назначением смазки любого механизма является уменьшение износа трущихся детален и снижение мощности, затрачиваемой на трение. Мощность, затрачиваемая на трение, благодаря смазке уменьшается в сотни раз. При современных скоростях и нагрузках узлы трения двигателей и силовых передач.рушились бы без смазки в течение нескольких секунд из-за, заклинивания или расплавления и сваривания деталей выделенным при трении теплом.

Смазочные масла выполняют также ряд других важных функций: отводят тепло от нагретых деталей машин; предохраняют детали от коррозии; очищают пространство между трущимися поверхностями от продуктов износа и механических примесей; обеспечивают уплотнение зазоров между деталями (например, между поршнем и цилиндром двигателя).; используются в качестве рабочей жидкости гидроустройств (например, изменение шага воздушного винта).

3.1.2. Основные эксплуатационные свойства масел

Основными эксплуатационными свойствами смазочных масел являются: смазывающие свойства, вязкостные свойства, стабильность и коррозионные свойства.

3.1.2.1. Смазывающие свойства масел

Проблема борьбы с трением и изнашиванием деталей, машин механизмов является одной из основных проблем в технике. От успешного ее решения зависят надежность и долговечность работы машин, их КПД, а следовательно, и эффективность всей находящейся в эксплуатации машинной техники страны.

Чтобы правильно подбирать и применять масла, необходимо прежде всего знать основные закономерности процессов трения и изнашивания деталей машин, условия, в которых работают масла, качество, состав и возможные их изменения при работе в двигателях.

Отсутствие или наличие смазки, ее количество между трущи­йся поверхностями определяет классификацию трения по видам. различают три принципиально отличных друг от друга вида трения: сухое, жидкостное и граничное.

Сухое трение может возникнуть при работе сопряженных деталей механизмов в случае нарушения подачи смазки. Оно ха­рактеризуется высокими значениями сил трения и значительными взносами. Развивающиеся высокие температуры при сухом трении могут привести к свариванию трущихся деталей и выходу из строя узла трения.

Сила сухого трения согласно закону Амонтона—Кулона опре­деляется по формуле

F=fP+A,

где f — коэффициент трения; Р — нагрузка, нормальная к поверх­ности трения; Л — величина, зависящая от сцепляемости поверх­ностей.

Для большой области условий трения величиной А пренебре­гают ввиду ее малости и пользуются упрощенной формулой

F=fP.

Коэффициент трения зависит от материала трущихся деталей и условий трения и находится в пределах 0,2... 0,8, а в случае воз­никновения процесса схватывания поверхностей при тяжелом ре­жиме трения он может повышаться до значений 5...10 и даже выше.

Жидкостное трение—это такой вид трения, при кото­ром движущиеся относительно друг друга поверхности разделены слоем масла и трение происходит между частицами и слоями это­го масла. Сила жидкостного трения определяется не качеством поверхностей, а качеством смазывающего вещества, заключенного между ними, и прежде всего его вязкостью.

Закон жидкостного трения, установленный Н. П. Петровым, выражается следующей формулой:

F = μ v S /h

где S—площадь поверхностей трения; v — скорость взаимного перемещения поверхностей; h— толщина слоя масла, разделяю­щего поверхности.

В основе методов расчета условий, при которых возможно жидкостное трение, лежит гидродинамическая теория смазки, раз­работанная Н. П. Петровым, Н. Е. Жуковским, С. А. Чаплыгиным, О. Рейнольдсом и др.

Для создания жидкостного трения необходимы два условия:

масло должно прилипать (адсорбироваться) к трущимся поверх­ностям и толщина масляного слоя должна быть больше суммы высот микронеровностей поверхностей.

В трущейся паре вал — подшипник масло, обволакивающее вследствие внутреннего трения увлекает соседние слои масла клиновидную часть Зазора (рис. 4). Создается гидродинамическое давление, приподнимающее вал. Вращающийся вал «накачивает» под себя масло и всплывает на созданном им самим масляном потоке. Чем выше вязкость масла, тем большую нагрузку может выдержать масляный клин. Аналогично этому при возвратно-поступательном движении поршня в цилиндре силы внутреннего трения затягивают прилегающие к поршню слои масла в зазор, имеющий плавный выход (рис. 5). Создается давление, которое оттесняет поршень от стенки цилиндра, обеспечивая жидкостную смазку. Коэффициент жидкостного трения находится в пределах 0,001...0,01.

Необходимо стремиться к созданию, где это возможно, жидко­го трения. Однако многочисленные причины не позволяют в настоящее время создать во всех узлах жидкостное трение. Конкретные условия работы в ряде случаев оказываются такими, что постное трение то возникает, то нарушается. Нарушение жидкостного трения не приводит непосредственно к сухому трению.

Рис. 4. Схема формирования масляного клина в подшипни­ке скольжения:

hmin — минимальная толщина масляного слоя

Рис. 5. Движение тела по слою смазочного материала:

НД — направление движения;1 — тело; 2 — смазочный ма­териал

Граничное трение — это трение поверхностей, покрытых пленками разных видов: адсорбционными и хемосорбционными. При граничном трении износ деталей и сила трения зависят от комплекса свойств масла, который принято называть смазывающей способностью или смазывающими свойствами масла. При правильном подборе материалов трущихся деталей, выборе усло­вий трения и смазочного масла с требуемым уровнем смазываю­щей способности граничное трение позволяет обеспечить большой ресурс работы трущихся деталей с незначительными потерями мощности на преодоление сил трения. Коэффициент граничного трения составляет 0,01...0,15.

В основе физико-химического процесса образования граничной пленки и, следовательно, смазывающей способности лежит явле­ние адсорбации и хемосорбации.

Поверхность металла обладает значительной свободной энер­гией. Объясняется это тем, что расположенные на поверхности атомы металла в отличие от атомов в глубине имеют свободные незамещенные связи, создающие силовое поле.

При физической адсорбции поверхностно-активные молекулы смазочной среды, попадая в силовое поле поверхности твердого тела, присоединяются под действием сил Ван-дер-Ваальса к ее активным центрам, формируя первоначально мономолекулярный, а затем мультимолекулярный адсорбированный слой граничной смазки (рис. 6).

Рис. 6. Схема образования граничной пленки из полярных молекул жидко­сти на твердой поверхности

Основные компоненты масел — парафиновые, нафтеновые и ароматические углеводороды — состоят из полярно инертных молекул, которые сами не способны создавать адсорбированные слои на твердых поверхностях.

Из числа производных углеводородов наибольшую поверхност­ную активность имеют соединения, молекулы которых содержат карбоксильную группу СООН. Сюда, прежде всего, относятся карбоновые кислоты: жирные, нафтеновые и ароматические. К числу полярных соединений принадлежат и спирты, простые и сложные эфиры, а также содержащиеся в маслах природные сернистые соединения, смолы и различные продукты окисления. Они проявляют наибольшие силы сцепления с металлической поверхностью. Ад­сорбированный поверхностный слой по своим свойствам резко от­личается от той жидкости, из которой он образовался. Хаотичес­кого теплового движения молекул, характерного для жидкости, в нем нет; он скорее напоминает кристаллическое твердое тело с упорядоченным расположением молекул и поэтому может быть назван квазикристаллическим. Граничное трение внутри такого слоя можно сравнить с трением при сдвиге листов в стопке бума­ги: подобно им слои молекул в граничной масляной пленке, не разрушаясь, сдвигаются относительно друг друга.

Мультимолекулярная адсорбционная пленка, находящаяся под действием силового поля твердой поверхности, обладает рядом специфических свойств, из которых наиболее важными являются высокая прочность на сжатие и упругость (более 100 МПа) и легкость сдвига под действием тангенциальных сил трения. Этим и объясняются небольшие коэффициенты трения при скольжении смазанных поверхностей.

Адсорбционные пленки на поверхностях трения разрушаются от термических и механических воздействий. При нагреве кинети­ческая энергия адсорбированных молекул преодолевает энергию адсорбционной связи, происходит дезориентация молекул и их де­сорбция с твердой поверхности, при этом резко увеличивается из­нос металлов.

Иногда между граничным слоем смазки и поверхностью метал­ла устанавливаются химические связи, образуется тонкий поверх­ностный слой нового вещества (оксида, сульфида, хлорида, мыла и т. д.). Это явление, называемое хемосорбцией, обеспечивает бо­лее прочную связь граничной смазки с поверхностью металла. Та­кие пленки образуются при тяжелых режимах трения, когда на трущихся поверхностях развиваются высокие температуры. Плен­ки предотвращают контакт чистых металлов, их задир и схваты­вание, т. е. обладают противозадирным действием. Для получения таких защитных слоев в масло вводят противозадирные присад­ки — органические соединения, содержащие в своем составе серу. хлор, фосфор, жирные кислоты и др.

Оценка смазывающих свойств масел производится на основе сравнительных испытаний, проводимых или непосредственно на той машине, для смазки которой масло выбирается, или на от­дельном агрегате этой машины при его испытании на стенде, или на лабораторной установке, специально предназначенной для ис­пытания масел.

Наиболее распространенной лабораторной установкой для оценки смазывающих свойств масел в условиях больших контакт ных нагрузок при трении твердых стальных поверхностей является яетырехшариковая машина. Смазывающие свойства масел оцени­вают по значению коэффициента трения, износу шариков за опре­деленное время испытания, критической нагрузке, при которой происходит разрушение граничной смазочной пленки.

3.1.2.2. Вязкостные свойства масел

Вязкость смазочного масла является одним из важных его экс­плуатационных свойств. От нее зависят надежность работы дви­гателя, износ его деталей, потери мощности на трение, легкость запуска двигателя и прокачиваемость масла по системе смазки.

Общим для всех смазочных масел является уменьшение вязко­сти при повышении температуры и возрастание вязкости при пони­жении. Желательно применять масла с пологой вязкостно-темпе­ратурной зависимостью. Чем меньше масло меняет свою вязкость в зависимости от температуры, тем более высокими эксплуатаци­онными качествами оно обладает, так как масло при высоких тем­пературах сохранит свою вязкость на уровне, необходимом для смазки горячих и нагруженных деталей двигателя, а при низких— не будет загустевать настолько, чтобы ухудшились прокачивае­мость масла и запуск двигателя (рис. 7).

Рис 7. Требования к вязкостно-температурным свойствам масел

Наиболее пологая вязкостно-температурная кривая у легких Дистиллятных масел, состоящих из низкомолекулярных углеводо­родов. Чем больше молекулярная масса углеводородов, входящих в состав масла, тем круче его вязкостно-температурная кривая.

Вязкостно-температурные свойства моторных масел в сущест­вующих стандартах регламентируются различными способами:

- ограничением вязкости по нижнему пределу при высокой температуре и по верхнему пределу при низкой температуре (на­пример, для синтетического масла вязкость при 100 °С не менее 3,2 мм²/с, при минус 40 °С не более 2000 мм²/с);

— отношением вязкости при различных температурах (напри­мер, для масла М.К-6 отношение ν-₂₀/ν₁₀₀ не более 46,5; для масла МС-20 отношение ν₅₀/ν₁₀₀ не более 7,85);

— температурным коэффициентом вязкости (ТКВ)

— (например для маловязких масел ТКВ = (ν₀- ν₁₀₀)/ ν₅₀;)

— индексом вязкости (ИВ), который выражает пологость вяз­костно-температурной характеристики (ВТХ), путем сравнения с кривыми эталонных масел. Лучшее из эталонных масел обладает пологой ВТХ и имеет ИВ, равный 100; худшее — крутой ВТХ и имеет ИВ, равный 0. Чем выше ИВ, тем более пологую ВТХ имеет масло и тем лучше его вязкостно-температурные свойства. Индекс вязкости определяют с помощью таблиц и номограмм.

Вязкостно-температурную характеристику масла можно значи­тельно улучшить применением специальных вязкостных присадок, которыми загущают маловязкие масла, имеющие очень пологую ВТХ, но недостаточную вязкость при рабочей температуре (рис. 8).

Рис. 8. Влияние вязкостной присадки на вязкость масла при различных температурах:

1 — маловязкое масло; 2 — ма­ловязкое масло с вязкостной присадкой (загущенное мас­ло); 3 — дистиллятное масло, равновязкое при 100°С загу­щенному маслу

В качестве вязкостных присадок используют высокомолекулярные полимерные соединения (полиизо-бутилены, полиметакрилаты, вини-полы, полиалкилстиролы и др.). Механизм действия вязкостных присадок объясняется изменением формы молекул присадки — при повышенной температуре молекула имеет вид длинной разветвленной цепи и присоединяет ко всей своей поверхности за счет сил адгезии окружающие ее углеводородные мо­лекулы, что повышает вязкость рас­твора. При снижении температуры молекула присадки «свертывается» ее поверхность уменьшается, соот­ветственно снижаются силы меж­молекулярного взаимодействия, а следовательно, и вязкость масла.

Загущенные масла обладают пологой ВТХ, свойственной низкомо­лекулярным маловязким базовым маслам, и достаточно высокой вязкостью при рабочей температуре двигателя. Основной недоста­ток загущенных масел — постепенная механическая деструкция («размол») загустителя, а также их термическая деструкция при высокой температуре, приводящие к снижению вязкости масел.

Характерной особенностью масел является их застывание при понижении температуры, когда происходит потеря подвижности масла. Застывание может быть вызвано двумя различными про­цессами: постепенным повышением вязкости вплоть до превраще­ния масла в аморфную стекловидную массу с неупорядоченным расположением молекул или же образованием кристаллического каркаса из высокоплавких парафиновых углеводородов.

При производстве масел для обеспечения низкой температуры застывания из них стремятся удалить высокоплавкие парафины. В некоторые сорта масла вводят специальные присадки — депрессаторы, препятствующие росту и сращиванию кристаллов парафинов. Депрессатор может снизить температуру застывания масел на 20... 30 °. При отсутствии или незначительном содержании па­рафиновых углеводородов депрессатором нельзя задержать засты­вание масла, обусловленное повышением вязкости. В этом случае понизить температуру застывания масла можно только путем раз­жижения его топливом.

Минимальная температура масла, до которой возможен запуск двигателя, определяется двумя факторами, связанными с увеличе­нием вязкости масла при понижении температуры: ростом сопро­тивления раскрутке двигателя от стартера и уменьшением или прекращением подачи масла к узлам трения. Максимальной вяз­костью масла, до которой возможен запуск от стартера, в зависи­мости от типа двигателя обычно считается 2000... 5000 мм²/с, пре­кращение же циркуляции масла в системе происходит при вяз­кости порядка 20 000 мм²/c. Заметное уменьшение подачи масла к ответственным узлам трения авиадвигателей, а также существен­ное ухудшение разбрызгивания и распределения масла внутри узлов трения обычно происходит при достижении вязкости поряд­ка 5000 мм² /с — не намного большей, чем предельная вязкость раскрутки ротора.

3.1.2.3. Термоокислительная стабильность масел

С развитием авиационного двигателестроения повышаются теп­ловые напряжения и нагрузки на трущиеся детали двигателей. Масло в двигателе подвергается воздействию высоких темпера­тур, каталитическому влиянию различных металлов, большим давлениям, окислительному действию кислорода воздуха. Кислород воздуха вступает в реакцию с молекулами компонентов масла, что приводит к образованию совершенно новых продуктов — органи­ческих кислот, смол, асфальтенов, карбенов, карбоидов и пр.

Накапливание продуктов окисления в масле влечет за собой изменение и внешнего вида масла и его физико-химических свойств: масло темнеет, в нем появляются нерастворимые осадки, увеличивается его вязкость, возрастает кислотность и соответст­венно коррозионная агрессивность.

Способность масла противостоять окислению при повышенных температурах называется его термоокислительной стабильностью. Применение масел с низкой термоокислительной стабильностью может вызвать серьезные затруднения в эксплуатации, техничес­ком обслуживании и ремонте двигателей.

Окисление масла является главной причиной, вызывающей за­грязнение деталей двигателя и системы смазки различного рода углеродистыми отложениями. Так, например, в поршневом двига­теле на боковых поверхностях поршня, цилиндра, в поршневых канавках и внутренних поверхностях стенок поршня, шатунах, шестернях откладывается прочно скрепленная с поверхностью ме­талла лакообразная пленка толщиной от нескольких десятков до 200...300 мкм. Из-за сходства с лаковыми покрытиями такие плен­ки называют лаковыми отложениями или лаками. Лаковые отло­жения способствуют перегреву двигателя и накоплению нагара, скрепляя его с металлической поверхностью. В лаках собираются интенсифицирующие износ поверхностей трения частицы нагара, пыли, износа и др. Накапливаясь в канавках поршневых колец, эта масса приводит к потере кольцом подвижности — его «пригоранию», в. связи с чем нарушается герметичность между цилинд­ром и поршнем.

На стенках картера, фильтрах, в маслопроводах откладывают­ся черные мазеобразные осадки, могущие нарушить подачу масла к узлам трения.

В газотурбинных двигателях наиболее часто встречаются сле­дующие случаи загрязнения двигателя, вызванные окислением масла:

— появление лаковой пленки вдоль беговой дорожки подшип­ников;

— забивка элементов масляных фильтров откачивающих ма­гистралей;

— отложение осадка на подшипниках турбины в виде «ба­хромы»;

— появление отложений в трубопроводах, канавках и жикле­рах маслоподающих форсунок.

Поэтому одним из важнейших требований к смазочным маслам является их высокая термоокислительная стабильность.

Исходя из термоокислительной стабильности данного масла устанавливают предельную температуру его работоспособности и бремя стабильной работы. Чтобы удлинить срок службы двигате­ля и срок работы масла в двигателе, нужно прежде всего замед­лить окисление масла.

Способность смазочных масел окисляться и осмоляться зависит от многих факторов, важнейшие из которых следующие: химичес­кий состав масла; температурные условия; длительность окисле­ния; каталитическое действие металлов и продуктов окисления;

присутствие воды и механических примесей.

Различные типы углеводородов, входящие в масло, дают раз­ные по химическому составу и физическим свойствам конечные продукты окисления. Парафиновые и нафтеновые углеводороды при окислении образуют растворимые в масле соединения (кисло­ты, смолы, оксикислоты), ароматические—нерастворимые в мас­ле асфальтосмолистые вещества (асфальтены, карбены, карбоиды). Поэтому хорошо очищенные от ароматических веществ масла склонны к повышению вязкости и кислотности, но даже в тяжелых условиях работы двигателя дают малое количество отложений. Наибольшей стойкостью к окислению обладают малоразветвлен­ные углеводороды, не имеющие боковых цепей. Более того, про­дукты окисления этих углеводородов — фенольные соединения — обладают свойством обрывать цепи окислительных реакций, т. е. предохранять от окисления остальные углеводороды. На этом свойстве основан метод усиления антиокислительных свойств мас­ла — искусственного введения в него веществ фенольного харак­тера (например, ионола).

Образующиеся в процессе окисления масла промежуточные продукты могут как ускорять, так и замедлять дальнейшие окис­лительные и полимеризационные процессы. Некоторые из углево­дородных компонентов масел являются естественными антиокис­лителями. Перекисные соединения действуют в качестве катали­заторов, ускоряющих окисление углеводородов масла и способ­ствующих более глубокому окислению начальных продуктов.

Одним из важнейших способов улучшения термоокислительнои стабильности масел является применение различных антиокисли­тельных и моющих присадок к маслам.

3.1.2.4. Коррозионные свойства масел

При работе в двигателях смазочное масло контактирует с раз­нообразными по составу металлами и сплавами. Основные компо­ненты синтетических масел и углеводороды, составляющие основу нефтяных масел, с металлами не реагируют. Коррозию металлов могут вызвать три группы веществ, которые содержатся в маслах. первой группе относятся водорастворимые кислоты и щелочи, которые могут оказаться в масле при недостаточно тщательной очистке при его получении или попасть в него при работе двигателя на сернистом топливе, ко второй — органические кислоты, которые попадают в масло из сырья и образуются при окислении масла, к третьей — активные сернистые соединения. Наиболее коррозионно-агрессивны водорастворимые кислоты и щелолочи, содержание их в маслах недопустимо. Как и в топливах, наличие водорастворимых кислот и щелочей в маслах определяют помощью индикаторов (метилового оранжевого и фенолфталеина).

Коррозионное действие высокомолекулярных органических кислот на металлы интенсивнее проявляется в присутствии кислорода воды. Механизм коррозии следующий:

2Ме+02+2Н20 → 2Ме(ОН)2,

Me(OH)2+RCOOH → (RCOO)2Me+2H2O,

; Me — металл.

В результате коррозии металлов образуются мазеобразные вещества—соли органических кислот мыла, засоряющие маслосистемy двигателя. Содержание органических кислот в маслах оценивают, как и в топливах, по количеству щелочи — едкого кали КОН, которое их нейтрализует. Показатель их содержания в 1 г смазочного масла называется кислотным числом. Для свежих нефтяных масел оно невелико—не более 0,04...0,1 мг КОН на 1 г масла, но при работе двигателя многократно возрастает.

Коррозия со стороны активной серы (свободная сера, сероводород, меркаптановая сера) проявляется в основном в отношении цветных металлов. Коррозия при этом происходит лишь при высоких температурах (выше 140 °С), поскольку при более низких температурах сера образует с металлом комплексные соединения, которые удерживаются на поверхности металла и защищают его

проникновения коррозии вглубь. Однако коррозионное действие ела со стороны сернистых соединений в некоторых случаях играет положительную роль, так как предотвращает задир и схватывание.

Для повышения антикоррозионных свойств масел в них добавляют специальные присадки, действие которых объясняется пассивированием поверхности металла (сплава) и образованием на) поверхности тонкой защитной пленки, препятствующей даль­нейшему воздействию коррелирующих агентов. В качестве анти­коррозионных присадок применяют органические соединения, со­держащие серу или фосфор пли оба эти элемента вместе.

Дата добавления: 2015-07-11