Трение и износ

Основное назначение любого смазочного матери­ала - уменьшение трения и снижение интенсивности из­нашивания. Трением называют сопротивление дви­жению, которое возникает при перемещении одного тела по поверхности другого. Трение может быть полезным (торможение автомобиля, фрикционные, клиноременные передачи и т. д.), однако в технике чаще всего прихо­дится сталкиваться с вредным его проявлением. Так, в двигателе внутреннего сгорания значительная часть энергии расходуется на преодоление трения, возникающего при движении поршневых колец по гильзам ци­линдров, вращении коленчатого вала в подшипниках и т.д.

Известно два вида трения: скольжения и ка­чения. Первое возникает при поступательном или вращательном движении поверхностей, а второе при их перекатывании. Всегда выгодно заменить скольжение качением, так как коэффициент трения при этом умень­шается в десятки раз. Скольжение сопровождается потерей мощности, выделением тепла, износом. В подав-1яющем большинстве случаев в двигателях внутрен­него сгорания наблюдается именно этот вид трения: перемещение поршня в цилиндре, вращение коленча­того вала в подшипниках, движение штанг толкателей клапанов по направляющим и т. д.

Даже при тщательной обработке на поверхности деталей образуется множество микровыступов и впадин. Чем грубее обработка, тем больше высота этих неровностей. При взаимном перемещении поверхностей (рис. 14, а) имеющиеся на них выступы цепляются друг за друга, оказывая сопротивление движению. В неко­торых местах контакт становится настолько тесным, что молекулы соседних поверхностей притягиваются Друг к другу, вызывая дополнительное сопротивление. При высоких скоростях и нагрузках места контакта по­верхностей могут разогреваться до 1000° С и более, при возможно их сваривание. Точки контакта в движении постоянно перемещаются, сваренные выступы раз­рушаются. Коэффициент сухого трения в зависимости от вида материала и обработки может составлять 0, 3— 0, 9, а иногда и более единицы. Так схематично можно представить процесс изнашивания поверхностей трения, Значительный местный нагрев может привести и к за­диру деталей.

Наиболее благоприятен режим жидкостного или, как его иначе называют, гидродинамического трения.

 

Рис. 14 Схема перемещения трущихся Рис 15Образование масля­ного слоя между поверхностей

а — сухое трение, б — жидкостное трение трущимися поверхностями

Он возникает тогда, когда трущиеся поверхности пол­ностью разделены слоем смазочного материала, т е трение между твердыми телами заменяется трением между частицами масла. Чтобы жидкостное трение бы­ло возможным, толщина масляного слоя должна быть больше суммарной высоты микронеровностей (рис. 14, 6), В этом случае коэффициент трения незначителен (0, 007—0, 03), нагрев поверхностей значительно уменьшается, а износа практически не происходит.

Рассмотрим, как образуется масляный слой. Пред­ставим себе, что между двумя трущимися поверхностя­ми находится пленка масла. Под действием внешней силы Р одна из поверхностей А (рис. 15) начинает пе­ремещаться с определенной скоростью. Частицы масла, находящиеся на ней, будут двигаться с такими же скоростями, и увлекать за собой близлежащие слои. По мере их удаления за счет внутреннего трения скорость сни­жается и на неподвижной поверхности Б становится равной нулю. Поскольку масла являются несжимаемыми жидкостями, из-за разности скоростей слой смазочного вещества поддерживает перемещающуюся поверхность в «плавающем» положении, несмотря на то, что к де­талям могут быть приложены значительные нагрузки. Аналогично образуется смазочный слой в трущейся паре вал-вкладыш подшипника скольжения. Пока вал неподвижен (рис. 16, а), он лежит на вкладыше, их разделяет только очень тонкая масляная пленка, зазор в месте соприкосновения практически отсутствует, а все масло находится по обе стороны вала.

Рис 16. Схема образования смазочного слоя в подшипнике скольжения:

а — состояние покоя, б — начало вращения, в — установившаяся работа

Когда вал начинает вращаться (рис. 16, б), молекулы масла, прилипшие к его поверхности, увлекают за собой со­седние. По ходу вращения в узкую серповидную часть нагнетается все большее количество масла. Образуется так называемый масляный клин, создающий давление в зазоре, вал начинает всплывать, подниматься в под­шипнике. Вал перестает касаться стенок подшипника, весь зазор заполняется маслом (рис. 16, в), и трение металлов полностью заменяется трением слоев жидкос­ти. Образование масляного слоя возможно в том случае, если его несущая способность больше нагрузок, дейст­вующих на вал.

Прочность масляного слоя определяется вязкостью масла, которую подбирают в зависимости от условий работы трущихся пар: температура, давление, скорость взаимного перемещения поверхностей. Чем больше вяз­кость, тем выше надежность масляного клина, лучше условия сохранения жидкостного трения при изменении нагрузки. Но с увеличением вязкости затрачивается больше усилий на то, чтобы привести в движение слои масла, растет коэффициент внутреннего трения, снижает­ся мощность. Несколько увеличивается несущая способ­ность и с ростом скорости вращения вала, так как возрастает количество масла, поступающего в зазор. Поэтому для любых трущихся пар вязкость должна быть выбрана наименьшей, но обеспечивающей жидкостное трение. Установлено, что при рабочих условиях для подшипников коленчатого вала двигателей внутреннего сгорания она должна быть не менее 4—5 сСт.

При жидкостном трении детали практически не изна­шиваются. Износ может происходить только при наруше­нии режима. Однако в реальных условиях эксплуатации обеспечить жидкостное трение удается далеко не всегда. Неосуществимо оно обычно при пуске и останове дви­гателей, в тяжело нагруженных узлах трения, при уве­личенных зазорах в изношенных механизмах и т. д. При этих условиях может возникнуть граничное трение.

Граничным режимом называют такой, при ко­тором трущиеся пары разделены очень тонкой масляной пленкой. Коэффициент граничного трения ниже сухого, но выше жидкостного: 0, 08—0, 15. Если при жидкостном трении износа не происходит, то при граничном поверх­ности изнашиваются. Нужно подбирать такие смазочные материалы, чтобы износ был, возможно, меньшим. Режим граничного трения — это предел работоспособности узла трения; при его нарушении возникают задиры, заклини­вания и другие аварийные неполадки. Поведение гранич­ных слоев смазочного материала не зависит от вязкости, а определяется только взаимодействием молекулярных пленок масла с поверхностью металла. Чем прочнее об­разующаяся на поверхности металла пленка, тем меньше износ деталей.

Прочность граничной пленки зависит от химического состава масел наличия соединений с электрозаряженными молекулами. Атомы располагаются в них таким образом, что на одном конце образуется положительный, а на другом - отрицательный заряды. К таким вещест­вам относятся некоторые сернистые соединения, орга­нические кислоты, смолы, а также специально вводимые в масла противоизносные и противозадирные присадки.

Схематично можно представить, что электрозаряженные (полярно-активные) молекулы притягиваются к по­верхности металла, образуется пленка толщиной в одну молекулу (рис 17, а), на нее наращиваются новые слои. Аналогичное явление происходит и на другой поверхно­сти, а в толще масла молекулы по-прежнему имеют хао­тическое расположение. Таким образом, при граничном трении поверхности оказываются разделенными пленкой смазывающего вещества, состоящей из нескольких сло­ев молекул. Обязательно в этом слое окажется два со­седних ряда молекул (рис. 17, б), одноименные заряды которых сближены. А так как одноименные заряды от­талкиваются, то этих электрических межмолекулярных взаимодействий достаточно для того, чтобы предотвра­тить непосредственный металлический контакт поверхно­стей даже при значительных удельных нагрузках.

 

Рис. 17 Схема образования граничных пленок

Процесс образования граничных пленок в действи­тельности гораздо сложнее. В первую очередь многие полярно-активные соединения масел химически взаимо­действуют с металлом. При этом структура поверхност­ного слоя меняется, пластичность металла увеличивается, и он легко деформируется. Все это оказывает существен­ное влияние на снижение коэффициента трения и умень­шение скорости изнашивания.

Режим граничного трения очень неустойчив. Если действующая на поверхности нагрузка превысит силы сцепления (прочность масляной пленки), то граничный слой разрушается, а в месте контакта возникает сухое трение. Смазывающая способность заметно снижается при повышении температуры, когда силы межмолекуляр­ного взаимодействия ослабевают.

В реальных условиях четко разграничить жидкостное и граничное трение можно далеко не всегда. При умень­шении скорости движения, увеличении действующей нагрузки условия жидкостного трения ухудшаются,

 

 

 

Рис 18 Разруше­ние масляной плен­ки

 

масляный клин становится тоньше. При определенных условиях толщина зазора становится меньше высоты не­ ровностей, появляется местный контакт микровыступов, разделенных только граничной пленкой (рис. 18). При дальнейшем увеличении нагрузки зо­на граничного трения увеличивается и, наконец, может появиться сухое тре­ние с задиром поверхностей.

Обычно такой смешанный режим трения возникает при пуске механиз­мов, высоких нагрузке и рабочей тем­пературе, неправильно подобранном по вязкости масле или недостаточном поступлении его к поверхностям тре­ния. Нередко нарушается жидкостное трение при попадании в масло абра­зивных механических примесей. В тех случаях, когда жидкостное трение не обеспечивается на всех режимах рабо­ты механизма, агрегата, узла, износ деталей будет тем меньше, чем выше прочность масля­ной пленки.

§ 29. Вязкостные свойства масел

Вязкость - одна из важнейших характеристик сма­зочных масел. От нее зависит не только создание жид­костного трения в различных узлах, но также их охлаж­дение, уплотнение, легкость запуска и др. Именно поэто­му значение кинематической вязкости указывают в марках многих масел. В зависимости от условий работы масел их вязкость нормируют при разной температуре, например, для трансформаторных при 20° С, для инду­стриальных при 50° С, а для моторных при 100° С

Кинематическую вязкость определяют следующим образом (ГОСТ 33—66). В вискозиметре (рис 19) при заданной температуре отмечают продолжительность ис­течения испытуемой жидкости в объеме шаровой емко­сти / через капилляр 2 Вискозиметр, заполненный мас­лом в объеме двух шаровых емкостей, устанавливают в ванну, в которой поддерживают заданную температуру Длительность истечения определяют по секундомеру. Умножив постоянную вискозиметра, которая указана в его паспорте, на время истечения в секундах, получают значение кинематической вязкости в сантистоксах.

 

Рис. 19 Ка­пиллярный вискози­метр;

1 — шаровая емкость, 2 — капилляр

 

Про­мышленность выпускает вискозиметры с капиллярами диаметром 0, 4—5, 0 мм. Чем гуще продукт и ниже темпе­ратура, при которой нужно определить вязкость, тем с большим капилляром выбирают вискозиметр.

Вязкость масел оказывает существенное влияние на работу механизмов. В каждом конкретном случае правильно подобрать ее оптимальное зна­чение. Если механизм изношен, зазоры уве­личены, лучше взять более густое масло. Масла с повышенной вязкостью также нуж­ны, если трактор или автомобиль работают в условиях значительной запыленности, при высокой температуре окружающего возду­ха, с резко переменными нагрузками.

При подборе масел необходимо учиты­вать, что их вязкость зависит от температу­ры. Для всех масел характер зависимости один, чем ниже температура, тем больше вязкость. Однако степень изменений раз­лична и определяется химическим составом масла. Поскольку в масла входят. Многие тысячи различных углеводородов, то пре­дугадать их поведение при изменении тем­пературы невозможно. Поэтому в стандар­тах на моторные масла приводят значение вязкости не только при 100° С, но и при 0°С (иногда при —18°С), а также индекс вязкости (безразмерная вели­чина, показывающая степень изменения вязкости в за­висимости от температуры по сравнению с эталонными маслами). Определить этот показатель можно по графи­кам или таблицам, которые приведены в технических требованиях на' нефтепродукты, для чего необходимо знать значение вязкости при 50 и 100° С.

Чем больше меняется вязкость с изменением темпера­туры, тем хуже вязкостные свойства и ниже индекс вязкости. Масла с высоким индексом обеспечивают достаточную вязкость при высокой рабочей температуре, а при низкой — зимой — не густеют настолько, чтобы за­труднить пуск двигателя.

На рис. 20 показана вязкостно-температурная харак­теристика двух моторных масел, вязкость которых при 100° С одинакова, но из-за различного химического со­става индексы их вязкости соответственно равны 90 и 140. Первое масло можно использовать только в теплое время года, так как при отрицательной температуре оно загустеет и потеряет подвижность. Второй образец обес­печит как легкий запуск в сильные морозы, так и жид­костное трение при рабочих режимах.

Минеральные масла обычно имеют недостаточно хо­рошие вязкостнотемпературные свойства: если обеспечивается жидкостное трение при рабочей температуре, то трудно запустить двигатель зимой, и наоборот.

 

0

 

 

Рис. 20 Зависимость вязкости моторных масел от температуры

1— индекс вязкости 90 2 — индекс вязко­сти140

Для того чтобы повысить индекс вязкости, добавляют вяз­костные присадки, масла с ними называют загущенными. В качестве загущающих присадок используют полимер­ные соединения цепочного строения с большой молеку­лярной массой. Сравнительно небольшое (3 - 4%) количество полимера в маловязком масле почти не ме­няет его вязкость при низкой температуре, так как мо­лекулы присадок свернуты в тугие спирали малого объема. При высокой рабочей температуре спирали расправляются, занимая большой объем, вязкость повыша­ется.

 

 

Рис.21.Схема действия вязкостных присадок.

1— зимнее моторное масло, 2 — индуст­риальное масло 3 — загущенное

 

Схематично эффект вязкостных присадок показан на рис 21. Зимнее моторное масло / не обеспечивает пуск двигателя при темпе­ратуре ниже —20° С, а применение индустри­ального 2 приводит к задиру поверхностей при рабочих режимах из-за недостаточной вязкости. Введением загущающей присадки (повышающей вязкость при высокой темпера­туре) в маловязкое масло 2 можно полу­чить загущенное мас­ло 3, вязкостно-темпе­ратурная характеристика, которого обеспечи­вает как легкий пуск, так и надежную рабо­ту в заданном режиме.

Оценивая пусковые; свойства, необходимо принимать во внима­ние и температуру за­стывания. Этот пока­затель тесно связан с вязкостью: температу­ра застывания значи­тельно ниже у легкоподвижных масел (трансформаторные, приборные около —50—60°С). Летние моторные масла застывают при —10—15° С, что удается достичь удалением парафиновых углеводородов при очистке. Получать зимние масла с температурой за­стывания —25-; —30° С глубоким удалением парафина экономически невыгодно. В этом случае целесообразно использовать присадки, снижающие температуру засты­вания — депрессоры.

При охлаждении из масла выделяются кристаллы парафина, которые соединяются между собой, образуя как бы соты. Внутри ячеек находится жидкость, но пла­стины мешают ее движению, масло теряет подвижности. Депрессоры, вводимые в количестве до 1%, на поверх­ности кристаллов парафина создают защитные плёнки, не позволяющие образовывать каркас. Поэтому масло сохраняет текучесть до более низкой температуры. При правильном подборе сырья и присадок можно снизить температуру застывания зимних масел на 20—25° С.

В производственных условиях для облегчения запус­ка двигателей зимой иногда прибегают к разбавлению масел бензином, дизельным топливом, индустриальны­ми маслами. При этом действительно удается облегчить пуск. Но при рабочей температуре вязкость становится недостаточной, ухудшаются и другие эксплуатационные свойства. С этой точки зрения лучше разбавлять масло неэтилированным бензином (до 10%), который примерно через 25—30 мин работы двигателя испаряется, и вяз­кость масла восстановится. Однако пользоваться этим методом следует только в самых крайних случаях.