Оцінка впливу різних режимів навтантаження в трибосполученнях на ефективність мастильної дії олив.

 

Мастило в трансмісії АНТ виконує функцію мащення, демпфування (демпфирующий), захисту від корозії та охолодження її деталей. Мащення є необхідним для того, щоб зменшити втрату енергії, що виникає під час тертя, попередити зношування та нагрів вузлів. Крім того, з потоком мастильної рідини із зони тертя виносяться продукти зношування та виводиться надлишкова теплота.

Під час мащення металів навіть неактивною і малов’язкою рідиною як вода чи керосин тертя в рази зменшується. В. П. Гречиним був проведений експеримент [35], де під час тертя чавуна об чавун на машині Амслера при питомому навантаженні 12,5 МПА та при однаковій швидкості ковзання, визначався коефіцієнт тертя, використовуючи різні лубриканти. Отримані результати наведено у таблиці 1.3.1:

Табляця 1.3.1

Результати експерименту В.П. Гречина

№	Вид мастила	Коефіцієнт тертя	Сумарне вагове зношування пари тертя
	Мінеральна олива	0,02
	Гас	0,06	1,9
	Вода	0,22	17,2
	Без мастила	0,6

 

В.М. Сорокін [10] зазначає, що демпфуюча дія ММ полягає у зниженні динамічності змінної навантаження і в зменшенні поперечних і повздовжніх коливань при переході через критичну частоту обертання валів.

ММ класифікують по консистенції (рідкі, газоподібні, пластичні та тверді), походженню (мінеральні, нафтові, органічні та тваринні).

Найпопулярнішими являються мінеральні оливи. За призначенням вони можуть бути моторними, трансмісійними, індустріальними, компресорними, турбінними і т.д. Значна частка МО припадає на моторні масла, що поділяються на оливи для дизельних та бензинових двигунів та універсальні мастила для двигунів різних конструкцій.

В групу індустріальних мастил входять оливи для гідравлічних систем, зубчатих передач закритого типу і т.д.

До трансмісійних мастил належать оливи, що використовуються для мащення механічних, гідромеханічних та гідростатичних передач.

Органічні мастила мають рослинне або тваринне походження, володіють високою мастильною дією, але являються нестійкими в умовах високої температури, тому в чистому вигляді їх майже не застосовують, а використовують в якості присадок до мінеральних олив зметою покращення мастильної дії.

Все ж, найякіснішими вважаються синтетичні оливи. Їх перевагою є більш ширший діапазон робочих температур, довговічність, високий спротив окисленню, не містять з’єднань, що викликають утворення осаду. Недоліком є їх висока вартість. Часто використовуються в компресорах, редукторах, парових турбінах, силових трансмісіях, фрикційних варіаторів. Синтетичні оливи отримують синтезованого вуглеводу, органічних ефірів, полігліколів, фосфатних ефірів.

До фізико-хімічних характеристик ММ належать:

· номінальна в’язкість;

· номінальна щільність. Зменшення даного показника вказує на зниження в’язкості та температури спалаху.;

· температура спалаху – найнижча температура спалаху парів при наближенні вогню в умовах нормального тиску. Даний показник має бути вищим температури поверхні, що змащується;

· температура застигання – найвища температура, при якій мастило втрачає свою текучість, але не втрачає повністю своєї рухомості. Даний показник характеризує степінь розтічності ММ по поверхні тертя;

· кислотне число - кількість міліграмів їдкого калію, потрібного для нейтралізації 1 г ММ. Характеризує вміст кислот в мастилі. Збільшення кислотного числа свідчить про степінь окислення оливи.;

· коксованість – відношення ваги коксу у відсотках до навішування ММ, що випробовується. Вказує на степінь очистки ММ та їх схильність до утворення осаду.;

· зольність - наявність в ММ вогнетривких речовин, механічних домішок та солі (мила). Мило в ММ сприяє їх окисленню, а його підвищений вміст - збільшеннб твердості нагару в ДВЗ;

· вміст механічних домішок;

· вміст води;

· зміст водорозчинних кислот і лугів;

· корозійний вплив на залізні і мідні пластинки;

· вміст сірки;

· вміст селективних розчинників - фенолу, крезолу, нітробензолу і фурфуролу, що застосовуються під час селективної очистки ММ.

Наведені вище показники характеризують якість ММ та її поведінку в період експлуатації, транспортування та зберігання.

Щоб збільшити експлуатаційні якості мастильних матеріалів у промисловості використовуються спеціальні присадки. Вони мають забезпечувати наступні вимоги:

· висока розчинність;

· стійкість до утворення осаду;

· забезпечувати пропускну здатність фільтрів МС та не залишатися на їх стінках.

За цільовим призначенням Присадки ділять на:

· антифрикційні – для зниження сил тертя в умовах граничного тертя та їх стабілізації;

· в’язкісні – для поліпшення в’язкісно–температурних характеристик;

· протизношувальні – для зменшення інтенсивності зношування поверхонь;

· антикорозійні – для зменшення корозійного впливу мастил на метал;

· протизадирні – для пом’якшення та попередження заїдання поверхонь;

· депресорні – для зниження температури застигання;

· протипінні – попередження вспінення мастила;

· протиокислювальні – уповільнення окислення мастила киснем;

· миючі – зменшення осаду вуглеводневих речовин на поверхнях вузлів;

· багатофункціональні – виконують одночасно декілька наведених вище функцій.

Також розрізняють пластичні та тверді СМ.

Пластичні мастильні матеріали є колоїдними системами. Вони легко деформуються під зовнішнім впливом. Пластичні властивості залежать від температури. Пластичні мастильні матеріали являють собою мінеральні масла, згущені милами, тобто солями рослинних, тваринних і синтетичних жирних кислот [37]. Залежно від складу мила пластичні мастильні матеріали розділяються на кальцієві, натрієві, кальцієво-натрієві, алюмінієві, магнієві й ін.

Кальцієві мастильні матеріали у воді не розчиняються; при плавленні втрачають вільну й зв'язану воду, що втримується в них, і починають розпадатися на масло й мило. Кальцієві мастильні матеріали не можуть довго працювати при температурі 55° С и вище без поповнення.

Натрієві пластичні мастильні матеріали більш термостійкі, але не вологостійкі. Вони легко розчиняються у воді, виділяючи вільні жирні кислоти й луги, що викликають корозію металу, і утворюють легко змивну з поверхонь тертя емульсію.

Кальцієво-натрієві мастильні матеріали доцільно застосовувати в умовах підвищеної температури й вологості.

Основними якісними характеристиками пластичних мастильних матеріалів є температура каплепадіния, пенетрація й вміст механічних домішок.

Температура каплепадіння — це температура падіння першої краплі мастильного матеріалу, що нагрівається в капсулі приладу у певних умовах.

Пенетрація виражається в градусах й являє собою глибину занурення стандартного конуса у досліджуваний мастильний матеріал за 5 с. Пенетрація характеризує ступінь пластичності мастильних матеріалів. Чим вище число пенетрації, тим менша пластичність.

Провівши ґрунтовний літературний огляд Ю. Іщук довів, що «блок термінів «тверді мастильні матеріали» розподілено на:

· тверді неорганічні мастильні матеріали; цей термін застосовують до таких матеріалів, як графіт, дисульфід молібдену, диселенід молібдену, слюда, тальк, нітрид буру тощо;

· тверді органічні мастильні матеріали; цей термін застосовують до твердих олив, мил, восків, пігментів, сажі тощо;

· мякі матеріали – олово, свинець, цинк, індій, барій;

· полімерні мастильні матеріали – поліетилен, фторопласт, поліамід тощо;

· хімічні та гальванохімічні покриви – сульфідні, фосфатні, оксидні.» [38].

Тверді мастильні матеріали (ТМН) в ході експлуатації подрібнюються, утворюючи тонку плівку на поверхнях пар тертя. Основною перевагою даного класу мастил є те, що вони знаходяться в агрегатному стані, що робить неможливим їх витікання з вузла тертя. Ця особливість забезпечує можливість мащення негерметичних пар тертя. У порівнянні з мастилами можна виділити наступні переваги:

· зменшення витрат ММ;

· спрощення конструкції вузлів за рахунок відсутності систем та агрегатів, що забезпечують безперервну подачу мастила;

· підвищення надійності і зниження металомісткості механізму;

· зниження експлуатаційних витрат.

До недоліків ТММ можна віднести:

· неспроможність відводу тепла від трибо сполучень;

· велику різницю коефіцієнтів тертя спокою та руху;

· гіршу фізичну і хімічну стабільність.

На рис. 1.3.1 зображено повну класифікацію мастильних матеріалів.

Рис. 1.3.1. Класифікація мастильних матеріалів.

Вплив властивостей мастильного середовища на зносостійкість трибо систем відрізняється своєю складністю та багатогранністю. На перебіг трибологічних процесів у контактній зоні пар тертя впливають структура, склад та якісний стан мастильних матеріалів. Ці показники у значній мірі визначають міцність та товщину граничних мастильних шарів.

У процесі тертя та зношування у трибосистемах відбуваються різноманітні фізико-хімічні процеси. Вони пов’язані зі зміною мастильних матеріалів та поверхонь тертя. Зокрема, проходять механічні та термічні руйнуючі процеси безпосередньо у самому мастильному середовищі, внаслідок чого утворюються продукти старіння та полімеризації, а також, відбувається насичення олив та мастил продуктами зношування.

Для процесів, що супроводжується значним виділенням тепла та високими температурами на фрикційному контакті, наприклад гальмуванні, значний вплив має температура.

Для пар тертя характерними є наступні режими роботи:

· легкий – температура не перевищує 250 ͦ С;

· середній і важкий – температура коливається від 250 до 600 ^ͦ С та 600…1000 ^ͦ С відповідно.

· надважкий – температура досягає 1300 ^ͦ С і більше.

Коли контактне навантаження і температура збільшується відбуваються зміни в субструктурі й фізико-хімічних властивостях ММ, характері процесів адсорбції, зношування тощо.

Залежно від наявності мастильного матеріалу розрізняють наступні режими тертя:

· тертя без мастильного матеріалу;

· тертя з мастильним матеріалом;

· тертя за умови граничного мащення.

Сухе тертя є вкрай небажаним, тому що воно призводить до різкого підвищення зносів тертьових поверхонь, зростання затрачуваної енергії на подолання тертя, а високі температури, що розвиваються при цьому викликають задирки поверхонь, виплавку підшипників і т.д.

Сила за сухого тертя може бути визначена, виходячи з закону Амонтона-Кулона, за формулою:

F = f ⋅ P, (1.3.1)

де f – коефіцієнт тертя, що залежить від матеріалу і якості оброблення поверхонь, рівний 0,1-0,9;

P – навантаження, нормальне до поверхні тертя.

Рідинне тертя на відміну від сухого, під час роботи вузла забезпечує різке зменшення зносу і нагрівання деталей, скоро­чує втрати енергії на тертя, а також підвищує надійність і дов­говічність у роботі машин і механізмів. Рідинне тертя обу­мовлюється насамперед в’язкістю мастильної речовини, що зна­ходиться в зазорі між тертьовими поверхнями.

Проф. Н. П. Петров установив [48], що поводження мастильної речовини в шарі при взаємному переміщенні робочих поверхонь в умовах рідинного тертя підкоряється законам гідродинаміки. Завдяки гідродинамічній теорії мащення можна визначати умови, що забезпечують рідинне тертя, значення сили тертя, кількість теплоти, що відводиться мастилом, і т.д. Рідинне тертя, відповідно до гідродинамічної теорії, можливе за рахунок несної здатності масляного шару, що виникає в результаті гідродинамічного тиску в масляному клиновому зазорі (рис. 1.3.2).

 

а) б)

Рис. 1.3.2. Розподіл тисків усередені масляного шару підшипника

а – у поперечному перерізі, б – у повздовжньому перерізі.

Р- навантаження, Х – епюр тисків усередині масляного шару, U – область розряження

 

Під час обертання вала, масло, що знаходиться в зазорі підшипника, захоплюється ним, і в зазорі, що звужується, виникає тиск, під дією якого вал ніби спливає. Зі збільшенням швидкості обертання вала, клинова дія масляного шару підвищується і вал прагне прийняти центрове положення в підшипнику, а мінімальний шар масла (h_min) зростає і тертьові поверхні цілком розділяються мастильним шаром. Тиск усередині масляного шару залежить від опору витіканню масла, що зв’язано з довжиною шляху його руху підшипником (рис. 1.3.2, б). Зі збільшенням протяжності руху масла підшипником його тиск буде вищим. При однакових товщині масляного шару і відносній швидкості руху тертьових поверхонь, великі тиски, що розвиваються, усередині масляного шару будуть мати місце для масла з біль­шою в’язкістю.

Необхідний мастильний шар, що розділяє тертьові поверхні, буде забезпечуватися в тому випадку, коли тиск, що розвивається маслом в масляному шарі, буде вищий питомого навантаження на підшипниках. Отже, на малих швидкостях обертання вала і за невисоких значень в’язкості масла умови для забезпечення рідинного тертя не створюються.

Для розрахунку мінімальної товщини мастильного шару в підшипнику або в’язкості мастила для забезпечення рідинного тертя проф. Н.П. Петровим запропонована формула [48], за якою значення сили рідинного тертя (F_ж) визначається як

, (1.3.2)

де η – динамічна в’язкість масла, Н·с/м²; S – площа поверхонь тертя, м²; V– відносна швидкість переміщення тертьових повер­хонь, м/с; h – товщина масляного шару, м.

За гідродинамічною теорією під час роботи підшипників в умовах рідинного тертя коефіцієнт рідинного тертя (крива 1, рис. 1.3.3) лінійно залежить від величини η·h / P_m. Безрозмірна величина η·h / P_m є характеристикою режиму рідинного тертя, в яку входять всі основні фактори, що визначають умови роботи підшипників.

Рис. 1.3.3. Залежність коефіцієнту рідинного тертя від режиму роботи підшипника

Граничний мастильний шар – тонка структура, що визначається фізико-механічними властивостями молекул, що його формують та навколишнього середовища на тонкій поверхні. Різні моделі граничних мастильних шарів представлені на Рис. 1.3.4.

Рис. 1.3.4. Моделі граничних мастильних шарів.

а – по У. Б. Харді [49]; б – по Боудену та Тейбору [20]; в – по Адамсону [50].

 

Процес утворення граничного мастильного шару відбувається в два етапи: спершу – адсорбція; потім – молекулярна організація (полімолекулярна фізична адсорбція з елементами впорядкування) (Рис. 1.3.5).

Рис. 1.3.5. Види тертя за наявністю ММ

а – сухе, б – граничне, в – рідинне, г – змішане: 1 – адсорбційні плівки; 2 – олива.

 

Створення мастильних плівок силами адсорбції зумовлено наявністю у ММ поверхнево-активних речовин, які несуть електричний заряд. Молекули мастильного матеріалу орієнтуються перпендикулярно до твердої поверхні, як показано на Рис 1.3.5.

Рис. 1.3.5. Схема утворення граничних плівок

Таким чином, при граничному терті поверхні розділені плівкою мастильного матеріалу, який складається з декількох шарів молекул. При взаємному переміщенні поверхонь тертя „ворсинки” начебто вигинаються у протилежні сторони, так як молекули з однойменними зарядами відштовхуються. Здатність мастильних матеріалів, що містять поверхнево-активні речовини, утворювати на змащених поверхнях достатньо міцні шари орієнтованих молекул, називається маслянистістю або змащувальною здатністю масла. Маслянистість оцінюють, в основному, по коефіцієнту тертя: чим він менше – тим вище маслянистість. Однак, змащувальна здатність стрімко падає з підвищенням температури, коли сили міжмолекулярної взаємодії стають слабшими [51].