Влияние смазочных материалов на долговечность элементов машин

                                                      Введение

 

        Проблема износостойкости деталей  машин — это проблема их  долговечности и надежности. Учет  физико-химических процессов, протекающих  в поверхностных слоях трущихся  тел, приводит к пересмотру  традиционных представлений о  методах борьбы с износом.

        Ранее для борьбы с изнашиванием стремились повысить твердость трущихся поверхностей. Этот способ частично обеспечивал выполнение поставленной задачи, однако он не смог удовлетворять всем требованиям. Концепция о защитной роли окисной пленки, возникающей на поверхности трения и выполняющей роль брони, которая защищает нижележащий металл от изнашивания, также оказалась не универсальной.

      Усилия защитить поверхностный слой от изнашивания разделением трущихся поверхностей слоем смазочного материала, посредством пленок химических соединений (окислов) и увеличением твердости или прочности самого материала оказались недостаточно эффективными

      Повышение надежности механических систем решается путем выбора износостойких материалов пары трения и подбора к ним смазочных материалов. Если вопросы применения износостойких материалов с целью повышения надежности узлов трения изучались более интенсивно и в этой области достигнуты определенные успехи при проектировании механических систем, то выбор смазочного материала для различных машин и механизмов, работающих в большом интервале нагрузок, скоростей и температур относится к наиболее сложным задачам. Это вызвано тем, что в одном механизме применяется один смазочный материал, а узлы трения выполнены из материалов с широким диапазоном механических свойств. Кроме того, на рынке существует большое количество масел, применение которых для тех или иных механизмов практически необоснованно.    

    В любой машине для смазки трущихся пар используют различного типа смазочные материалы. В настоящее время они стали одним из важнейших факторов, от которого в значительной мере зависит надежность работы техники. По существу, смазочные масла и смазки — такие же ответственные материалы, как и металлы, из которых выполнены машины.

 

 

 

 

 

 

 

1.Виды  смазки; классификация смазочных материалов.

 

   Тип смазочного материала, его эксплуатационные свойства и режим работы сопряжения определяют условия взаимодействия рабочих поверхностей при трении. Поэтому при анализе условий работы сопряжения различают смазки по физическому состоянию смазочного материала (газовая, жидкостная, твердая); по типу разделения поверхностей трения смазочным слоем (гидродинамическая, гидростатическая, газодинамическая, газостатическая, эластогидродинамическая, жидкостная, граничная, полужидкостная).

Газовой называют смазку, при которой разделение поверхностей трения деталей осуществляется газовым смазочным материалом.

Жидкостная смазка — смазка, при которой полное разделение поверхностей трения деталей осуществляется жидким смазочным материалом.

Твердой называют смазку, при которой полное разделение поверхностей трения деталей, находящихся в относительном движении, осуществляется твердым смазочным материалом.

Гидродинамическая (газодинамическая) смазка — это жидкостная (газовая) смазка, при которой полное разделение поверхностей трения осуществляется в результате давления, самовозникающего в слое жидкости (газа) при относительном движении поверхностей.

Гидростатической (газостатической) называют жидкостную (газовую) смазку, при которой полное разделение поверхностей трения деталей, находящихся в относительном движении или покое, осуществляется в результате поступления жидкости (газа) в зазор между поверхностями трения под внешним давлением. Для этой смазки необходимы относительно сложные, дорогостоящие системы подачи смазочного материала.

Эластогидродинамическая смазка — это смазка, при которой характеристики трения и толщина пленки жидкого смазочного материала между двумя поверхностями, находящимися в относительном движении, обусловлены упругими свойствами материалов тел, а также реологическими свойствами смазочного материала. Реологические свойства определяют характер течения и деформации смазочного материала, обладающего структурной вязкостью, и, таким образом, характеризуют процесс формирования смазочной пленки в зазоре.

Граничной называют смазку, при которой трение и износ между поверхностями, находящимися в относительном движении, обусловлены свойствами поверхностей и свойствами смазочного материала, отличными от объемной вязкости.

Полужидкостной (смешанной) называют смазку, при которой частично осуществляется жидкостная смазка. Таким образом, смешанная смазка занимает промежуточное положение между жидкостной и граничной смазкой.

В реальных сопряжениях при изменении  режима работы (температуры, скорости или давления) происходит плавный переход от одного вида смазки к другому.

Основным свойством смазочного материала, обеспечивающим снижение сил  трения, является вязкость.

 Вязкостью называется объемное свойство газообразного, жидкого, полужидкого или полутвердого вещества оказывать сопротивление относительному перемещению слоев. Это свойство проявляется в стремлении жидкости препятствовать изменению формы и характеризует внутреннее трение смазочного материала.

Характер трения поверхностей деталей  сопряжений и вид смазки определяются не только количеством смазочного материала  и его вязкостью, но и режимом  работы узла трения. В зависимости  от скорости относительного перемещения  рабочих поверхностей, нагрузки и  соотношения этих величин в сопряжении может наблюдаться граничная, полужидкостная или жидкостная смазка. Количественно режим работы сопряжения характеризует соотношение r\v/N, где N — нормальная нагрузка.

Графической характеристикой трения рабочих поверхностей деталей в  присутствии смазочного материала  является диаграмма Герси — Штрибека, (рис. 1).

При сравнительно легких нагрузочном  и скоростном режимах работы сопряжения на поверхностях трения деталей вследствие молекулярной адсорбции образуются и прочно удерживаются тончайшие слои смазочного материала. Толщина слоя в зоне трения настолько мала, что объемные реологические свойства масла как жидкости практически не проявляются. Таким образом, создаются условия, характерные для граничной смазки (см. рис. 1, зона I ). Коэффициент трения в условиях граничной смазки для металлических поверхностей приблизительно равен 0,1. Относительно высокий коэффициент трения объясняется наличием механического взаимодействия поверхностей. В таком режиме трения обычно работают опоры скольжения и некоторые элементы зубчатых передач.

При увеличении толщины слоя смазочного материала, разделяющего поверхности трения, уменьшается механическое взаимодействие выступов неровностей. При этом снижается также молекулярная составляющая силы трения. В результате наблюдается значительное уменьшение коэффициента трения и создаются условия взаимодействия поверхностей, характерные для полужидкостной смазки. На диаграмме Герси—Штрибека (см. рис. 1) эта область соответствует минимуму кривой (зона II). Смешанная смазка характерна для большинства зубчатых передач и подшипников качения.

В зоне III твердые поверхности полностью разделены слоем смазочного материала, толщина которого значительно превышает

 

Рис. 1. Зависимость коэффициента трения /от режима работы сопряжения и свойств смазочного материала

 

высоту неровностей профиля. В  этих условиях характер взаимодействия элементов сопряжения определяется объемными свойствами масла. Сопротивление относительному перемещению деталей сопряжения обусловлено внутренним трением смазочного материала. Коэффициент трения равен 0,01 ...0,05. Такие условия взаимодействия поверхностей характерны для жидкостной смазки и чаще встречаются в подшипниках скольжения, сопряжениях вал— втулка.

Жидкостная смазка обеспечивает устойчивый режим работы сопряжения. Увеличение коэффициента трения приводит к повышению температуры масла. Это вызывает снижение вязкости и, следовательно.

   Для повышения работоспособности сопряжения необходимо стремиться к формированию условий жидкостной смазки и ее разновидностей (гидродинамической и эластогидродинамической смазки), что позволит значительно сократить энергетические затраты на преодоление сил трения и обеспечит наиболее стабильные условия взаимодействия деталей.

          Смазочные материалы и рабочие жидкости, применяемые в автомобилях, тракторах, дорожных и строительных машинах, выполняют следующие функции:

• устранение механического взаимодействия поверхностей трения деталей;
• предотвращение атомно-молекулярного взаимодействия материалов поверхностей трения;
• формирование на рабочих поверхностях деталей слоев оксидов, обладающих повышенной износостойкостью;
•     снижение сил трения;
• равномерное распределение давления по рабочим поверхностям деталей;
•     отвод теплоты из зоны трения;
• защита деталей от коррозионного воздействия окружающей среды;
• отвод продуктов изнашивания и частиц механических примесей из зоны трения;
• передача энергии, усилий и крутящих моментов от ведущих элементов к ведомым;
• снижение интенсивности изнашивания рабочих поверхностей деталей.

       В процессе работы смазочные материалы и рабочие жидкости накапливают информацию о техническом состоянии сборочных единиц, в которых они применяются. Это свойство обеспечивает возможность их использования при диагностировании машин.

Кроме того, способность масел оказывать  воздействие на форму и параметры рабочих поверхностей деталей позволяет их применять в качестве ремонтных средств при восстановлении работоспособности машин.

       Таким образом, качество смазочных материалов и рабочих жидкостей определяет техническое состояние и уровень работоспособности машин.

Для масел характерна повышенная чувствительность к изменению параметров окружающей среды (температуры, влажности и наличию абразивных частиц) и невысокий ресурс. В связи с этим для обеспечения работоспособности машин в эксплуатации необходимо контролировать состояние масел, своевременно восстанавливать их работоспособность, использовать свойства масел для восстановления формы и параметров изношенных рабочих поверхностей деталей машин.

   От правильного выбора смазочного материала во многом зависит работоспособность машины, поэтому при решении задачи обеспечения надежности машин на стадиях проектирования и эксплуатации смазочные материалы необходимо рассматривать как самостоятельные конструктивные элементы.

В зависимости от физического состояния  различают газообразные, жидкие, пластичные и твердые смазочные материалы. Жидкие смазочные материалы (масла) при положительных температурах находятся в жидком состоянии.

Масла классифицируют по назначению и области применения:

• моторные, применяемые в двигателях внутреннего сгорания автомобилей и дорожных машин;
• автотракторные трансмиссионные, применяемые для смазывания элементов трансмиссий;
• индустриальные общего назначения, применяемые для смазывания элементов станков, промышленного оборудования;
• гидравлические, применяемые в качестве рабочих жидкостей систем объемного гидропривода.

Пластичный смазочный материал представляет собой полутвердый или твердый продукт, состоящий из смеси минерального или синтетического масла, стабилизированного мылами или другими загустителями с возможным содержанием других компонентов. Загуститель образует структурный каркас и придает смазочному материалу свойства твердого тела с невысоким пределом прочности (до 5 кПа). При повышении температуры до 200...300 °С пластичные смазочные материалы переходят в жидкое состояние.

  По назначению пластичные смазочные материалы делят на:          

*    антифрикционные, снижающие трение и износ;

* консервационные (защитные), предохраняющие металлические поверхности от коррозии;

*    уплотнительные, служащие для герметизации зазоров в сопряжениях.

По происхождению жидкие и пластичные смазочные материалы подразделяют на минеральные, растительные, животные и синтетические.

Минеральными называют смазочные  материалы минерального происхождения, полученные смешением углеводородов  в естественном состоянии или в результате обработки минеральных продуктов. Основными видами сырья для получения минеральных смазочных материалов являются нефть, каменный уголь, торф и сланцы.

Растительные и животные масла  получают при переработке продуктов  соответственно растительного и  животного происхождения.

Синтетические смазочные материалы  являются продуктами синтеза органических или элементоорганических соединений.

Для дорожных и строительных машин  обычно применяют жидкие и пластичные смазочные материалы нефтяного происхождения. В последнее время с развитием химической промышленности все шире используют синтетические смазочные материалы. Перспективны также твердые смазочные материалы, которые все шире используют в конструктивных элементах автомобилей, дорожных, строительных и сельскохозяйственных машин.

2.Эксплуатационные свойства  смазочных материалов

  Способность смазочного материала выполнять заданные функции в различных условиях эксплуатации машины характеризуется совокупностью эксплуатационных свойств. Эксплуатационные свойства масел оценивают с помощью соответствующих показателей.