Основы упруго-гидродинамической теории смазки

Настоящее жидкостное трение имеет место, когда трущиеся поверхности равномерно обволакиваются слоем масла (смазки).

Рассмотрим работу подшипника скольжения в условиях жидкостного трения (рис.3.6).

В состоянии покоя, когда n=0, вал опирается на подшипник. При возрастании частоты вращения n˃0, вал захватывает смазку и проталкивает её в самую узкую часть клиновой щели. Смазка приподнимает вал и смещает его в сторону движения. Следовательно, при определенной частоте вращения нагруженный вал «всплывает» в подшипнике и рабочие поверхности разделяются слоем смазки.

При дальнейшем увеличении частоты вращения центр вала еще приподнимается, и слой смазки становится толще. Трение становится жидкостным. При n = ∞ центр вала и центр подшипника совпадают.

Наименьшая толщина смазочного слоя в самом узком месте клиновидной щели может быть подсчитана по формуле

, (3.12)

где d – диаметр вала, мм;

η – абсолютная (динамическая) вязкость масла, Па·с;

k – удельная нагрузка на вал, Па;

S = d_п –d_в – зазор подшипника, мм;

d_п – диаметр отверстия подшипника;

d_в – диаметр вала;

n – частота вращения, мин^-1;

l – длина подшипника, мм.

Из анализа формулы видно, что величина слоя смазки увеличивается с увеличением диаметра вала, частоты вращения и вязкости смазки. И слой смазки уменьшается с увеличением удельной нагрузки на вал и зазора в подшипнике.

Чем меньше толщина смазочного слоя , тем вероятнее переход от жидкостного трения к граничному. При граничном трении уменьшения износа можно добиться использованием высококачественных смазочных материалов и улучшением качества отделки трущихся поверхностей.

3.6. Типы смазок и их применение

Современные машины и агрегаты характеризуются конструктивной сложностью и повышенной точностью, работой узлов трения при высоких нагрузках, температурах и скоростях. В этих условиях их надежная работа может быть обеспечена только безотказно работающими смазочными устройствами и применением высококачественных смазочных материалов.

Основным руководящим материалом, обеспечивающим правильность и своевременность смазывания поверхностей трения, являются инструкции по эксплуатации оборудования.

Производство смазок и масел базируется на механизмах перегонки нефти, так как нефть – основной и наиболее часто используемый компонент смазок. Кроме неё для изготовления смазочных материалов могут использоваться синтетические или органические масла растительного происхождения. По показателям вязкости все смазки в соответствии с международной классификацией делят на твёрдые, полутвёрдые (пластичные), полужидкие, жидкие, газообразные.

На выбор смазочного материала влияют рабочие нагрузки, условия окружающей среды, тип механизма, скорость движения детали. Общие требования, предъявляемые к смазкам, сводятся к следующему:

- иметь однородную структуру;

- обладать хорошей смазывающей способностью;

- не застывать при низких температурах;

- не содержать влаги и механических примесей;

- иметь хорошую механическую и химико-физическую стабильность;

- создавать герметичную защиту детали;

- обладать антиокислительными свойствами.

Смазка промышленных станков и механизмов производится согласно картам смазки, в которых обозначаются смазываемые места, временной интервал и наиболее подходящая марка смазки. Подшипники качения могут нагреваться до высоких температур. В таких условиях масло не сможет удерживаться в узлах трения, поэтому не обеспечит необходимой защиты.

Система смазки станка предусматривает применение жидких минеральных масел и пластичных смазок с подходящими показателями вязкости и пенетрации (проникающей способности). Выбор конкретной марки смазки зависит от условий работы станка и скоростей эксплуатации узла. Чем выше скорость относительного скольжения и меньше удельное давление в узле трения, тем более жидким должен быть смазочный материал.

Смазка выполняет ряд важных функций в механизме: уменьшает коэффициент трения, благодаря образованию смазочной плёнки, способствует отводу тепла от детали, уменьшает удельную нагрузку.

Смазка станков должна проводиться с определённой периодичностью, ведь со временем смазка испаряется, стекает, загрязняется и начинает терять свои защитные свойства. Также из-за влияния рабочих вибраций может происходить разрыв масляной плёнки, которая восстанавливается только при повторном нанесении смазки. Квалифицированное обслуживание оборудования позволяет повысить КПД работы станка, увеличивает ресурс его деталей, гарантирует точное функционирование механизма и значительно снижает потери энергии при трении.

Необходимое количество смазочных материалов определяют, руковод- ствуясь данными карты смазки и инструкцией по эксплуатации станка. Каждый механизм за год отрабатывает определённое количество дней и часов и имеет установленную норму часового расхода смазки.

Жидкая смазка применяется при высоких скоростях скольжения. Применение жидкой смазки позволяет создать режим жидкостного трения без соприкосновения металлических поверхностей, а, следовательно, при минимальном износе трущихся поверхностей.

Положительные свойства жидких смазок:

1) низкий коэффициент внутреннего трения (малое сопротивление трению);

2) охлаждающее действие;

3) возможность смены без разборки узла;

4) возможность повторного использования смазки (регенерации);

5) возможность контролирования подачи смазки.

Недостатки жидких смазок:

1) легкое вытекание из корпуса, необходимость применения надежных уплотнительных устройств;

2) чувствительность к повышению температуры (вязкость с увеличением температуры уменьшается).

В табл. 2 приведены некоторые марки индустриальных масел и области их применения. Цифры в обозначении масел указывают, как правило, кинематическую вязкость.

Для обслуживания узлов, находящихся в тяжелых условиях работы и испытывающих критические нагрузки, применяются специальные смазочные материалы – пластичные (консистентные) смазки. Их главная особенность – способность менять агрегатное состояние и совмещать признаки твёрдого и жидкого тела в зависимости от окружающих условий и эксплуатационных нагрузок. Пластичные смазки состоят из базового масла, загущенного мылами, а также присадок и разнообразных добавок, которые улучшают рабочие характеристики продукта, позволяя увеличить срок службы смазки и КПД агрегатных узлов.

Таблица 3.1

Область применения жидких масел

Окончание таблицы 3.1

Пластичная смазка имеет стойкий коллоидный каркас, благодаря которому при нормальных температурах вещество остаётся полутвёрдым, а при более интенсивных нагрузках приобретает свойства жидких масел, сохраняя все защитные и антифрикционные свойства. Во многих случаях пластичная смазка наносится на весь срок службы детали и требует замены только при ремонте.

Для пластичных смазок основной характеристикой является температура каплепадения, при которой происходит падение первой капли смазки. Пластичные смазки условно можно разделить на две большие группы:

- смазки общего назначения, применяемые в широком спектре узлов промышленных агрегатов, транспорта и строительной техники;

- специальные смазки, предназначенные для применения в конкретных областях и рассчитанные на специфичные условия работы.

К смазкам общего назначения относят смазочные материалы, пригодные для применения в различных узлах трения, начиная от ступичных подшипников и заканчивая шарнирами равных угловых скоростей. Они водостойки, способны работать в широком диапазоне скоростей, имеют стабильные защитные свойства. Смазки общего назначения обычно используются для обслуживания узлов трения в станках на промышленных предприятиях, сельскохозяйственной техники, механического или ручного рабочего инструмента. Однако они не заменяют морозостойкие и другие виды отраслевых смазок. Наиболее известные продукты – Графитная смазка, Солидол, Консталин, Циатим, Литол-24.

Солидолы – кальциевые смазки, содержат свободную и связанную воду, в воде не растворяются. Применяются в условиях влажной среды при температуре t не выше 55 °С (без пополнения). При плавлении солидолы теряют воду и распадаются на масло и мыло, после охлаждения свойства не восстанавливаются. Работоспособны при частоте не более 1500 мин^-1.

Консталины - натриевые смазки, после расплавления могут застывать и вновь использоваться. Легко растворяются в воде, выделяют кислоты и щелочи, вызывающие коррозию металла. Целесообразно применять при высокой температуре и небольшой влажности.

Наиболее широко в настоящее время применяется универсальная литиевая смазка Литол-24. Это многоцелевая консистентная смазка с хорошими защитными свойствамия для узлов трения «металл - металл».

Многоцелевые смазки используются для обработки всех главных узлов механизмов. Они водостойки, обеспечивают хорошее антифрикционное и противозадирное покрытие, эффективно выполняют свои задачи при различном температурном режиме и степени нагрузки деталей. Отличительная особенность Литола-24 – характер дисперсной фазы и наличие антиокислительных и вязкостных присадок. Эта температурная смазка изготавливается путём загущения нефтяных масел литиевым мылом 12 – оксистеариновой кислотой. Таким образом, Литол-24 является видом мыльной смазки с использованием катионов лития. Литиевые смазки совмещают достоинства натриевых и кальциевых смазок: обладают достаточно высокой температурой каплепадения для работы в напряжённых условиях и характеризуются сильными водоотталкивающими свойствами.

Основные эксплуатационные характеристики Литола-24:

- внешний вид − однородное мазеобразное вещество от светло-жёлтого до коричневого цвета;

- температура каплепадения − не ниже 185 °С;

- пенетрация при 25 °С − 220-250 мм^-1;

- испаряемость при 120 °С − не более 6 %;

- вязкость при 0 °С и 10 с^-1, (Па•с) − не более 280;

- предел прочности при +20 °С, (Па) − 500-1000;

- индекс задира − 28.

Литол-24 используется при обслуживании подшипников скольжения и качения всех типов, шарниров, зубчатых передач, поверхностей трения гусеничных и колёсных транспортных средств и других индустриальных механизмов. Кроме того, Литол-24 может использоваться как смазка общего назначения, так как обладает отличной водостойкостью, высокой прочностью и низким показателем испаряемости масла-основы.

Несмотря на положительные характеристики, смазка Литол-24 во многом уступает новейшим продуктам, которые изготовлены на основе Литола-24 с добавлением различных присадок.

К специальным смазкам относятся:

- смазки для электрических машин – используются для смазывания подшипников качения электродвигателей, судовых электрических машин. Должны обладать хорошими противоизносными и противозадирными свойствами, быть стойкими к окислительным процессам. Представители по ГОСТу: ВНИИНП-242, ЛДС-1, ЛДС-3, СВЭМ;

- автомобильные – обслуживают узлы трения автотранспорта. Легко удерживаются в узлах, где жидкое масло вытекает, и обеспечивают герметичность. Представители по ГОСТу: Литин-2, ШРУС-4, ДТ-1, ШРБ-4;

- термостойкие смазки–могут работать при температурах до 150 - 200°С, а некоторые и выше. Используются, например, в узлах нанесения клея-расплава кромкооблицовочных машин. Это дорогие смазки и использовать их в нормальных условиях работы не рационально.

Основные разновидности термостойкой смазки:

- комплексные кальциевые – смазки на основе загустителя из комплексных кальциевых мыл высших жирных кислот. Широко распространены благодаря своей невысокой цене и доступности. К этим смазкам относятся ЦИАТИМ-221С, Униол-1, ВНИИНП-207, ВНИИНП-214, ВНИИНП-219, причём последние в качестве добавки содержат долю дисульфида молибдена, который повышает антифрикционные свойства смазки и увеличивает способность смазочного материала к адгезии;

- натриевые – в настоящее время практически не используются в связи с увеличением средних рабочих температур и появлением новых современных продуктов, способных стабильно выдерживать экстремальные нагрузки;

- силикагелевые – применяются в индустриальных механизмах различных типов. Изготавливаются на нефтяном масле, поэтому несколько ниже в цене, чем аналогичные продукты с синтетическим сырьём;

- полимерные – термостойкие смазки, в качестве загустителя использующие полиуретаны или фторопласт. Характеризуются высокими антифрикционными свойствами. Главные представители: ВНИИНП-233, ВНИИНП-269;

- пигментные – слабоструктурированные смазки на основе пигментных загустителей, чаще всего применяемые в скоростных подшипниках электромашин. Наиболее широко применяются термостойкие смазки ВНИИНП-235 и ВНИИНП-234;

- графитные – характеризуются высокими механическими и противозадирными свойствами, низкой испаряемостью. Стабильно работают при температуре +250…300 °С. Применяются в тихоходных узлах трения.