Зміна властивостей змащувального матеріалу у експлуатації

Змащувальний матеріал при роботі старіє, тобто його первинні властивості змінюються в результаті фізичних і хімічних процесів, яким він піддається. При експлуатації відбувається випаровування переважно легких фракцій масла; воно засмічується продуктами окислення, полімеризації, конденсації і розпаду самого масла, забруднюється продуктами зносу змащувальних поверхонь і пилом (мінеральним, металевим або органічним); у двигунах внутрішнього згорання масло, крім того, забруднюється продуктами неповного згорання палива і рідким паливом. У насосах і інших машинах не виключається деяке забруднення масла іншими рідинами.

Фізико-хімічні зміни масел зв'язані, перш за все, з їх окисленням, під яким розуміють сукупність хімічних перетворень в маслі у присутності кисню. Окислення масла відбувається в товстому шарі (у масляних цистернах, баках, маслопроводах, картерах), в тонкому шарі (на змащувальних поверхнях) і в туманоподібному вигляді.

При звичайних температурах і атмосферному тиску мінеральні масла в об'ємі (у товстому шарі) майже не окислюються, при підвищенні температури окислення прискорюється. Зміна фізико-хімічних властивостей масел при температурі 100 °С обчислюється цілодобово, а при 250 °С – хвилинами. Швидкість окислення значно змінюється у присутності металів, особливо їх оксидів і металевих мил. Свинець є найбільш сильним каталізатором окислення; за ним слідує мідь і залізо. Алюміній майже не робить впливу на процес окислення. Каталітична дія інших металів слабка, вони можуть навіть гальмувати окислення. Наявність води в маслі робить окислення інтенсивнішим.

Основне окислення масла відбувається в тонкому змащувальному шарі, де масло піддається високому тиску і найбільшому нагріву і де сильніше позначається каталітична дія деяких металів, а також у контакті із стінками маслопроводів. Інтенсивне окислення відбувається при великій поверхні зіткнення масла з повітрям, при струменевому змазуванні або змазуванні зануренням. Спінювання масла сприяє його окисленню; насичення повітрям, підвищення температури масла, обводнення у присутності сталі, бронзи, латуні, бабітів і продуктів їх зносу стимулюють окислення і в об'ємі.

Продуктами окислення масел є спирти, альдегіди, кетони, кислоти, складні ефіри, смоли, асфальтени, карбени і карбоїди.

В результаті окислення масла змінюється його хімічний склад; збільшується вміст в ньому початкових смолянистих речовин і утворюються нові; підвищуються щільність і температура спалаху; масло набуває темнішого кольору; збільшується в'язкість, яка може набагато перевищити початкову у зв'язку з утворенням або збільшенням вмісту в маслі асфальтосмолянистих речовин. Підвищення в'язкості підсилює гідродинамічну дію масла і підвищує навантажну здатність змащувального шару. Проте при цьому зростають втрати на переміщення мастилу по маслопроводах, а при змазуванні зануренням – на розмішування. Із-за збільшення внутрішнього тертя масла може підвищитися його середня температура, що підсилить окислення.

У двигунах внутрішнього згорання старіння масла відбувається інтенсивніше, ніж в інших машинах. Масло не тільки окислюється і обводнюється, але і забруднюється паливом і продуктами його окислення і розпаду. Тому щільність і в'язкість масла в системі можуть збільшуватися, зменшуватися або залишатися без зміни залежно від ступеня окислення масла і ступеня його розрідження фракціями палива. Крім того, в результаті окислення масла в ньому утворюються нафтенові кислоти, хімічний склад яких може бути вельми різним. Їх утворення супроводжується збільшенням кислотного числа, оскільки продукти окислення надають каталітичну дію. Сезонні зміни температури можуть помітно впливати на інтенсивність окислення масел в системах машин з високим тепловим навантаженням.

Кислоти, що утворюються, і смоли, будучи полярними з'єднаннями, покращують змащувальну здатність масел у області тертя при граничному мастилі. Смолянисті і вуглисті речовини, як продукти полімеризації масел при їх окисленні, виділяються в роздробленому (дисперсному) стані. У роздробленому стані потрапляють в масло і продукти зносу, а також сторонні механічні частинки. У зваженому стані знаходиться в маслі вода. Тому працююче масло представляє собою ряд систем з різним ступенем дисперсності. Смоли діспергуються до молекул, вуглисті частинки дають грубіші дисперсні системи.

Частина смолянистих речовин розчиняється в маслі, утворюючи дійсні розчини; решта частини і вуглистих речовин входить в колоїдний розчин або утворює суспензію. Смоли, що не розчиняються в маслах, асфальтени, карбени і карбоїди, до яких приєднуються оксикислоти, можуть випадати з масла у вигляді осаду; для цього потрібна деяка концентрація цих речовин. Смолянисті речовини можуть відкладатися і на поверхнях тертя.

Вода в маслі або паливі – одна з основних причин водневого зношування деталей. Вода в маслі циркуляційної системи транспортних двигунів може стати причиною серйозних несправностей в зимовий час. Масляні фільтри можуть виявитися закупореними льодом, а масляний насос може припинити подачу масла унаслідок обмерзання сітчастих фільтрів. Це відноситься в першу чергу до автомобільних двигунів, де масло, що знаходиться в нижньому картері, піддається інтенсивному охолоджуванню при русі автомобіля. Цим пояснюються нерідко спостережувані випадки виплавляння в холодну погоду підшипників колінчастих валів цих двигунів.

На деталях і в змащувальній системі механізмів в результаті старіння масла утворюються відкладення. У двигунах внутрішнього згорання з'являються, крім того, відкладення з продуктів розкладання і неповного окислення палива. Ці відкладення не є повністю вуглецевими, хоч і одержали таке найменування. Вуглецеві відкладення в двигунах розділяються на три види: нагар, лак і осади (шлам). Для нагару характерний чорний колір, але він може бути білого, оранжевого, коричневого і інших кольорів, маючи різну структуру – щільну, рихлу або пластинчасту. Нагароутворення, окрім двигунів, можливо і в інших машинах.

Якщо лакові відкладення на поршні можуть привести до його перегріву унаслідок погіршення умов тепловідводу і до заклинювання поршневих кілець в канавках поршня, то відкладення на робочій поверхні підшипників можна розглядати як позитивний чинник зниження швидкості зношування і підвищення протівозадірної стійкості зв'язаної пари.

Шлам – це тістоподібна або напівтверда речовина від світло-коричневого до чорного кольору, що складається з рідини і нерозчинних в ній речовин, яка загущує її в емульсію або суспензію. У змащувальній системі шлам складається з масла, нерозчинних в ньому смолянистих речовин і інших продуктів окислення, води і твердих частинок в маслі. Шлам в картерах автомобільних двигунів складається на 50...70 % з масла, на 5...15 % з води, а інше – паливо, продукти окислення масла і тверді частинки. До складу осаду змащувальних систем парових турбін входять масло, нерозчинні продукти окислення, вода, кремній, оксиди заліза, міді і цинку, сульфати і хлориди. Шлам може зустрічатися у вигляді окремих згустків, плаваючих в маслі, або, у виняткових випадках, у вигляді великих грудок.

Шламоутворення, пов'язане з інтенсивним старінням масла, істотно залежить від температури останнього. Обводнення масла, засмічення його механічними частинками, особливо найдрібнішими, емульгаторами, часткове або повне засмічення сапуна в двигунах внутрішнього згорання сприяють утворенню шламу. Шлам, що накопичився, забиває фільтри, маслоохолоджувачі і порожнини центрифуг, зменшує пропускну спроможність масляних каналів. Забивання шламом приймача масляних насосів може повністю порушити роботу змащувальної системи. При відцентровому очищенні масла в порожнинах шатунних шийок колінчастих валів шлам, що відокремився, звільняється від рідкої фази і спресовується. Ці відкладення можуть обмежити ресурс двигуна.

Відкладення смолянистих речовин з робочої рідини гідравлічних систем на деталях прецизійних золотникових пар можуть привести до тимчасового зависання золотників або до повного заклинювання пари.

Піноутворення. Піна представляє собою з'єднання мікроскопічних бульбашок газу або пару, відокремлених один від одного плівкою рідини завтовшки близько 10^-5 см. Піна утворюється при збовтуванні масла і виділенні з його товщі повітря, парів і газів, що знаходяться в розчиненому або зваженому стані. Піноутворення може відбутися при змазуванні деталей зануренням і при стіканні масла в маслозбірникі. Інша можливість піноутворення обумовлена виділенням газів і парів з масла.

Виділення повітря з масла унаслідок пониження тиску може відбутися у всмоктуючій порожнині насоса і на ділянках маслопроводу, де підвищується швидкість масла або змінюється напрям його руху. Повітря, що поступило разом з маслом або виділилося тут, розширюється, заповнює деякий об'єм, потім насос стискає масляно-повітряну суміш.

З наявністю нерозчинного в маслі повітря і з піноутворенням пов'язані негативні явища:

– зменшується подача масляних насосів;

– з'являється пульсація тиску в системі, що виключає можливість подачі масла рівномірним струменем до змащувальних поверхонь;

– погіршується мастило унаслідок розриву масляної плівки на змащувальних поверхнях бульбашками повітря, що може привести до небезпечного місцевого перегріву;

– бульбашками повітря масло несеться через зазори, сапуни картерів або маслобаків і через стики, що приводить до втрати масла;

– спотворюються свідчення рівня масла в картері, що може викликати експлуатацію машини або механізму при недостатньому змазуванні;

– прискорюється окислення масла.

Для зменшення піноутворення застосовують протипінні присадки до масла.