Смазочные масла, их физико-механические свойства и методики оценки характеристик

По своей природе масла (жидкие смазки) делятся на нефтяные (минеральные), синтетические, растительные и смешанные.

Минеральные масла состоят из продуктов перегонки нефти, полученных методами дистилляции из соответствующих фракций нефти либо остаточных после отгонки легких и маловязких фракций. Синтетические масла получают методами химического синтеза на основе силоксанов, эфиров фосфоновых кислот, фтор-, спирто-, глицериновых смесей и т.д. Такие масла обладают специфическими свойствами, например, огнестойкостью, сохранением текучести при низких температурах, слабой испаряемостью, неагрессивностью и др.

По своему назначению масла можно разделить на 4 группы:

моторные - для двигателей внутреннего сгорания и газотурбинных двигателей;

трансмиссионные - для смазывания зубчатых, цепных и других видов передач;

индустриальные - для смазывания узлов трения промышленного оборудования: станков, прессов, прокатных станов и т.д.;

масла специального назначения: промывочные, компрессорные, холодильные, турбинные, веретенные, трансформаторные, консервационные и т.д. Отдельно имеются группы гидравлических и смазочно-охлаждающих жидкостей.

Поскольку масла должны обеспечивать гидродинамический режим трения, то их важнейшим показателем является вязкость. В связи с тем, что во время запуска и остановки узла трения, а также в зоне верхней и нижней мертвых точек поршня двигателей внутреннего сгорания имеет место граничное трение, то ответственной характеристикой является их задиростойкость, т.е. смазка должна предотвратить схватывание - самый опасный из видов износа.

В технике масла считаются ньютоновскими жидкостями, и поэтому сила трения в смазочном слое имеет вид

, (5.5)

где h - динамическая вязкость масла, V - скорость скольжения, Z - толщина смазочного слоя, S - площадь, на которой происходит сдвиг слоев смазки.

Для определения динамической вязкости используют ротационные вискозиметры. Вискозиметр состоит из двух коаксиальных цилиндров: внутреннего 1 и внешнего 2 (рис. 5.17), установленных в подшипниках корпуса прибора. Внутренний цилиндр приводится в равномерное вращение с угловой скоростью w. Пространство между цилиндрами заполнено жидкой смазкой 3.

Внутренний цилиндр увлекает за собой примыкающий к нему слой смазки, и за счет внутреннего трения в этом слое вращение передается на наружный цилиндр, который удерживается от вращения пружинным динамометром 4, измеряющим момент трения.

Расчет вязкости по показаниям прибора рассчитывают в следующем порядке.

Поскольку D-d « D, S»pDL, полагая, что скорость слоев жидкости линейно падает при переходе от внутреннего цилиндра ко внешнему,

(5.6)

а .

Здесь n - частота вращения внутреннего цилиндра; L - длина рабочей части цилиндров. В паспорте смазочных масел обычно указывается кинематическая вязкость, равная отношению динамической вязкости к плотности смазки:

. (5.7)

Размерность кинематической вязкости в системе СИ - м²/с, однако пользуются меньшей единицей - мм²/с. Величина кинематической вязкости входит обычно в обозначение масла в Стоксах (1 Стокс = 10^-4 м²/с). В производственных условиях используют более простые вискозиметры - капиллярные (рис. 5.18). Капилляр 1 длиной l, диаметром d является продолжением сосуда 2, в котором помещается изучаемая смазка 3. Используется формула Пуазейля, выражающая разность давления на границах капилляра:

. (5.8)

Р и с. 5.17. Схема ротационного вискозиметра		Р и с. 5.18. Схема капиллярного вискозиметра

Расчетная формула для определения кинематической вязкости имеет следующий вид:

. (5.9)

Здесь Dp = rgH; t – время, за которое через капилляр вытекает заданный объем жидкости V; С - константа прибора. Таким образом, определение кинематической вязкости сводится к определению времени, за которое вытекает определенный объем масла при заданном перепаде давления.

Вязкость масла сильно зависит от температуры, поэтому по международным и отечественным стандартам вязкость определяют при строго заданной температуре: 50 ºС и 100 ºС. Для оценки служебных свойств масла с учетом влияния температуры на вязкость используется индекс вязкости И:

, (5.10)

где n₀ - кинематическая вязкость худшего нефтяного масла при 40 ºС, у которого вязкость сильно падает с ростом температуры; n_m - вязкость при 40 ºС лучшего рафинированного масла, у которого вязкость слабо зависит от температуры, n - вязкость испытуемого масла при той же температуре. Если n = n_m, то И = 100. Следовательно, все смазки имеют индекс вязкости в интервале от 0 до 100. Как видно из формулы (5.10), индекс вязкости И служит для оценки служебных свойств смазки по ее термостабильности.

На рис. 5.19 показан вид кривых зависимости вязкости от температуры для двух смазок с разным индексом вязкости.

Чем выше индекс, тем меньше меняется вязкость с ростом температуры, тем лучше смазка.

Температурная зависимость вязкости описывается формулой Вальтера:

. (5.11)

Обрабатывая опытные данные в соответствии с этой формулой, легко определить коэффициенты А, В.

Важнейшим показателем является смазывающая способность, т.е. способность создавать на поверхности детали тонкую защитную пленку, препятствующую непосредственному контакту, а следовательно, адгезии, задиру и заеданию при металлическом контакте.

Смазывающую способность в основном обеспечивают противозадирные, противоизносные и антифрикционные присадки. Если смазывающая способность исчерпывается, то резко возрастают трение, износ, разрушение рабочих поверхностей вследствие схватывания и заедания.

Стандартные испытания противозадирных свойств масел производят на четырехшариковых машинах (ЧШМ). На рис. 5.20 представлена схема рабочего узла ЧШМ. Ко дну кюветы 1 прикреплены три равнорасположенных по окружности шарика 2. Сверху на них опирается прикрепленный к пуансону 4 шарик 3, который прижат к шарикам 2 с заданным усилием. Кювета 6 заполняется испытуемым маслом. Шарик 3 через оправку 4 приводится во вращение и скользит по закреп-

Р и с. 5.19. Влияние температуры на вязкость		Р и с. 5.20. Схема рабочего узла 4-х шариковой испытательной машины

ленным шарикам. Кювета 6 расположена на подшипниковой опоре 7, но удерживается от поворота тягой 8, соединенной с динамометром 9.

Динамометр регистрирует момент трения, величина которого записывается на ленте самописца. В тот момент, когда исчерпывается смазывающая способность масла, происходит схватывание верхнего шарика с нижними, момент трения резко увеличивается, что видно по записываемой кривой, а испытание прекращается. Время испытания используется как мера оценки противоизносной способности масла. Одновременно измеряется диаметр пятна износа, образовавшегося на каждом из 3 закрепленных шаров. На некоторые масла диаметр пятна износа указывается в ГОСТ или паспортных данных. Таким же образом определяется эффективность противоизносных присадок.