Смазочные материалы

Трение

В машинах часто встречаются подвижные сопряжения дета­лей (узлы трения), например опоры валов, пары винт—гайка и т. п. Узлы трения во многом определяют надежность и ре­сурс машин. Известно, что большинство узлов трения выходят из строя из-за изнашивания трущихся поверхностей. В связи с изнашиванием затраты на техническое обслуживание и ре­монт в 3...10 раз превышают первоначальную стоимость ма­шины. В некоторых машинах имеют место существенные по­тери энергии на преодоление трения (в автомобилях -50%, в текстильных машинах -80%).

Знание основ триботехники помогает оптимально констру­ировать машины. Одним из радикальных средств обеспечения надежности узлов трения является научно обоснованный вы­бор смазочного материала, зависящий от условий эксплуата­ции, вида ожидаемого режима смазки и состояния трущихся поверхностей.

Известно, что реальный контакт плоских по­верхностей деталей носит дискретный (в виде пятен) характер, обусловленный неровностями поверхностей, состоящими из отклонения формы 1, волнистости 2 и шероховатости 3 (рис. 1). Поэтому реальная площадь плоского контакта в 10... 10 000 раз меньше номинальной (ограниченной контуром площади контакта).

2 1 Реальная поверхность

Идеальная поверхность

Рис. 1. Схема неровностей поверхности: 1 — отклонение формы; 2 — волнистость;
3 — шероховатость

Внешнее трение скольжения наиболее часто имеет место в подвижном контакте деталей. Полная сила трения скла­дывается из силы молекулярного притяжения на пятнах каса­ния (F _мол)и силы сопротивления перемещению от внедрения микронеровностей одной трущейся поверхности в другую (F _мех). Для металлических поверхностей F _мол/ F _мех» 100. F _мол сильно снижается после введения смазочного материала меж­ду трущимися поверхностями.

В зависимости от режима смазывания различают виды трения:

трение без смазочного материала (рис. 2, а, б) редко встречается в машинах, лишь при работе в условиях вакуума, весьма низких или высоких температурах;

трение со смазочным материалом: граничное (рис. 2, в), полужидкостное (рис. 2, г), жидкостное (рис. 2, д).

Рис. 2. Виды трения в зоне контакта:
без смазочного материала (а — ювенильное трение, б — сухое трение); трение со смазочным мате­риалом
(в — граничное, г — полужидкостное, д — жидкостное)

Трение со смазочным материалом характеризуется относи­тельной толщиной l смазывающего слоя между контактирующими поверхностями, находящимися в относительном движе­нии:

(1)

где h — толщина смазывающего слоя (см. рис. 2, д); Ra ₁и Ra ₂— средние арифметические отклонения профилей микро­неровностей от базовой линии.

Классификация видов трения проводится по величине l: граничное при l £ 1, полужидкостное при l = 1...5, жидкост­ное при l = 5...100.

Граничное трение происходит по тончайшим масляным пленкам, образовавшимся в результате адсорбции. Удлинен­ные молекулы смазывающего вещества прикрепляются к по­верхности твердого тела и образуют ориентированный слой толщиной не более 0, 1 мкм. Эти пленки повторяют микро­рельеф поверхности трения и обладают высокой прочностью на сжатие и малым сопротивлением скольжению при относи­тельном перемещении поверхностей.

Полужидкостное трение — смешанное трение, при кото­ром трущиеся поверхности не полностью разделены слоем жидкого смазочного материала и происходит касание отдель­ных микронеровностей. Отношение силы трения F _трк нор­мальной силе F_n называют коэффициентом трения f, величина которого в основном зависит от вида смазки.

Трение поверхностей деталей сопровождается изнашивани­ем — разрушением контактирующих поверхностей с измене­нием их размеров. Износостойкость — способность трущихся поверхностей сопротивляться изнашиванию. Оценкой изно­состойкости служит интенсивность изнашивания

где h — износ, мкм; S — путь трения, м.

Жидкостное трение возникает между слоями смазочного материала, находящегося между трущимися поверхностями. При этом отсутствует износ, потери энергии на трение малы.

Полное разделение трущихся поверхностей обеспечивает слой жидкости (масла), минимальная толщина (h _min) которого с оп­ределенный запасом К > 1 превышает сумму высот микроне­ровностей:

(2)

где Rz ₁и Rz ₂— высота профилей микроне­ровностей трущихся поверхностей.

Рис. 3. Изменение интенсивности механического изнашивания

Типичное развитие изнашивания узла трения представлено на рис. 3:
1 — при­работка (интенсивное изнашивание в мес­тах концентрации нагрузки), II — устано­вившееся изнашивание малой интенсивнос­ти,
III — ускоренное (катастрофическое) изнашивание. Период II характерен для штатной эксплуатации при полных нагруз­ках.

По мере увеличения износа обычно снижаются качественные показатели: уменьшается точность и КПД; растут динамические силы, вибрации, шум.

Смазочные материалы

По физическому состоянию смазочные материалы разделяют на жидкие (смазочные масла), пластичные, твердые и газооб­разные (масляный туман, очищенный воздух).

Смазочные масла являются основным смазочным материа­лом для машин. В зависимости от исходного продукта разли­чают нефтяные (минеральные), синтетические и жировые масла. В условиях жидкостного трения основной характерис­тикой смазочного масла является вязкость, которая характе­ризуется внутренним трением между слоями жидкости под действием сдвигающей силы.

Различают динамическую и ки­нематическую вязкость. Динамическую вязкость m , Па× с, ис­пользуют в расчетах, а кинематическую   υ, м²/с, — при произ­водстве масел. В литературе обычно приводят значение кине­матической вязкости масла при 40°С (υ ₄₀), при 50°С (υ ₅₀), при 100°С (υ ₁₀₀). Связь вязкостей масла: m   = r  υ, где r — плотность смазочного масла (820…960 кг/м³).

Смазочные масла обеспечивают снижение трения и изна­шивания, а также температуры трущихся поверхностей путем усиленного теплоотвода.

Различают группы масел: моторные, индустриальные, трансмиссионные, специализированные, гидравлические. Моторные масла предназначены для смазы­вания двигателей внутреннего сгорания. Трансмиссионные масла используют для смазывания агрегатов трансмиссий раз­личной техники, включая механические передачи. Индустри­альные масла применяют для смазывания промышленного оборудования и технологических машин. Названия специали­зированных масел свидетельствуют об их особом назначении (энергетические, авиационные и др. масла). Гидравлические масла применяют в качестве рабочих жидкостей в гидросис­темах.

Пластичные смазочные материалы (ПСМ) состоят из жид­кой основы (смазочное масло) и загустителя (обычно мыла жирных кислот). Загуститель образует жесткий полимерный каркас, в ячейках которого удерживается жидкое масло. При небольших нагрузках ПСМ ведет себя как твердое тело — не растекается, удерживается на наклонных и даже вертикаль­ных плоскостях. Наиболее распространенными ПСМ являют­ся солидол жировой, литол-24, ЦИАТИМ-201.

Твердые смазочные материалы (ТСМ) обеспечивают сма­зывание трущихся поверхностей при трении в экстремальных условиях (низкие или высокие температуры, вакуум), когда применение других смазывающих материалов невозможно. В качестве ТСМ используют коллоидальный графит, дисуль­фид молибдена.

Раздел №2: Подшипники скольжения

По конструкции подшипники скольжения подразделяют на: