Граничное трение
Граничное трение возникает на поверхности сопряженных тел при толщине смазочного слоя менее 0,1 мкм. В этом случае сила трения зависит от природы и состояния трущихся поверхностей. Наличие граничного слоя (граничной пленки) способствует снижению силы трения по сравнению с трением без смазочного материала в 2…10 раз и уменьшает износ сопряженных поверхностей в сотни раз. Коэффициент граничного трения находится в пределах 0,08…0,15. Само же граничное трение неустойчиво и определяет предел работоспособности сборочной единицы.
Масла способны адсорбироваться на металлической поверхности, образовывая граничную пленку. На прочность пленки влияет наличие в ней активных молекул, их качества и количества. Молекулы смазочного материала ориентируются перпендикулярно к твердой поверхности (рис. 3.5 а), граничную пленку в этом случае можно представить в виде ворса. Когда происходит взаимное перемещение поверхностей трения, молекулы как бы изгибаются в противоположные стороны. На восстановление ориентации молекул в начальное положение требуется некоторый промежуток времени.
Рис. 3.5. Схема контакта тел при граничной смазке:
а) контакт идеальных поверхностей;
б) контакт реальных поверхностей.
Механизм трения при граничной смазке можно представить в следующем виде. В контакте под нагрузкой протекает упругая и пластическая деформация. На площадках контакта может произойти взаимное внедрение поверхностей без разрушения граничной пленки.
Если пластические деформации значительны, то на площадках контакта с высокими местными температурами может произойти разрушение смазочной пленки с наступлением адгезии поверхностей и схватыванием металлов на микроучастках (рис. 3.5, б). Это вызывает дополнительное сопротивление движению.
Смазочная пленка имеет способность восстанавливаться при местных повреждениях. Это происходит за счет адсорбции, протекающей с большой скоростью, благодаря подвижности молекул смазочного материала. Окисление пленки способствует ее разрушению.
На процесс граничного трения влияют различные факторы. Так, добавление ПАВ повышает толщину граничного слоя и способствует уменьшению износа. Большое влияние на эффективность смазочного действия оказывает химическое взаимодействие металла и смазочного материала. Например, жирные кислоты, вступая в реакцию с поверхностью металла, образуют мыла, способные без разрушения выдерживать значительные деформации.
При граничной смазке важное значение, имеют специальные добавки – присадки, содержащие органические соединения серы, фосфора, хлора или их сочетание. Присадки позволяют искусственно повысить химическую активность граничной пленки. Такие присадки, как мышьяк и сурьма, в условиях высоких температур образуют пленки сульфида железа, фосфита или фосфата железа. Образовавшиеся пленки предотвращают металлический контакт, понижают сопротивление трению, препятствуют дальнейшему локальному повышению температуры. Кроме того при определенных условиях пленки ведут себя как твердый смазочный материал.
Когда возникает граничное трение в двигателе
Продукты от экспертов в области смазочных материалов для профессиональной аудитории B2B-сектора
Охлаждающие жидкости/антифризы PETROLUBE являются аналогами известных высококачественных импортных антифризов последнего поколения.
Продукты на основе самых чистых в мире базовых масел со степенью очистки 99,9%
— Один из крупнейших производителей смазочных материалов в Северной Америке
— Самые чистые базовые масла в мире
— Мировой лидер в области разработки смазочных материалов
— Международная гарантия на смазочные материалы
Специальные жидкости для любой технологической операции в металлообработке от эксперта отрасли
— Ведущий мировой поставщик технологических жидкостей для металлообработки
— Уникальный ассортимент технологических жидкостей для металлургии
— Технологические жидкости с увеличенным интервалом замены
Передовые технологии аэрокосмической отрасли в уникальных смазочных материалах на основе перфторполиэфира (PFPE)
— Более чем 200-летний опыт в химической промышленности
— Первые в мире смазочные материалы на основе перфторполиэфира
— Смазочные материалы для работы в предельных температурах
Трение — основная причина износа двигателя. Гильзы цилиндров, поршни, кольца, подшипники — все подвержено этому процессу. Один из способов защитить узлы двигателя от трения — использовать подходящее высоковязкое моторное масло для форсированных двигателей. Однако преимущества эффективной защиты оборачиваются снижением экономии топлива. Значит, главная цель — найти масло, которое будет обладать сразу двумя этими преимуществами.
В то время как стандарты качества масел для сервисной заливки устанавливает Ассоциация европейских автопроизводителей (АСЕА), не стоит ограничиваться простым следованием их требованиям. На практике очень трудно проверить топливноэкономичные свойства разных моторных масел, так как на этот показатель влияют самые различные факторы: стиль вождения, разные маршруты, погодные условия, нагрузки и т.д.
Так как же выбрать правильное масло, которое и будет способствовать экономии топлива, и в то же время эффективно защищать двигатель?
Начнем с так называемой кривой Штрибека (или диаграммы Герси-Штрибека).
Что происходит, когда вы заводите двигатель?
Кривая Штрибека обычно используется, чтобы объяснить смену режимов смазки с учетом трения. Эта диаграмма показывает, как изменяется режим смазки двигателя непосредственно после запуска. При запуске двигателя наблюдается граничная смазка, когда поверхности двигающихся частей находятся в непосредственном контакте. Слой масла между ними минимален, или полностью отсутствует.
Несомненно, в данном случае изнашивание двигателя может быть чрезмерным.
Затем граничная смазка сменяется фазой смешанной смазки, когда поверхности деталей частично контактируют между собой, то есть они не полностью разделены. На этом этапе, износ двигателя обычно остается в приемлемых пределах.
Однако при достижении определенной скорости условия меняются, и наступает гидродинамический режим смазки. Теперь смазочный материал полностью разделяет поверхности трения.
Так как наибольшая опасность изнашивания двигателя возникает при режиме граничной смазки, необходимо, чтобы масло, как можно быстрее «дотекло» до точек смазки особенно при холодном запуске двигателя.
Как на трение воздействует прокачиваемость масла?
Прокачиваемость показывает, насколько легко масло течет через двигатель после его запуска. Чем меньше масло сопротивляется прокачиванию (то есть чем меньше динамическая вязкость масла в сП), тем легче оно течет. Эффективная прокачиваемость при низких температурах может сократить время, в течение которого между основными узлами двигателя сохраняются режимы граничной или смешанной смазки. Причина в том, что это помогает сократить тот период, в течение которого сохраняются зоны высокого трения, а эффективная низкотемпературная прокачиваемость моторного масла может помочь в снижении износа двигателя при запуске.
Определить, насколько легко будет прокачиваться масло в двигателе после холодного запуска, можно при помощи теста на прокачиваемость на миниротационном вискозиметре (MRV). Чем ниже показатель, тем меньше масло сопротивляется течению и тем быстрее масло прокачивается к движущимся узлам. Это особенно важно для эксплуатации в условиях холодной погоды, когда важна эффективная защита двигателя.
Благодаря превосходной прокачиваемости при низких температурах моторное масло DURON UHP E6 10W-40 способно сохраняться эффективность при температуре до -35 °C, что соответствует требованиям к низкотемпературной прокачиваемости для моторного масла для форсированных двигателей классов вязкости 5W-XX, и отвечает стандарту ACEA, в котором установлен максимальный предел в 60 000 сП.
Как прокачиваемость влияет за эффективность масла?
Моторное масло для форсированных двигателей, обладающее эффективной низкотемпературной прокачиваемостью, как, например, DURON, обладает существенными преимуществами по сравнению с маслами, у которых такая вязкость выше:
- оно быстрее обеспечивает защиту узлов двигателя, снижая тем самым износ;
- уменьшает зоны граничной и смешанной смазки, чем продлевает ресурс двигателя.
В испытания на миниротационном вискозиметре DURON UHP E6 10W-40 демонстрирует лучшие среди конкурентных аналогов результаты и обладает отличной низкотемпературной прокачиваемостью, которая помогает уменьшить граничное и полужидкостное трение поверхностей.
Для таких инновационных моторных масел, как DURON UHP E6 10W-40, требуется меньше энергии, чтобы течь через весь двигатель, и поэтому оно может способствовать тому, чтобы двигатели дольше сохраняли эффективные рабочие характеристики, обеспечивая большую экономию топлива и снижая эксплуатационные затраты.
Масла и трение, для 1 классников ( ! )
Для грамотной эксплуатации и продления срока службы современных поршневых двигателей следует осознанно подбирать и использовать смазочные материалы. Неразборчивость и экономия могут обойтись дороже. К сожалению, имеющаяся информация о смазочных материалах носит в основном рекламный характер, поэтому потребителю бывает трудно разобраться в обилии представленных товаров (моторных масел на нашем рынке насчитывается более 100 наименований).
.
Вначале рассмотрим основные понятия и проблемы трения, износа и смазки.
Трение (внешнее) — явление сопротивления относительному перемещению, возникающее в зонах соприкосновения поверхностей по касательным к ним.
Сила трения — сила сопротивления при относительном перемещении одного тела по поверхности другого под действием внешней силы, тангенциально направленная к общей границе между двумя телами.
Коэффициент трения — отношение силы трения между двумя телами к нормальной силе, прижимающей эти тела друг к другу.По характеру взаимного перемещения трущихся поверхностей деталей различают трение покоя (трение двух тел при предварительном их смещении) и трение движения (трение двух тел, находящихся в относительном движении). Трение движения, в свою очередь, по характеру движения делится на трение скольжения и трение качения, а по наличию (отсутствию) смазочного материала — на трение без смазки, граничное и жидкост-ное.
Трение скольжения — трение движения, при котором скорости соприкасающихся тел в точках касания различны по значению и (или) направлению.
Трение качения — трение движения, при котором скорости соприкасающихся тел одинаковы по значению и направлению, по крайней мере, в одной точке зоны контакта. Сила трения качения примерно на порядок меньше силы трения скольжения несмазанных поверхностей. Это свойство используется в подшипниках качения (шарик или ролик соприкасаются с поверхностью в точке или по линии).
Трение качения с проскальзыванием — трение движения двух соприкасающихся тел при одновременном трении качения и скольжения в зоне контакта.
Трение без смазки возникает при отсутствии на поверхностях трения тел специально введенного смазочного материала. При трении без смазки дополнительная энергия тратится на преодоление:
— взаимного механического зацепления неровностей (шероховатостей) трущихся поверхностей при их относительном перемещении;
— сил межмолекулярного притяжения;
— явления сваривания отдельных острых выступов поверхностей трущихся пар.
Граничное трение возникает в случае, когда поверхности трения разделены слоем смазки малой толщины (менее 0,1 мкм), не превышающим высоты микронеровностей (шероховатости) поверхности. Коэффициент граничного трения составляет 0,08-0,15. Режим граничного трения очень неустойчив и характеризует предел работоспособности узла трения. Если граничный слой разрушается, а нагрузка превышает силы сцепления смазочного материала с рабочей поверхностью детали, то в месте контакта возникает сухое трение и как следствие — задиры, заклинивания и другие аварийные повреждения деталей (например выплавление антифрикционного слоя вкладышей коленчатого вала). Толщина и прочность граничного слоя масла при трении рабочих поверхностей деталей двигателя зависит от химического состава масла и входящих в него присадок, химической структуры деталей и состояния поверхностей трения. При этом работоспособность граничного слоя масла не зависит от его вязкости, а определяется взаимодействием молекулярной пленки масла с трущейся поверхностью металла.
При жидкостном трении смазочный слой полностью отделяет взаимоперемещающиеся рабочие поверхности одну от другой и имеет толщину, при которой проявляются нормальные объемные свойства масла.
Коэффициент жидкостного трения находится в пределах 0,003-0,03, что в 50-100 раз меньше, чем при трении без смазки. Сила трения при этом виде смазки зависит только от трения внутренних слоев в смазочном материале.
Устойчивость смазочного слоя, необходимого для жидкостного трения, зависит от следующих факторов: конструкции узла трения; скорости взаимного перемещения трущихся поверхностей; величины и равномерности распределения нагрузки на трущиеся поверхности; вязкости смазочного материала; площади трущихся поверхностей; величины зазора между трущимися поверхностями; температурного состояния узла трения.
Работа поршневого двигателя сопровождается постоянным процессом изнашивания (процесс разрушения и отделения материала с поверхности твердой детали, накопления в ней остаточной деформации либо постепенного изменения ее размеров или формы под воздействием трения). Количественной мерой оценки изнашивания является износ, который может выражаться в единицах длины, массы или объема.
Существуют различные виды механического изнашивания:
— абразивное (когда твердые продукты износа, частицы нагара, пыль и другие, попадая в двигатель, вызывают интенсивное изнашивание поверхностей трения деталей и систем смазки);
— усталостное (следствие повторяющегося деформирования микрообъемов материала, из-за которого возникают трещины и происходит отделение частиц); типичным представителем усталостного изнашивания является питтинг, возникающий при трении качения в шариковых и роликовых подшипниках;
— кавитационное (возникает в условиях кавитации — процесса "схлопывания" пузырьков газа вблизи поверх-ности трения, создающего местное повышение давления или температуры; при кавитационном изнашивании наружные поверхности гильз цилиндров двигателя по-крываются кратерами или вырывами, образовавшимися от разрывов пузырьков);
— коррозионно-механическое (возникает в результате механического воздействия на трущиеся поверхности, сопровождаемого химическим или электрическим взаимодействием материала со средой; коррозионные разрушения в этом случае развиваются при воздействии на трущиеся поверхности таких агрессивных веществ, как химически активные газы и кислоты).
При изнашивании в процессе работы двигателя могут возникать следующие явления:
— схватывание при трении (прихват) — явление местного соединения двух твердых тел, происходящее при трении вследствие действия молекулярных сил;
— перенос материала — явление при трении твердых тел, состоящее в том, что материал одного тела соединяется с другим и, отрываясь от первого, остается на поверхности второго;
— заедание — процесс возникновения и развития повреждений поверхностей трения вследствие схватывания и переноса материала (Заедание может завершиться прекращением относительного движения. Заклинивание двигателя становится следствием схватывания, как правило, коренного либо шатунного подшипника коленчатого вала из-за нарушения жидкостного трения. Возникающее при этом повышение температуры приводит к выплавлению антифрикционного сплава (баббитового или алюминиевого) вкладышей. При этом антифрикционный слой заполняет зазор между трущейся поверхностью вкладыша и шейкой коленчатого вала, что и приводит к заклиниванию вала);
— задир — повреждение поверхности трения в виде широких и глубоких борозд в направлении скольжения. Задиры на стенках гильз цилиндров двигателей возникают при нарушении подвижности или разрушении поршневых колец.
— царапание — образование углублений на поверхности в направлении скольжения при воздействии выступов тела или твердых частиц;
— отслаивание — отделение с поверхности трения частиц материала в форме чешуек при усталостном изнашивании;
— выкрашивание — образование ямок на поверхности трения в результате отделения частиц материала при усталостном изнашивании;
— приработка (процесс) — процесс изменения геометрии поверхностей трения и физико-механических свойств поверхностных слоев материала в начальный период трения, обычно проявляющийся при постоянных внешних условиях в уменьшении силы трения, температуры и интенсивности изнашивания.
Для уменьшения интенсивности изнашивания и минимизации энергетических потерь в узлах трения, а также для обеспечения надежности и долговечности подвижных сопряжений двигателей предназначены смазочные материалы.
Смазочными материалами называются продукты органического и неорганического происхождения, которые вводят между поверхностями с целью уменьшения потерь на трение в этом сопряжении. Внешнее трение твердых тел отсутствует. Его заменяет внутреннее трение смазочной среды, составляющей слой, разделяющий эти тела.
Также часто встречаются дополнительные условия, такие как устойчивость к воде и химикатам, совместимость с пластиками или защита от коррозии.
Показатели качества смазочных материалов
Плотность — объемная масса вещества. Для масел она обычно приводится к температуре +200?С и измеряется в кг/м3. Данная характеристика важна тем, что из-за изменения плотности при различных температурах в емкость постоянного объема можно залить разное весовое количество (которое будет существенно отличаться при +50?С или +350?С). Необходимо помнить также, что при повышении давления плотность масел возрастает.
Вязкость (внутреннее трение) — свойства жидких тел оказывать сопротивление их течению — перемещению одного слоя тела относительно другого — под действием внешних сил. Вязкость может быть определена с помощью капилляр-визкозиметра как время вытекания определенного количества масла из очень узкого сосуда при воздействии силы тяжести. Вязкость может быть выражена в различных единицах вязкости: динамической, кинематической, удельной, условной. Для оценки качества масла необходимы в первую очередь кинематическая и динамическая. Вязкость кинематическая — это отношение динамической вязкости к плотности жидкости при той же температуре. За единицу кинематической вязкости принят Стокс, сотая часть которого называется сантистоксом (cSt, сСт) и имеет размерность мм2/сек. Вязкость динамическая количественно характеризует сопротивление жидкости смещению ее слоев. За единицу измерения принят пуаз, сотая часть которого называется сантипуазом (cP, спз, сП).
Такое название — "пуаз" — дано в честь французского физика Жана Пуазейля, а вязкостью в 1 сПз (почти точно) обладает вода при +200?С.
Индекс вязкости — характеризует степень изменения вязкости масла в зависимости от температуры. Индекс вязкости выражают в условных единицах. Масла, обладающие более высоким индексом вязкости, предпочтительнее, чем масла с низким индексом. Для минеральных моторных масел значение индекса вязкости обычно не превышает 160, для синтетических — от 170 и выше.
Прокачиваемость — способность масляного насоса прокачать масло при минимальной температуре.
Проворачиваемость — способность стартера проворачивать двигатель при минимальной температуре.
Температура вспышки — это температура, до которой необходимо нагреть масло, чтобы пары его образовали с воздухом взрывчатую смесь, воспламеняющуюся при поднесении к ней открытого пламени. Температура воспламенения — это температура нагрева масла, при которой не только вспыхивают пары масла, если поднести к ним огонь, но и загорается само масло. Оба этих показателя характеризуют огнеопасность масла и указывают на наличие в нем низкокипящих фракций или примесей топлива.
Температурой застывания масла называется температура, при которой масло теряет подвижность в заданных условиях.
Температурой помутнения называется температура, при которой нефтепродукты теряют прозрачность в результате кристаллизации парафина.
Щелочное число. При работе двигателя в масле образуются кислотные соединения. Для их нейтрализации и предотвращения коррозии металлических деталей в масло при его изготовлении добавляют присадки, создающие щелочной запас. Величину этого запаса выражают щелочным числом, которое служит для оценки моющей способности масла.
Необходимо отметить, что для бензиновых и дизельных двигателей применяются смазочные материалы с различными свойствами. Рабочая температура в дизельных двигателях очень высока, механические нагрузки в связи с высоким крутящим моментом повышены, а также сгорание дизельного топлива само по себе ведет к появлению копоти, отложений, несгоревших частиц и кислотного остатка. Поэтому масло для дизельных двигателей должно обладать сильно выраженными моющими свойствами и высокой щелочностью, хорошими рассеивающими и высокими противоизносными свойствами.
Для бензинового двигателя нужно использовать масло со свойствами, которые могут меняться в зависимости от условий его использования:
— когда двигатель работает при полностью открытом дросселе, например при взлетном режиме, значительно повышается его температура, поэтому используемое моторное масло должно обладать хорошим индексом вязкости;
— в свою очередь, при непродолжительных запусках относительно низкая температура, наблюдаемая в определенных частях двигателя, способствует процессу конденсации и образованию отложений (шлама), поэтому масло должно иметь хорошие рассеивающие (дисперсионные) свойства.
Смазочные материалы могут находиться в различных агрегатных состояниях:
— газообразном (воздух или инертный газ);
— жидком (минеральные и синтетические масла, растительные и животные масла);
— пластичном (смазки на базе минеральных или синтетических масел с загустителем, пасты с твердыми материалами на базе минеральных или синтетических масел);
— твердом (MoS2, графит, сульфид цинка).
Применительно к двигателям внутреннего сгорания рассмотрим жидкие, пластичные и твердые смазочные материалы.
Масла как смазочные материалы делятся на три группы:
1) жирные;
2) углеводородные, или минеральные;
3) синтетические.
Масла первой группы не могут быть перегнаны (при атмосферном давлении) без разложения. Все они животного или растительного происхождения и, как показывает химический анализ, состоят, как правило, только из углерода, водорода и кислорода. Масла второй группы называются минеральными, так как они получаются из нефти, или углеводородными, поскольку состоят только из углерода и водорода. Синтетические масла — это особые химические соединения.
Жирные масла при комнатной температуре являются жидкостями. Аналогичные твердые масла называются жирами. Жиры — это глицериды; они могут расщепляться на глицерин и жирные кислоты. Наибольшее практическое значение имеют три жирные кислоты: олеиновая, пальмитиновая и стеариновая. При наличии небольшого количества таких жирных кислот в смазке ее маслянистость существенно повышается.
Некоторые жирные кислоты легко окисляются на воздухе и загустевают или даже затвердевают. Примером могут служить льняное и тунговое масла. Примеры незагущающихся масел — оливковое (растительное) и спермацетовое (животное). Жирные масла входят в смазочные масла лишь в небольших количествах, но широко применяются при изготовлении мыльной основы в производстве консистентных смазок.
Минеральные масла
Наиболее распространенными смазочными материалами являются масла на нефтяной основе. Несмотря на то, что нефть была известна человечеству с давних времен, она долго использовалась только в чистом виде. Когда нефть научились перерабатывать, из нее извлекали в основном керосин, а ценнейший остаток — мазут, который составляет 70-90% ее массы, использовали только как топливо или попросту сжигали. Дальнейшее развитие технологии нефтепереработки позволило разделить мазут на фракции и производить из него минеральные масла.
Их можно классифицировать:
1) по типу нефти, из которой получено масло (парафинового, нафтенового (асфальтового) и смешанного основания);
2) по способу переработки нефти (перегонка с нагревом открытым пламенем или паром; вакуумная перегонка; фильтрование; депарафинизация; обработка кислотами и щелочами; введение химических добавок для улучшения эксплуатационных характеристик).
Масла нередко называются по технологиям их производства: масла паровой перегонки; масла вакуумной перегонки; дистиллятное минеральное масло (без присадок); масла селективной очистки; смешанные; с присадками; компаундированные; брайтстоковые (высоковязкие).
Современные минеральные смазочные масла представляют собой смесь углеводородов различного строения (базовое масло) и в большинстве случаев специально вводимых компонентов (присадок), обеспечивающих повышение антифрикционных противоизносных свойств, а также других функциональных характеристик.
Качества и свойства исходной нефти для производ-ства базового масла значительно разнятся от одного месторождения к другому. Свойства же минерального базового масла, получаемого из нефти, напрямую связаны с качеством сырой нефти и "наследуют" ее характеристики. Таким образом, казалось бы, одинаковые базы, но изготовленные из нефти, добытой, к примеру, в Сибири и в Арабских Эмиратах, различаются очень существенно. Следовательно, изготовление готового масла со стабильными свойствами из различных сортов нефти — задача весьма проблематичная, на практике решаемая с большими трудностями.
В связи с этим крупнейшие мировые производители товарных моторных масел предпочитают использовать базовые масла, полученные из нефти, добытой в одном регионе. Ну а наиболее стабильными свойствами обладают моторные масла, производимые на нефтеперерабатывающих заводах, принадлежащих компаниям, которые одновременно являются и нефтедобывающими. В этом случае имеется возможность отслеживать и влиять на всю технологическую цепочку, начиная от добычи нефти и заканчивая реализацией произведенного масла.
Потенциал минеральных масел не безграничен, и он уже исчерпан по ряду параметров: термическая стабильность, антиокислительная стойкость, износостойкость и энергосберегающая способность, температурно-вязкостные свойства.
Гидрокрекинговые масла
Эти масла изготавливают облагораживанием базовых минеральных масел в ходе процесса гидрокрекинга (гидрокаталитический процесс переработки). При такой переработке, позволяющей получать базовые масла с очень стабильными заданными характеристиками, их качество перестает зависеть от расположения месторождения нефти. Однако этот процесс значительно более затратный, чем обычная переработка. Масла, полученные таким способом, довольно быст-ро стареют. Разные производители по-своему называют процесс получения масел с помощью гидрокрекинга. Нужно отметить, что многие известные компании не утруждают себя точными формулировками, выдавая "гидрокрекинг" за "полусинтетику" и даже за "синтетику".
Полусинтетические
Полусинтетические масла, как правило, содержат в базовом масле смесь продуктов перегонки и ПАО (полиальфаолефины) плюс пакет функциональных присадок, причем синтетический компонент составляет 20-40%.
Синтетические масла
Принципиальное отличие синтетических масел от минеральных заключается в том, что в качестве основы применяются материалы, полученные не переработкой нефти, а синтезированные химическим путем из органических компонентов. Синтез с использованием определенных химических соединений позволяет получать продукты с запланированными свойствами. В основном это полиальфаолефины (ПАО), или сложные эфиры, обладающие значительно более высокими по сравнению с нефтяными основами, значениями параметров.
Масла синтетические по своим свойствам лучше минеральных:
— во-первых, у синтетических гораздо ниже температура застывания;
— во-вторых, с изменением температуры у них меньше меняется вязкость и, что очень важно, они не разжижаются при очень сильном нагреве;
— в-третьих, они легкотекучие, следовательно, обеспечивают меньшие потери мощности на трение и как следствие снижение расхода топлива, имеют самые низкие температуры прокачки, т. е. позволяют работать двигателю даже при температуре ниже минус 300?С;
— в-четвертых, они меньше испаряются и выгорают;
— в-пятых, образуют меньше отложений, загрязняющих двигатель: нагаров, лаков и шламов;
— в-шестых, их ресурс в несколько раз выше, чем минеральных.
Основные присадки
Антиокислительные присадки (определяют стойкость масла к старению). Процесс окисления носит характер цепной реакции, при которой начавшееся окисление и посторонние включения, имеющиеся в масле, ускоряют процесс дальнейшего окисления. При этом металлические части смазываемой конструкции выступают в роли катализатора. Это приводит к росту вязкости масла, к склонности образовывать отложения, загрязнению масляных фильтров, а это в свою очередь, к затруднению холодного пуска и ухудшению прокачиваемости масла. Окисление масла в двигателе наиболее интенсивно происходит в тонких пленках масла на поверхностях деталей, нагревающихся до высокой температуры и соприкасающихся с горящими газами (поршень, цилиндр, поршневые кольца, направляющие клапанов). Во внутренних полостях двигателя, заполненных масляным туманом, также происходит интенсивное окисление. Антиокислительные присадки прекращают процесс окисления и блокируют каталитический эффект металлических поверхностей. В качестве антиокислительных присадок применяют фосфаты цинка, фенолы, амины.
Противокоррозионные присадки. В процессе окисления образуются агрессивные органические кислоты, которые взаимодействуют с цветными металлами и их сплавами. Коррозионность масел возрастает. Противокоррозионные присадки (дитиофосфат цинка) обеспечивают образование на металлических поверхностях пленки, предотвращающей коррозию.
Противоизносные присадки. Различные узлы и детали двигателей смазываются обычно одним маслом, а условия трения, изнашивание и режим смазки существенно различны. Подшипники коленчатого вала, поршневые кольца в сопряжении с цилиндром работают преимущественно в условиях гидродинамической смазки. Зубчатые колеса, маслонасос, детали механизма привода клапанов работают в условиях пленочной смазки. Вблизи мертвых точек жидкостное трение поршневых колец по стенке цилиндра переходит в граничное. Введение противоизносных присадок, содержащих серу, фосфор, галогены, бор, дитиофосфат цинка, а также дисперсанты, позволяет образовать на смазываемых поверхностях пленку, предотвращающую непосредственное соприкосновение металлических поверхностей.
Противозадирные присадки. Образуют вместе со смазываемыми металлическими поверхностями химическую пленку, которая эффективно предотвращает задиры.
Противопенные присадки. Предотвращают вспенивание масел за счет снижения поверхностного напряжения. При этом образующиеся воздушные пузыри легко лопаются.
Присадки, снижающие температуру застывания. Предотвращают слипание парафиновых кристаллов и застывание масла.
Присадки, улучшающие индекс вязкости. Это высокомолекулярные полимеры, которые замедляют повышение вязкости при понижении температуры.
Моюще-диспергирующие присадки. Чем выше моюще-диспергирующие свойства масла, тем больше нерастворимых веществ (продуктов старения) может удерживаться в работающем масле без выпадения в осадок, тем меньше лаковых отложений и нагаров образуется на горячих деталях. Данные присадки создаются на основе соединений кальция и магния, реже бария с добавлением беззольных дисперсантов.
Моторное масло должно в течение длительного времени выполнять возложенные на него функции, а именно:
— образовывать прочную тончайшую пленку на поверх-ности трущихся деталей, исключая тем самым прямой контакт деталей поверхностными микронеровностями и как след-ствие задир поверхностей; снижать износ деталей двигателя;
— уплотнять зазоры, в первую очередь между деталями цилиндро-поршневой группы, не допуская или сводя к минимуму прорыв газов из камеры сгорания;
— отводить тепло, образующееся в результате сгорания топлива и трения; охлаждать детали двигателя;
— предотвращать образование нагара и лакообразных отложений;
— предотвращать коррозию деталей двигателя;
— предотвращать выпадение осадков; поддерживать продукты старения и износа в виде стойкой эмульсии; выносить продукты износа из зоны трения;
— нейтрализовывать кислоты, образующиеся при окислении масла и сгорании топлива.
Системы смазки двигателей работают по двум направлениям: последовательному и параллельному. Для каждого требуется своя вязкость масла. При неправильном выборе снижение ее на одном участке приведет к снижению давления на другом. С другой стороны, увеличение вязкости приведет к снижению прокачиваемости масла и способности к разбрызгиванию на большое расстояние (смазка цилиндров). Это ведет в первом случае к недостаточному снабжению маслом отдаленных от маслонасоса узлов, а во втором — к неравномерной смазке цилиндро-поршневой группы. Следовательно, очень важно, чтобы вязкость соответствовала условиям эксплуатации.
В зимних условиях необходимо руководствоваться значениями средних температур в регионе. Можно воспользоваться следующими таблицами:
Класс вязкости по SAE Температура применения
0W До -30 град. С и ниже
5W До -25 град. С
10W До -20 град. С
15W До -15 град. С
20W До -10 град. С
25W До -5 град. С
Класс вязкости по SAE Предельная температура прокачиваемости, С
0W -40
5W -35
10W -30
15W -25
20W -20
25W -15
Необходимо помнить, что при каждом запуске двигателя (не обязательно на сильном морозе, а даже при плюсовых температурах) требуется некоторое время для того, чтобы масляный насос прокачал масло по системе смазки и оно поступило ко всем трущимся частям. В это время двигатель будет работать в режиме масляного "голодания". При этом резко возрастает трение и износ. Таким образом, чем более масло способно сохранять текучесть при низких температурах, тем быстрее оно будет прокачано по системе и обеспечит защиту двигателя. Лучшими в этом отношении являются моторные масла класса "0W".
4. Граничное трение
Граничной смазкой называют такую, когда между трущимися поверхностями находится очень тонкий слой масла. Пленка масла на металлической поверхности прочно удерживается силами межмолекулярного взаимодействия. О толщине масляного слоя существуют разные мнения. Долгое время считали, что на поверхности находится мономолекулярный слой масла. Экспериментальными исследованиями советских ученых доказано, что на трущихся поверхностях находятся полимолекулярные слои толщиной в десятые доли микрона. Имеются высказывания, особенно в зарубежной литературе, что толщина пленки доходит до микрона.
Поведение граничных слоев смазки не подчиняется законам гидродинамики (так как свойства пленок не определяются объемной вязкостью), а зависит от смазывающей способности масла и физико-химических свойств поверхностей трения. Над изучением граничной смазки в Советском Союзе работают многие ученые, здесь нужно отметить работы Б. В. Дерягина, М. Т. Кусакова, Г. И. Фукса, А. С. Ахматова и др. В работах Е. В. Дерягина и А. С. Ахматова экспериментально доказано, что граничные слои смазки на поверхностях металла подобны твердым телам.
Часто говорят, что граничное трение — это предел работоспособности трущихся пар. Если при жидкостном трении износ деталей очень небольшой и в основном происходит при нарушениях режима жидкостной смазки, то при граничном трении всегда наблюдается износ деталей. Основное требование к качеству масла при граничном трении — обеспечение возможно меньшего износа поверхностей трения, а это зависит от взаимодействия молекулярных слоев масла с поверхностью. Все смазочные масла обладают смачиваемостью, т. е. способностью растекаться тонким слоем по поверхности металла. Эта способность зависит от внутренних сил сцепления. В данном случае силы взаимодействия между металлом и частицами масла больше силы молекулярного взаимодействия между частицами масла, поэтому оно и растекается по металлу. Такие вещества, как ртуть, не обладают смачиваемостью, так как силы взаимодействия между молекулами ртути больше, чем между ртутью и металлом. Хорошее смазочное масло должно не только смачивать металл, но и образовывать на нем прочную пленку, не разрушающуюся под действием внешних факторов.
Смазывающая способность масла имеет очень важное значение во многих случаях эксплуатации двигателей внутреннего сгорания, и других машин: во время пуска двигателя или механизма, после их остановки или длительной стоянки, при прогреве машины, а также при работе машины перед ее остановкой. Во всех этих случаях износ деталей зависит от прочности масляной пленки, находящейся на них. Смазочная способностью очень важна при смазывании деталей, испытывающих высокие удельные нагрузки, а также в тех случаях, когда наблюдается недостаток поступления масла к трущимся деталям, при использовании масла с меньшей вязкостью, при резко переменных режимах работы и во всех других случаях, не обеспечивающих жидкостное трение.
Смазочные свойства масел зависят от их химического состава, точнее от наличия соединений, имеющих в своем составе электрозаряженные молекулы. К веществам, способным образовывать граничный слой на поверхности металлов, относятся поверхностно-активные соединения, содержащие в своих молекулах серу, фосфор, хлор или полярные группы СООН, ОН и др. К таким соединениям в маслах относятся смолистые вещества, сернистые соединения, органические кислоты, оксикислоты, спирты и др. Полярно-активные соединения масла ориентируются к металлу полярной группой, а их углеводородная цепочка располагается нормально к поверхности трения, образуя своеобразный молекулярный частокол, препятствующий непосредственному контакту трущихся поверхностей, сухое трение заменяется трением свободных концов углеводородных цепочек.
Наиболее прочные граничные слои образуются в тех случаях, когда происходит химическое взаимодействие между полярно-активными соединениями масла и металлом. К таким веществам относятся органические жирные кислоты, соединения хлора, серы, фосфора. Например, жирная кислота (пальмитиновая, олеиновая), адсорбируясь на поверхности, вступает в химическую реакцию с металлом и образует соли жирных кислот (мыла), которые обладают малым сопротивлением сдвигу.
Смазывающая способность оценивается техническими испытаниями на приборах и машинах трения. В зависимости от конструкции машины и методики испытания оценочными показателями являются: величина коэффициента трения, износ трущихся деталей или та нагрузка, под действием которой разрушаются масляные граничные слои.
Более широкое распространение получили испытания на четырехшариковой машине трения (ГОСТ 9490-90). Схема этой машины показана на рис. 8.
Рис. 8. Схема четырехшариковой машины трения:
А – верхний шарик, закрепленный в шпинделе; Б – нижние шарики;
В – испытуемое масло
Основная часть установки — пирамида из четырех стальных шариков (диаметром 12 мм). Верхний шарик А зажимается в специальном патроне, который, вращаясь, скользит по трем нижним шарикам Б, закрепленным в ванне с испытуемым маслом В. Скорость вращения патрона постоянна, изменение нагрузки ступенчатое (возрастающее), продолжительность каждого испытания 1 мин. Износ оценивается по диаметру пятна на нижних шариках, диаметр измеряется при помощи специального микроскопа.
Значение смазочных свойств масел при граничной смазке видно из следующего примера. Измеряли температуру в точках контакта константанового стержня и стального диска под действием постоянной нагрузки. Детали испытывались без смазки, с применением товарного масла и олеиновой кислоты. В первом случае температура достигла 800 °С, во втором — была около 500 °С, а в третьем (использование полярно-активного соединения) — немногим выше 200 °С.