Лекція 9 мастильні матеріали тертя і мащення

Кожен двигун, агрегат, машина тощо не можуть працювати без мастильного матеріалу. Мастильні матеріали запобігають тертю, зменшують зношування тертьових пар. В тертьових парах виникає сила, що перешкоджає їх відносному рухові. На її подолання витрачається енергія, часто дуже значної кількості. Від правильного вибору мастильного матеріалу залежить витрата енергії на подолання тертя (витрата палива), зношування тертьових поверхонь.

Основне призначення мастильних матеріалів - зменшення зношування тертьових деталей, поверхонь (механічного, хімічного, електрохімічного, окислювального та інші) і зниження коефіцієнта тертя.

Мастильні матеріали поділяють на тверді, рідкі та газоподібні.

До твердих мастильних матеріалів відносяться м’які метали та їх оксиди, дисульфід та трисульфід молібдену, графіт, деякі полімери тощо; до газоподібних - деякі хімічноактивні речовини, пари нафтопродуктів, наприклад, гасу. Найбільша група мастильних матеріалів - рідкі (оливи мінеральні та синтетичні). Тверді та газоподібні мастильні матеріали застосовуються порівняно недавно і тільки в тих випадках, коли немає можливості використовувати рідкі оливи (або мастила - напіврідкі мастильні матеріали).

Тертя може відбуватися у відсутності мастильного матеріалу, в присутності дуже тонкого шару або в об'ємі мастильного матеріалу. В залежності від виду тертя, якості мастильного матеріалу може відбуватися механічне зношування через механічну дію; абразивне - через ріжучу чи дряпаючу дію твердих тіл чи частинок; корозійно-механічне - через механічну дію, яка супроводжується хімічною чи електрохімічною взаємодією матеріалу і середовища; гідроерозійне (газоерозійне), яке виникає під дією потоку рідини (чи газу); корозійне - хімічне, газове, атмосферне тощо. Цей перелік не вичерпує всіх видів зношування.

Тертя у відсутності мастильного матеріалу (так зване сухе тертя) - найнебажаніше у техніці, бо при цьому відбувається найбільше зношування тертьових деталей. Але зовсім "сухого" - ювенільного тертя не існує в природі. Тертьові поверхні при сухому терті в повітряному середовищі завжди покриті плівками оксидів металів, молекулами парів і газів з атмосфери. Ці плівки є найпростішими мастильними речовинами. Абсолютно сухе тертя може бути здійснене в спеціальних умовах, наприклад, у вакуумі при ретельно підготовлених тертьових поверхнях. На практиці тертя у відсутності мастильного матеріалу зустрічається при інших видах тертя на окремих ділянках або в точках зношування.

При наявності на тертьових поверхнях дуже тонкого шару мастильного матеріалу відбувається так зване граничне мащення. Якщо мастильний матеріал нанести на металеву поверхню, а потім протерти її ганчіркою, на металі залишається дуже тонкий мастильний шар, невидимий неозброєним оком, який забезпечує граничне мащення. Цей вид мащення залежить від якості мастильного матеріалу, яку називають маслянистістю, або змащувальною здатністю. Вважається, що граничне мащення забезпечується фізичною адсорбцією поверхнево-активних речовин (ПАР), які адсорбуються на металевій поверхні в певному порядку. Своєрідний "ворс", утворений поверхнево-активними речовинами, сприймає на себе навантаження і ковзання поверхонь відбувається по шару адсорбованих молекул. Крім фізичних явищ, при граничному мащенні спостерігається хемосорбція - утворення шару на поверхні металу за рахунок взаємодії елементів деяких сполук мастильного матеріалу з поверхнею металу. При взаємодії цих елементів, що входять до складу мастильного матеріалу у вигляді присадок, добавок тощо, утворюються "металоплакируючі" шари. Власне така структура шарів, утворених адсорбцією і хемосорбцією типу “сандвічу”, зменшує зношування металів і часто - коефіцієнта тертя. Але при підвищенні температури і тиску до певного значення для кожного шару настає границя міцності і плівка руйнується.

Не завжди максимальне зменшення коефіцієнта тертя спричинює мінімальне зношування металів. Наприклад, багато поверхнево-активних речовин, таких як органічні кислоти, ефіри, деякі інші, що містяться в мастильних матеріалах чи утворюються в них під час експлуатації в результаті окислення, поліпшують маслянистість, знижують коефіцієнт тертя, одночасно збільшуючи зношування металів, наприклад, корозійне.

Гідродинамічне мащення - так зване рідинне - характеризується тим, що тертьові поверхні повністю розділені шаром оливи і навантаження несе оливний шар. Змащувальна дія цього шару повністю підпорядковується законам гідродинаміки. В цьому випадку тертя переходить у внутрішнє тертя мастильного матеріалу. Механізм рідинного (гідродинамічного) тертя характерний для підшипників двигуна – шатунних і корінних. У працюючому двигуні колінчастий вал своєю масою витісняє оливу із зазорів між шийками і вкладишами і лягає на їх нижню поверхню. Їх відокремлює дуже тоненька плівка оливи, міцність і товщина якої залежить від полярної активності молекул, які входять до складу оливи.

Під час пуску двигуна вал починає обертатись, частота його обертів збільшується і він захоплює за собою оливу. Вал починає “спливати”, піднімаючись від нижньої поверхні.

Гідродинамічне (рідинне) тертя залежить від процесу внутрішнього тертя в оливі, (від її в’язкості), швидкості переміщення тертьових поверхонь, деяких інших факторів.

Якщо в процесі роботи рідинний вид тертя не порушується, абразивного зношування поверхонь деталей немає. Тому завжди намагаються створити умови для рідинного тертя. При перехідних режимах роботи вузлів тертя виникає еластогідродинамічне мащення, яке залежить від властивостей матеріалу тертьових поверхонь та оливи.