Основные свойства эксплуатационных материалов для транспортных и тра

ся в камеру сгорания. Так, при увеличении частоты вращения коленчатого вала вдвое расход масла увеличивается примерно в

6–8 раз.

Большое значение на расход масла оказывает его вязкость: чем выше вязкость масла, тем меньше его расход, и наоборот. Кроме того, потери масла от сгорания зависят от фракционного состава масла и теплового режима двигателя. Чем легче фракционный состав масла, тем оно быстрее испаряется на нагретых деталях двигателя и сгорает.

3.2.Эксплуатационные свойства моторных масел

Кэксплуатационным свойствам масел относятся те свойства, от которых зависят потери на трение, изнашивание трущихся деталей, образование углеводородных отложений в двигателе, эрозия деталей и пуск двигателя при низкой температуре. Важнейшими из них являются: вязкость, температура застывания, смазывающие свойства, термоокислительная стабильность, коксуемость и др. Кроме того, масло должно обладать минимальным эрозийным воздействием на металлы и не содержать механических примесей и воды.

Вязкость масла, как и вязкость топлива, чаще всего измеряют и нормируют в единицах кинематической вязкости.

Когда подбирают масло для двигателя или механизма, прежде всего обращают внимание на его вязкость, от которой зависят потеря мощности на трение, интенсивность изнашивания трущихся деталей, расход топлива и масла, уплотнение поршневых колец в цилиндрах и, как следствие, легкость пуска двигателя при низких температурах и его мощность. С повышением вязкости масла жидкостная смазка становится более устойчивой, но одновременно растет сопротивление перемещению трущихся деталей. Чем выше вязкость, тем больше сопротивление.

Вязкость влияет также на прокачиваемость масла по трубопроводам и каналам системы смазки (чем ниже вязкость, тем лучше прокачиваемость), охлаждение трущихся деталей (чем ниже вязкость, тем лучше циркуляция масел и отвод теплоты), очи-

51

стку масла в фильтрах (маловязкие масла легче фильтруются), удаление со смазываемых деталей загрязняющих продуктов (чем ниже вязкость масла, тем лучше удаляются продукты загрязнения), уплотнение рабочих зазоров (масло повышенной вязкости лучше уплотняет зазоры) и потери масла через уплотнения смазочной системы (чем выше вязкость, тем меньше потери).

Вязкость масла в зависимости от температуры меняется в очень широких пределах и при отрицательных температурах повышается в сотни раз. Вязкостно-температурные кривые масел представлены на рис. 3.3.

Рис. 3.3. Зависимость вязкости масла от температуры для марок:

1 – МК-22; 2 – АК-Ю; 3 – АС-5; 4 – АКЗп-6

Вязкостно-температурные свойства масел оценивают по индексу вязкости – условному параметру, отражающему результат сопоставления по вязкостным показателям данного масла с двумя эталонными маслами, вязкостно-температурные свойства одного из которых приняты за 100 ед., а другого – за 0.

Чем выше индекс вязкости масла, тем более полого изменяется кривая вязкости в зависимости от температуры и тем лучше вязкостно-температурные свойства масел. Масла с индексом вязкости 80–90 считаются хорошими.

При понижении температуры, особенно при отрицательных температурах, вязкость масел значительно увеличивается, что создает большое сопротивление первичному вращению узлов трения в механизмах и этим затрудняет, а иногда делает невозможным пуск двигателя.

52

Значения вязкости смазочных масел при температурах холодного пуска не должны превышать значений, установленных расчетами и эксплуатационными испытаниями машин.

Для определения температуры, при которой еще возможен пуск холодного двигателя без подогрева, можно использовать кривые масел, нанесенные на логарифмическую сетку (рис. 3.4). Так, холодный двигатель ЗИЛ-130, заправленный маслом АС-10 (М-10Б), можно запустить при –15 °С, а тот же двигатель, заправленный маслом АС-6 (М-6з/10Б), – при –23 °С.

Нефтяные масла обладают, как правило, недостаточно высоким индексом вязкости. Для устранения этого недостатка используют вязкостные присадки. Масла с вязкостными присадками получили название загущенных. Для приготовления загущенных масел за основу берут масляную фракцию с вязкостью при 100 °С около 2–6 мм2/с, которая сохраняет пусковую вязкость при температуре 30...35 °С, и вводят в нее от 2 до 5 % вязкостной присадки. При этом вязкость полученной смеси при 100 °С повышается до требуемого значения 6–10 мм2/с, а при отрицательных температурах смесь сохраняет вязкость исходного масла. Такие масла получили название масел с пологой вязко-

стно-температурной характеристикой.

Загущенные масла обладают малой склонностью к образованию нагаров в двигателях и обеспечивают наименьшие потери мощности двигателя на трение, что способствует экономии топлива и уменьшению интенсивности изнашивания.

С вязкостью масла очень тесно связаны низкотемпературные свойства масел. В нефтяных маслах, как и в дизельном топливе, присутствует небольшое количество высокоплавких твердых углеводородов – парафина и церезина, которые при отрицательных температурах начинают выделяться в виде кристаллов, имеющих вид игл или пластин. Кристаллики переплетаются между собой и образуют своеобразный каркас, заполненный жидким маслом. При этом вязкость резко возрастает, масло теряет подвижность и застывает.

53

Рис. 3.4. Номограмма для определения пусковых качеств масел

54

Полное удаление парафина из масла – дело технологически сложное и экономически невыгодное. Более простым методом улучшения свойств масел при низких температурах оказалось введение в них депрессорных присадок, действие которых сводится к предотвращению образования кристаллической решетки.

Депрессорные присадки добавляют к маслам в количестве 0,1–1 %, что позволяет снизить температуру застывания масла на 10–20 °С и более.

Температура застывания является очень важным показателем низкотемпературных свойств масла, но в действительности она менее надежна, чем показатель вязкости при низких температурах. По температуре застывания невозможно установить, при какой именно температуре масло будет еще прокачиваться и возможен ли запуск двигателя. Температура, при которой подвижность масла достаточна для пуска холодного двигателя, всегда оказывается выше температуры застывания масла на 10 °С.

Работа взаимодействующих поверхностей машин осложняется тем, что узлы трения современных ТиТТМ работают при знакопеременных цикличных нагрузках и обеспечить жидкостную смазку, как правило, не удается. Чаще всего трущиеся поверхности работают при граничной смазке, поэтому вязкость масла еще не определяет смазывающие свойства.

Под смазывающим свойством понимают способность масел образовывать на поверхности трущихся пар упругую пленку, препятствующую непосредственному контакту поверхностей. Эта пленка состоит из нескольких рядов молекул, механизм образования которых не одинаков. В общем случае пленка образуется в результате удержания силовым полем трущихся поверхностей компонентов масел. Другими словами, благодаря явлению адсорбции пленка образуется при чисто химическом взаимодействии. Адсорбированная пленка успешно удерживается на трущихся парах лишь при умеренных температурах и небольших давлениях, а с повышением давления и температуры она легко разрушается, что приводит к трению без смазки.

55

Химическая пленка образуется при введении в масла присадок, состоящих из органических соединений серы, хлора и фосфора, которые в процессе трения способствуют образованию на трущихся поверхностях тонких пленок в виде химических соединений: сульфидов, фосфитов и хлоридов, обладающих более низкими, чем у металлов, температурами плавления. Благодаря этому при возникновении высоких температур в местах контактов трущихся поверхностей эти соединения плавятся и текут.

Пары воды, прорвавшиеся из цилиндра через неплотности поршневых колец, при низких температурах конденсируются и смешиваются с маслом. При этом образуется масляная эмульсия, которую стабилизируют кислые продукты. В состав эмульсии включаются металлические частицы, образующиеся при изнашивании деталей, мелкие кусочки нагара, зола, смолы и асфальтены, а также другие твердые продукты высокотемпературного окисления. Эмульсия выделяется из масла в виде черного, неприятного на ощупь, липкого осадка. Вначале осадок рыхлый, а с течением времени уплотняется на стенках и днище картера, фильтре грубой очистки масла и центробежно-реактивном фильтре тонкой очистки. Загрязняются также магистральные и отводные каналы. Чем ниже температура масла в работающем двигателе, тем быстрее накапливается в нем осадок, забивающий масляную систему.

На всех деталях, где тонкий слой масла нагревается до высокой температуры (например, в зоне поршневых колец, на юбке и на внутренних стенках поршня, на шатунах), масло окисляется с образованием углеродистых веществ, которые откладываются на поверхности металла в виде тонкого, прочного слоя с гладкой и чаще всего блестящей поверхностью. Создается впечатление, что детали покрыты лаком. Отсюда эти углеродистые отложения получили название лаковых отложений. Эти отложения очень прочно удерживаются на поверхности металла и представляют большую опасность для двигателей. Так, при заполнении кольцевых канавок лаковыми отложениями кольца заклиниваются, или, как говорят, пригорают. Это приводит

56

к повышенному расходу масла, снижению компрессии и, как следствие, к снижению мощности. При этом кольца могут ломаться и заклинивать двигатель.

По мере углубления исследований смазочных материалов оказалось, что если в масло ввести специальную присадку, то его склонность к образованию лака и других отложений можно резко снизить, а при удачном подборе присадок исключить вообще. При этом детали двигателя (даже при длительной работе) оказываются совершенно чистыми, будто их только что очистили и вымыли. Отсюда и возникли названия: моющие присадки и моющие свойства масел.

Среди показателей, которые используются в стандартах

итехнических условиях для оценки качества моторных масел, имеются еще следующие: коксуемость, температура вспышки

ивоспламенения, щелочное число.

Показатель коксуемости введен для оценки нагарных свойств масел. Коксуемость определяют нагревом масла до высокой температуры без доступа воздуха, в результате чего масло разлагается и испаряется с образованием коксообразного остатка. Количество остатка в процентах по отношению к взятой для опыта дозе масла и характеризует коксуемость. Численное значение коксуемости зависит от химического состава масла, степени его чистоты, вязкости и других свойств.

Щелочное число характеризует содержание в масле веществ, обладающих щелочными свойствами, и выражается в миллиграммах КОН на 1 г масла. Щелочное число является показателем нейтрализующих свойств масел. Масла, обладающие щелочными свойствами, применяют преимущественно в качестве смазочного материала для дизелей, работающих на сернистых топливах, в целях уменьшения эрозийного износа деталей.

Щелочные свойства маслам придают противокоррозионные присадки. Влияние этих присадок различное. Одни противокоррозионные присадки образуют на поверхностях трения очень прочную защитную пленку, которая предохраняет поверхность контакта от кислых продуктов, подобно тому, как слой краски

57

предохраняет поверхность металла от контакта с кислородом воздуха, другие – замедляют окисление масла и тем самым уменьшают накопление в нем кислых продуктов, что также снижает эрозийное изнашивание трущихся поверхностей. Наконец, есть присадки, которые обладают щелочными свойствами. Их действие сводится к тому, что они вступают в реакцию с кислыми продуктами и нейтрализуют их. При этом изнашивание деталей уменьшается. Кроме того, к современным маслам добавляют противоизносные, противозадирные, антипенные, защитные и многофункциональные присадки.

Противоизносные присадки добавляют к маслам в коли-

честве 0,1–2,96. Они предназначены для уменьшения потери на трение и интенсивности изнашивания.

Противозадирные присадки добавляют, как правило, к

трансмиссионным маслам для уменьшения интенсивности изнашивания тяжелонагруженных зубчатых, гипоидных передач и других деталей, когда противоизносная присадка не спасает трущиеся детали от заедания. Противозадирные присадки содержат соединения хлора, фосфора и серы или свинцовые масла. Эти соединения при определенных условиях вступают во взаимодействие с поверхностным слоем металлов и образуют новые соединения, покрывающие тонким слоем трущиеся поверхности, которые при высоких температурах плавятся, выполняя роль смазки. Противозадирные присадки добавляют в количест-

ве 5–10 %.

Антипенные присадки служат для предотвращения образования пены. В качестве антипенных присадок применяют полисилоксаны и силиконы в очень небольшом количестве

(0,0005–0,0009 %).

Причиной пенообразования является воздух, которого в масле может оказаться 5–15 %. Выходя из масла, пузырьки воздуха образуют на внутренних поверхностях системы смазки обильную пену, что приносит большой вред. Во-первых, наличие пузырьков воздуха в масляной пленке ухудшает смазку трущихся деталей, во-вторых, увеличивается потеря масла из-за

58

выброса его через сапун, в-третьих, изменяется уровень масла в картере и, следовательно, возникает опасность, что двигатель будет работать при недостаточном количестве масла.

Кроме того, пенообразование во многом зависит от конструкции и расположения масляного насоса, маслозаборника, а также качества масла. Масла, содержащие моющие присадки, более склонны к пенообразованию. Попадание в масло воды также способствует пенообразованию. Чем выше вязкость масла, тем труднее из него удалить воздух. Однако при наличии в масле антипенных присадок можно полностью исключить вспенивание масла в двигателе.

Защитные присадки предназначены для защиты деталей двигателя от электрохимической эрозии и эрозии деталей двигателя за счет наличия в масле воды и кислоты. В качестве защитных присадок применяют жирные кислоты, металлические мыла жирных кислот, сульфаты металлов и др. Действие этих присадок сводится к образованию на металлических поверхностях прочных защитных пленок, предохраняющих металл от контакта с водой и другими веществами, способнымивызывать эрозию.

Обычно двигатель работает на масле без защитных присадок, а перед постановкой машины на длительное хранение следует применять масло с защитными присадками. При этом происходит как бы консервация деталей.

Многофункциональные присадки улучшают сразу несколько свойств масел. Так, например, присадка ИП-22К улучшает моющие, антиокислительные, антиэрозийные и противоизносные свойства масел. Однако исследования показали, что ни одна из многофункциональных присадок не может одновременно улучшить сразу ряд свойств масла в той степени, в какой это необходимо. Поэтому сейчас считается целесообразным использовать смеси (композиции) присадок. При подборе композиции присадок учитывают возможность их взаимодействия. Композиция считается удачной, если при ее использовании происходит явление синергизма, т. е. значительное повышение эффективности компонентов вследствие их взаимодействия.

59

3.3. Классификации и системы обозначений моторных масел

Современное двигателестроение стремительно развивается,

иосновными направлениями развития являются:

–повышение литровой мощности, т.е. отношения мощности к объёму двигателя;

–рост экономичности и надежности;

–улучшение пусковых свойств;

–снижение массы и габаритов.

Любой из этих вопросов пересекается с проблемой качества моторных масел, так как от их эксплуатационных характеристик во многом зависит надежная работа двигателя.

Одной из таких характеристик, имеющих большое значение для надежности двигателя, является вязкость. Масла, имеющие пологую вязкостно-температурную характеристику (их вязкость меньше других подвержена изменению при изменении температуры масла), являются максимально эффективными в широком спектре условий эксплуатации.

Высокое значение вязкости обеспечивает минимальный износ деталей двигателя. Однако слишком высокая вязкость ведет к росту потерь на трение, что, в свою очередь, увеличивает расход топлива. Пониженная исходная вязкость обычно позитивно влияет на прокачиваемость при низких температурах, т.е. способность масла свободно поступать в зоны смазки при пуске двигателя. Лучшая прокачиваемость снижает износ деталей двигателя при пуске и повышает КПД за счет уменьшения расхода. Поэтому одной из важнейших задач конструктора является выбор оптимального значения вязкости масла для данного типа двигателя и для данных условий его эксплуатации.

Как уже отмечалось, одной из основных тенденций развития современных и перспективных двигателей является увеличение «литровой мощности». В рамках этого направления выделяется несколько путей, а именно: увеличение степени сжатия, подбор оптимального состава топливно-воздушной смеси

60