книги из ГПНТБ / Эксплуатационные свойства и применение горючего, смазочных материалов и специальных жидкостей учебное пособие

узлов настолько высоки, что минеральные масла, изготовленные даже из лучших масляных нефтей с применением наиболее совер­ шенных способов очистки и самых эффективных присадок, не мо­ гут обеспечить нормальную работу. В таких случаях используют синтетические смазочные материалы. Наибольшее практическое значение имеют синтетические масла на основе сложных эфиров одноосновных карбоновых кислот и многоатомных спиртов, а так­ же эфиров полиалкиленгликолей. Из многоатомных спиртов обыч­ но применяют пентаэритритовый С(СН2ОН)4, который этерифици- р-уют кислотами С5— Сд, в молекулах которых содержится 5—9 ато­ мов углерода.

Пентаэритритовый спирт при обычных условиях представляет собой белый порошок с температурой плавления, превышающей 250° С. Реакция этерификации его с органическими кислотами про­ текает при температуре 120—140° С в присутствии катализатора —

Реакция протекает в периодически действующих реакторах (ме­ шалка:-:), непрореагировавшие продукты отгоняют в присутствии водяного пара при температуре 200—220° С и остаточном давлении 50—100 мм рт. ст. и используют повторно. Оставшийся в мешалке эфир содержит мыла цинка и органических кислот. Чтобы удалить цинковые мыла, остаток обрабатывают серной кислотой, а обра­ зующийся сернокислый цинк удаляют промывкой. После этого эфир обрабатывают щелочью для нейтрализации непрореагировавших и неудаленных органических кислот, вновь промывают водой, с\- шат и фильтруют. Продолжительность процесса получения синте­ тического масла на основе пентаэритритового эфира 40—48 ч.

Полналкиленгликоли представляют собой продукты полимери­ зации двухатомных спиртов (гликолей). Чаще всего используют полимеры этиленгликоля НОСН2 СН2ОН или пропиленгликоля НО(СН2 )зОН. Полимеры указанных продуктов содержат гидро­ ксильные группы, а следовательно, растворимы в воде, поэтому в чистом виде использовать их в качестве смазочного масла нельзя. Этот недостаток полимеров этилен- и пропиленгликоля устраняют этерификацией одноосновными кислотами (С7 — Сд). Процесс эте­ рификации в основном аналогичен описанному выше.

Получение пластичных смазок

Состав и структура смазок. Надежную и долговечную работу некоторых узлов трения не могут обеспечить самые высококачест­ венные масла. В таких случаях используют пластичные смазки, представляющие собой сложные коллоидные системы, состоящие из жидкой фазы и загустителя. Жидкая фаза — дисперсионная сре­

60

да — обычно составляет 75—90%, а загуститель — дисперсная фа­ з а — 10—25%. Загуститель образует в смазке пространственный структурный каркас, в ячейках которого удерживается жидкая фаза.

Б качестве жидкой фазы смазок, как правило, используют ми­ неральные, а в отдельных случаях синтетические масла.

Эти масла загущают твердыми углеводородами (парафин, це­ резин) пли кальциевыми, натриевыми, литиевыми, алюминиевыми и другими мылами синтетических жирных кислот (СЖ К). Часть смазок готовится на мылах растительных и животных жиров (хлоп­ ковое и льняное масло, кашалотный жир и т. д.).

Производство смазок включает следующие операции: подготов­ ку и дозировку компонентов, приготовление загустителя (мыла), диспергирование загустителя в масле, охлаждение и деаэрацию смазки.

Подготовка компонентов заключается в очистке их от механи­ ческих примесей, удалении при необходимости воды и т. д. Очи­ щенные компоненты дозируют по объему или взвешиванием. Жи­ ры и щелочь берут из расчета на все количество смазки, которое должно быть получено в результате варки. Масло при изготовле­ нии мыла вводят в два приема, сначала 15—30% от общего объе­ ма, чтобы не препятствовать протеканию реакций омыления, а затем остальную часть после образования мыла и выпаривания из­ быточной воды.

Для приготовления мыла используют синтетические жирные кислоты, имеющие в основной цепочке от 5 до 20 и более атомов углерода. Так как состав кислот непостоянен, то качество смазок различных партий несколько изменяется. Для обеспечения посто­ янства свойств некоторые высококачественные смазки готовят на индивидуальных (технических) жирных кислотах. Например, низ­ котемпературная смазка ЦИАТИМ-201 готовится на литиевом мы­ ле технической стеариновой кислоты. Для омыления кислот при­ меняют водные растворы щелочи, например:

2ROOH + C (ОН) 2 (R C 00)2Ca + 2H20.

Процесс осуществляют в автоклавах (варочных котлах) под дав­ лением 5— 8 ат при температурах, не превышающих соответствую­ щую температуру кипения воды. При этом глубина омыления дости­ гает 99%.

Варочный котел представляет собой полый вертикальный ци­ линдр с внешней рубашкой, через которую пропускают теплоноси­ тель (водяной пар или циркулирующее горячее масло). Внутри кот­ ла устанавливают различной конструкции мешалки.

Диспергирование загустителя в масле необходимо для получения однородной смеси, которая после охлаждения должна образовать однородный пространственный структурный каркас. Диспергирова­ ние обычно осуществляют при перемешивании смазки в варочном котле. Проведенные исследования показали высокую эффективность

61

Р а з д е л II. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ПРИМЕНЕНИЯ ГОРЮЧЕГО И СМАЗОЧНЫХ МА ТЕРИАЛОВ

Г л а в а 5. ПРОКАЧИВАЕМОСТЬ

ОСНОВНЫЕ ЭКСПЛУАТАЦИОННЫЕ СВОЙСТВА ГОРЮЧЕГО И СМАЗОЧНЫХ МАТЕРИАЛОВ

Эффективность использования горючего, масел, смазок и специ­ альных жидкостей в значительной степени связана с глубиной изу­ чения и возможностями регулирования физико-химических процес­ сов, протекающих в системах подачи топлива и смазки двигателя, в камерах сгорания, в различных узлах трения, а также при взаи­ модействии указанных продуктов с конструкционными материала­ ми и внешней средой в период хранения и транспортировки.

Особенно сложные, взаимосвязанные физико-химические про­ цессы: смесеобразование, воспламенение и горение — протекают в камерах сгорания двигателей и топочных устройств. Каждый из этих процессов, в свою очередь, состоит из ряда элементарных ста­ дий, скорость развития которых может существенно влиять на ско­ рость соответствующего суммарного процесса.

Мощностные и экономические показатели работы двигателей, их надежность в значительной степени определяются характером процессов смесеобразования, воспламенения и горения. При хране­ нии и транспортировке горючего и смазочных материалов в зави­ симое™ от условий и внешних факторов могут протекать такие процессы, как кристаллизация и застывание, испарение, поглоще­ ние влаги и образование загрязнений, а также химические превра­ щения: окисление, полимеризация, конденсация и разложение.

Эти процессы вызывают обратимые и необратимые изменения качества продуктов, а также свойств тех материалов, с которыми они контактируют.

На надежность двигателей, машин, технических средств хране­ ния и транспортировки сильно влияют физико-химические процес­ сы, вызывающие коррозионное разрушение материалов.

63

С х е м а 5. Эксплуатационные свойства и физико-химические процессы, протекающие при транспортировке,

хранении и применении горючего и смазочных материалов

При хранении, транспортировке и применении различных видов горючего и смазочных материалов необходимо учитывать способ­ ность этих продуктов поражать живые организмы — их токсичность.

Взаимосвязи между различными физико-химическими процес­ сами и соответствующими им эксплуатационными свойствами по­ казаны на схеме 5.

Характер и скорость физико-химических превращений при при­ менении, хранении и транспортировке горючего и смазочных мате­ риалов определяются их эксплуатационными свойствами, усло­ виями протекания этих процессов и конструктивными параметрами двигателей, машин и технических средств. В общем виде эти зави­

Эг — характеристики эксплуатационного свойства; Ф„ — факторы, учитывающие механизм процесса; Фт— параметры условий развития процесса;

Фв — параметры конструкции системы, в которой проте­ кают физико-химические превращения.

Б настоящее время в большинстве случаев невозможно опреде­ лить вид функции (1). На основании экспериментальных исследо­ ваний могут быть найдены более простые частные эмпирические связи, косвенно характеризующие изменение скорости процесса в зависимости от условий, конструкции и характеристик горючего

вании экспериментально-теоретических исследований с учетом по­ ложений теории подобия дает научные основы для разработки ме­ тодов оценки и контроля качества горючего и смазочных материа­ лов, а также методов прогнозирования их поведения при приме­ нении, хранении и транспортировке.

Общие связи между параметрами эффективности и надежности двигателей, машин и уровнем эксплуатационных свойств горючего и смазочных материалов приведены на схеме 6.

Одной из основных задач науки о применении горючего и сма­ зочных материалов является выявление указанных связей, на осно-

ве чего разрабатываются научно обоснованные требования к ка­ честву продуктов, определяются пути улучшения их качества и ме­ тоды оценки.

Изучение эксплуатационных свойств конкретных видов горюче­ го и смазочных материалов будет более эффективным, если предва­ рительно рассмотреть и проанализировать наиболее общие экс­ плуатационные свойства: прокачиваемость, испаряемость, стабиль­ ность, коррозионность и токсичность.

ФАКТОРЫ, ВЛИЯЮЩИЕ НА ПРОЦЕСС ПОДАЧИ

Значение прокачиваемости. Прокачиваемость характеризует по­ движность горючего и смазочных материалов, способность обеспе­ чивать определенную скорость перекачки по трубопроводам или объем подачи в системах питания и смазки двигателей. Необходи­ мым условием работы всех двигателей внутреннего сгорания явля­ ется подача в камеры сгорания в строгом соответствии с заданны­ ми характеристиками топлива и подача масла к трущимся деталям.

Основной характеристикой процессов подачи или перекачки яв­ ляется их скорость, которая в общем виде может быть представле­ на выражением

dGv

S Td х ■

В ряде случаев скорость процессов подачи или перекачки опре­ деляется пропускной способностью фильтров

*Рг (Rc.o Н“ Рф.п)

где GT— количество прокачиваемого (фильтруемого) топлива; «У, и .Уф— соответственно площадь сечения трубопровода и

поверхность фильтрования; т — время; рг — плотность горючего;

рг — динамическая вязкость горючего;

Rc.o и R$.„ — соответственно сопротивление слоя осадка и филь­ тровальной перегородки.

Характеристики подачи очень часто задаются в виде зависимо­ стей

Gr = Gr(T) •

Нарушения в подаче топлива ухудшают мощностные и экономи­ ческие показатели двигателя, снижают надежность его работы, а в отдельных случаях вызывают отказы в работе. Нарушения пода­ чи масла в двигателе и агрегатах машин резко сокращают срок их службы и могут вызвать серьезные поломки. Прокачиваемость го­ рючего существенно влияет также на работу технических средств перекачки и заправки.

Основными причинами нарушения подачи и перекачки топлива являются:

—снижение производительности топливных насосов;

—увеличение гидравлического сопротивления в трубопроводах

ирегулирующих агрегатах;

—забивка фильтров и узлов регулирующих устройств;

—образование паровоздушных пробок на отдельных участках системы.

Вид нарушений зависит от конструктивных факторов, условий осуществления процесса подачи и свойств горючего или смазочного материала.

Конструктивные факторы. Геометрические размеры трубопро­ водов, форма каналов в насосах и регулирующих устройствах, ма­ териал и шероховатость стенок оказывают существенное влияние на затраты энергии при течении по ним жидких продуктов. Осо­ бенно сильно влияют различного рода сужения и резкие изменения направления движения потока. Коэффициент гидравлического со­ противления зависит от безразмерных параметров: критерия Рей­ нольдса Re и относительной шероховатости. Изменения сопротив­ ления в отдельных узлах, агрегатах и фильтрах происходят в ре­ зультате закупоривания твердыми частицами и смолистыми осад­ ками узких каналов, щелей и пор фильтровальных перегородок. Удержание различных частиц и забивка узких щелей и пор зави­ сят от материала узла или фильтра, состояния поверхностей и при­ роды частиц. Существенное значение имеет адсорбирующая спо­ собность фильтровального материала, определяемая природой и размером его внутренней поверхности, а также знаком и величиной электрического заряда на поверхности частиц и фильтровальной перегородки.

Условия подачи и перекачки. К условиям осуществления про­ цесса подачи и перекачки относятся: количество подаваемого про­ дукта и степень его загрязненности, продолжительность циклов по­ дачи или перекачки, скорость перекачки, температура продукта и окружающей среды, ее влажность и загрязненность. Условия пере­ качки оказывают непосредственное влияние на производительность перекачивающих средств и пропускную способность фильтров и ре­ гуляторов, а также на физико-химические свойства перекачивае­ мого продукта, что отражается на его прокачиваемости. Например, изменение сопротивления единицы поверхности фильтровального материала в зависимости от объема отфильтрованной жидкости VT при постоянном перепаде давления на фильтре и при переменной скорости фильтрования определяется формулой

6^?ф.п = АЯф.п

~dV 7

Коэффициент k и показатель степени п зависят от характери­ стик фильтровальной перегородки и жидкости, загрязненности по­ следней, размеров механических примесей и частиц осадка. Если

68

жидкость содержит частицы твердой фазы, то в процессе фильтро­ вания образуется осадок на поверхности и внутри пор фильтроваль­ ной перегородки и сопротивление фильтрованию растет. По мере фильтрования не только загрязненных, но и чистых жидкостей гид­ равлическое сопротивление растет. Это может происходить в ре­ зультате образования в каналах фильтра мелких пузырьков пара или газа, которые закупоривают каналы.

При понижении давления появление пузырьков пара или раст­ воренного в жидком продукте газа может наблюдаться во всасы­ вающей полости насосов и в трубопроводах. Нарушение сплошно­ сти потока возможно, когда абсолютное давление становится рав­ ным давлению насыщенных паров жидкости. Если в потоке перека­ чиваемого продукта образуются пузырьки газа, то при прохожде­ нии области пониженных давлений начинается их рост, что вызы­ вает снижение производительности насоса и даже срыв в подаче. Если появление в потоке жидкости пузырьков пара или газа сопро­ вождается в дальнейшем конденсацией и исчезновением парогазо­ вой фазы, то наступает кавитация.

Характеристики подачи могут изменяться при резких измене­ ниях сопротивлений в агрегатах и узлах систем подачи, вызываю­ щих возникновение волн‘ давления.

Физико-химические свойства перекачиваемой жидкости. Свой­ ства горючего или смазывающего материала определяют:

■— характер движения жидкости по трубопроводам, каналам и

вфильтровальных перегородках;

—возможность образования и удерживание во взвешенном со­ стоянии частиц твердой фазы и образование осадков при взаимо­ действии с материалом трубопроводов и агрегатов системы подачи,

атакже с кислородом воздуха;

—выделение льда и кристаллов углеводородов при охлажде­ нии продукта;

—образование паровоздушных пробок.

Для каждой системы подачи и перекачки существует предель­ ное значение вязкости продукта, превышение которой вызывает нарушения в работе этих систем. Одной из основных причин нару­ шения в подаче является забивка фильтров и проходных сечений в некоторых агрегатах системы в результате наличия или образова­ ния в топливе или масле твердой фазы в виде льда, кристаллов углеводородов, частиц органического и неорганического происхож­ дения.

Прокачиваемость горючего и смазочных материалов зависит также от поверхностного натяжения, плотности, способности сма­ чивать поверхность каналов и электризуемое™. Для некоторых топ­ лив и масел возможно физико-химическое взаимодействие с фильт­ ровальным материалом, в результате которого в нем задержива­ ются не только твердые, но и некоторые растворимые вещества.

Прокачиваемость топлива и масла при низких температурах определяется в основном вязкостью и температурами кристалли­

69