6.2 Смазочные материалы и спецжидкости назначение и классификация смазочных материалов
Надежность машин зависит в значительной степени от правильного выбора и применения смазочных материалов.
Смазочные материалы выполняют следующие функции:
снижают силы трения, а следовательно, уменьшают потери мощности на преодоление этих сил;
снижают износ трущихся поверхностей деталей вследствие создания жидкостного или граничного трения, а также смывают с поверхностей трения продукты износа и абразивные частицы;
охлаждают детали, работающие в условиях высоких температур или нагревающиеся при преодолении сил трения;
амортизируют ударные нагрузки;
уплотняют зазоры и защищают от попадания абразивных частиц извне;
снижают шум и вибрации при контакте металлических поверхностей;
защищают от коррозии.
По природе смазочные материалы подразделяются на минеральные, получаемые из нефти, угля, сланца и других минералов; органические - животные из жира животных (китовый и рыбий жир, свиное сало и др.) и растительные из хлопка, клещевины, конопли и другие; синтетические, получаемые путем химического синтеза.
По физическому состоянию смазочные материалы подразделяются на жидкие масла в виде эмульсий, пластичные (консистентные) и твердые. Номенклатура смазочных материалов включает кроме жидких минеральных масел, пластичных и твердых смазок консервационные масла, рабочие жидкости для гидравлических систем, а также смазочно-охлаждающие технологические средства (СОТС).
Жидкие смазочные материалы
Минеральные масла, получаемые вакуумной перегонкой мазута, получили наибольшее распространение. Первичный продукт - дистилляты, которые являются полуфабрикатами для изготовления масел малой и средней вязкости. Вторичный продукт - масляный гудрон, из которого получают более тяжелые и вязкие масла - остаточные.
В сырых маслах имеются асфальто-смолистые вещества, нефтяные кислоты, сернистые и азотистые соединения и другие, отрицательно влияющие на работу машин. Поэтому производится очистка масел от указанных примесей серной кислотой, щелочью и др. Масла же после очистки называют маслами сернокислотной очистки, выщелоченными и селективной очистки.
Однако для получения необходимых свойств, отвечающих разнообразным требованиям эксплуатации, различные масла смешивают в определенных пропорциях и сочетаниях, а также добавляют различные присадки, улучшающие те или иные свойства масел.
Присадки представляют специальные добавки к минеральным маслам для получения тех или иных свойств (легирование). По своему назначению присадки различаются на антифрикционные, применяемые для стабилизации или снижения сил трения; противоизносные, уменьшающие интенсивность изнашивания; противозадирные, для снижения вероятности процесса заедания поверхностей; вязкостные, которые улучшают вязкостно-температурные свойства масел; депрессорные, понижающие температуру застывания; противоокислительные (ингибиторы), замедляющие окисление масла кислородом воздуха; антикоррозионные, уменьшающие коррозионное действие масел на металлы; противопенные, для устранения вспенивания масел и быстрого разрушения пены; моющие, уменьшающие углеродистые отложения у двигателей; многофункциональные, улучшающие одновременно несколько свойств.
Синтетические масла, например, диэфирные, кремнийоргани-ческие, фосфороорганические и другие обладают высокой термостабильностью, хорошими смазочными свойствами и низкой испаряемостью.
В зависимости от области применения минеральные масла подразделяются на индустриальные для смазки различных машин, приборов и механизмов; моторные, предназначенные для смазки двигателей внутреннего сгорания; трансмиссионные для смазки различных механических передач; энергетические, включающие турбинные, электроизоляционные и компрессорные масла.
В маркировке масел буквы могут указывать способ очистки и область применения. Например, В - выщелоченное, М - моторное, И - индустриальное, Т - турбинное; К - компрессорное; ТК - трансформаторное; З - загущенное.
Индустриальные масла классифицируются согласно ГОСТ 174794 («Обозначение нефтепродуктов. Масла индустриальные») и предназначены для смазки промышленного оборудования: станков, редукторов и других элементов промышленного оборудования. По назначению индустриальные масла подразделяются на четыре группы (табл. 6.3).
По эксплуатационным свойствам индустриальные масла классифицируются на 5 подгрупп (табл. 6.4).
Таблица 6.3
Группы индустриальных масел по назначению
|
Группа |
Соответствие группы по ISO 6743/0-81 |
Область применения |
|
Л
Г Н Т |
F
Н G С |
Легконагруженные узлы (шпиндели, подшипники и сопряженные с ними соединения) Гидравлические системы Направляющие скольжения Тяжелонагруженные узлы (зубчатые передачи) |
Таблица 6.4
Подгруппы индустриальных масел по эксплуатационным свойствам для машин и механизмов промышленных установок
|
Подгруппа |
Состав, условия эксплуатации и рекомендуемая область применения |
|
А
В
С
Д
Е
|
Масла без присадок; условия работы оборудования не предъявляют особых требований к антиокислительным и антикоррозионным свойствам масел Масла с антиокислительными и антикоррозионными присадками; условия работы оборудования предъявляют повышенные требования к антиокислительным и антикоррозионным свойствам масел Масла типа В с противоизносными присадками, для оборудования, где имеются антифрикционные сплавы цветных металлов и условия работы которых предъявляют повышенные требования к антиокислительным, антикоррозионным и противоизносным свойствам масел Масла типа С с противозадирными присадками; условия работы оборудования предъявляют повышенные требования к антиокислительным, антикоррозионным, противоизносным и противозадирным свойствам масел Масла типа Д с противоскачковыми присадками; условия работы оборудования предъявляют повышенные требования к антиокислительным, адгезионным, противоизносным, противозадирным и противоскачковым свойствам масел |
В зависимости от кинематической вязкости при 40 °С индустриальные масла подразделяются на 18 классов (табл. 6.5).
Маркировка индустриальных масел представляет группу букв и цифр, разделенных между собой дефисом. Первая буква И -индустриальные, вторая буква - принадлежность к группе по назначению, третья буква - принадлежность к подгруппе по эксплуатационным свойствам, цифра характеризует класс вязкости.
Ассортимент индустриальных масел включает минеральные масла без присадок и с присадками (легированные) вязкостью при 50 °С от 2,2 до 190 мм2/с, получаемые из малосернистых и сернистых нефтей.
Масла индустриальные общего назначения без присадок, выпускаемые в соответствии с ГОСТ 20799, являются базовыми при производстве масел с присадками.
Трансмиссионные масла предназначены для смазки высокоскоростных трансмиссий с большими удельными нагрузками в широком диапазоне температур, в частности, коробок передач и задних мостов автомобилей. Эти масла изготовляют преимущественно на базе индустриальных масел с добавками противозадирных, антиокислительных, депрессорных, противопенных и других присадок в зависимости от конкретного назначения.
Таблица 6.5
Классы вязкости индустриальных масел
|
Класс вязкости |
V40, мм2/с |
Класс вязкости |
V40, мм2/с |
|
2 3 5 7 10 15 22 32 46 |
1,9-2,5 3-3,5 4-5 6-8 9-11 13-17 19-25 29-35 41-51 |
68 100 150 220 320 460 680 1000 1500 |
61-75 90-110 135-165 198-242 288-352 414-506 612-748 900-1100 1350-1650 |
Моторные масла предназначены для смазки поршневых двигателей внутреннего сгорания; изготовляют их на основе минеральных масел селективной очистки, дистиллятных или в композиции с остаточными путем добавления присадок, обеспечивающих химическую стойкость, хорошие противоизносные свойства, высокий индекс вязкости. Все моторные масла маркируются буквой М с указанием вязкости при 100 °С и группы эксплуатационных свойств.
Различают шесть основных групп моторных масел: А, Б, В, Г, Д и Е, каждая из которых предназначена для определенного типа двигателей в зависимости от степени форсирования и теплонапряженности. Масла группы А обладают самой низкой химической стойкостью и в современных двигателях не применяются. Группы Б, В и Г делятся на подгруппы, которые обозначаются индексами 1 (для карбюраторных двигателей) и 2 (для дизельных двигателей). Если в маркировке индекс 1 или 2 отсутствует, то масло универсальное. Масла группы Г отличаются высококачественной основой (глубокая очистка) и максимальным содержанием наиболее эффективных присадок. Поэтому их рекомендуют для высокофорсированных двигателей. Группы масел Д и Е предназначены для стационарных и судовых двигателей.
Загущенные масла имеют индекс вязкости не менее 110 и являются всесезонными. Маркировка загущенных масел содержит индекс «з» и два значения вязкости: в числителе при 18 °С, в знаменателе при 100 °С.
Смешивание моторных масел разных групп не допускается. При непреднамеренном смешении масел различных групп для смазки дизелей или карбюраторных двигателей смеси присваивают низшую из смешанных групп.
Компрессорные масла предназначены для смазки цилиндров компрессоров и обладают высокой химической стойкостью в условиях высоких температур (до 200 °С) и давлений.
Трансформаторные масла применяют в качестве теплоотводящей жидкости в трансформаторах, выключателях и других электрических устройствах. Они отличаются небольшой вязкостью, химической стойкостью и высокими изоляционными свойствами.
Свойства жидких смазочных материалов определяются следующими показателями: плотностью, вязкостью, температурой вспышки, температурой застывания, маслянистостью, содержанием воды и механических примесей, кислотностью, коксовым числом и др.
Плотность номинальная (при заданной температуре) масел находится в интервале 0,87-0,95 г/см3. Она непосредственно связана с вязкостью и сжимаемостью и существенно влияет на мощность гидропередачи. Следовательно, при использовании масел с высокой плотностью, размеры гидропередачи уменьшаются для одной и той же мощности.
Вязкость номинальная является одним из важных свойств большинства масел, особенно при эксплуатации. При конструировании узлов трения используют кинематическую вязкость, определяемую при температурах 50 и 100 °С. Однако, по классификации ISO 3448 принимают температуру 40 °С вместо 50 °С. Влияние температуры на вязкость следует учитывать при выборе масла, так как существуют три критических значения вязкости, т.е. оптимальное при нормальной рабочей температуре, минимальное при максимальной температуре и максимальное при самой низкой температуре.
Вязкость масел зависит существенно от давления, что имеет особое значение при смазывании механизмов и машин, работающих с высокими удельными нагрузками. Поэтому при конструировании и расчетах узлов трения необходимо, чтобы между трущимися поверхностями создавался прочный смазочный слой. Вязкость в зависимости от давления определяется по формуле:
где ηр и η0 - динамическая вязкость соответственно при давлении р и атмосферном давлении, Па·с.; а - пьезокоэффициент вязкости, Па-1·с-1 (для нефтяных масел а = 0,001÷0,004).
Динамическая вязкость - сила сопротивления (в Н), оказываемая жидкостью, при перемещении одного ее слоя относительно другого со скоростью 1 м/с при площади каждого слоя 1 м2 и расстоянии между ними 1 м. Единица измерения динамической вязкости Па·с.
Кинематическая вязкость - отношение динамической вязкости к плотности при температуре определения. Вода при 20 °С имеет кинематическую вязкость 1·10-6 м2/с.
При высоких давлениях масло может потерять жидкостные свойства и даже превратиться в твердое тело при давлении > 1015 Па.
Индекс вязкости оценивает вязкостно-температурные свойства масел. Он используется для перевода одних единиц вязкости в другие, для расчета вязкости смеси различных масел и расчета изменения вязкости от температуры. Соответствующие формулы, таблицы и методы для расчета индекса вязкости по кинематической вязкости при 40 и 100 °С приводятся, например, в ГОСТ 25371.
Индекс вязкости 85 и выше характеризует хорошие вязкостно-температурные свойства.
Масла с индексом вязкости больше 100 и загущенные масла с индексом вязкости 110-200 необходимы для гидравлических систем. Нормирование индекса вязкости при работе в области сравнительно низких температур (50-60 °С) необязательно.
Температура вспышки - температура, при которой смесь паров масла с воздухом воспламеняется при поднесении к ней пламени. Она указывает на наличие в масле низкокипящих фракций и характеризует огнеопасность масла.
Температура застывания характеризует собой температуру, при которой масло теряет свою подвижность при низких температурах. Определяется в статических условиях с помощью пробирки диаметром 15 мм, заполненной маслом, при наклоне которой на 45° мениск в течение 1 мин не меняет свое положение. Температура застывания определяет пригодность масла в условиях низких температур, а также при проведении нефтескладских операций (слив, налив, хранение).
Маслянистость или липкость масла оценивает его способность прилипать к смазываемым поверхностям и сопротивление выдавливанию из зазоров между трущимися поверхностями деталей. Коэффициент трения и прочность масляной пленки служат оценкой маслянистости.
Кислотное число - характеризует наличие в масле свободных кислот, вызывающих коррозию металла. Характеризует степень очистки минеральных масел и отчасти их стабильность при эксплуатации и хранении. Кислотное число оценивается количеством миллиграммов едкого калия, необходимого для нейтрализации свободных кислот в 1 г масла.
Содержание механических примесей в жидких маслах допускается не более 0,05 %. Механические примеси попадают в масла в процессе их изготовления, хранения и использования. Вода может появляться из-за небрежного хранения или транспортирования масел.
Зольность или коксовое число характеризует количество неорганических примесей при сжигании навески масла, а также склонность к образованию нагара. Высокая зольность является результатом недостаточной очистки масел без присадок, т.е. признаком наличия в них различных солей и несгораемых механических примесей, а также содержания зольных присадок в легированных маслах. Величина зольности составляет 0,002-0,4 % по массе.
Антиокислительная стабильность масел в процессе эксплуатации и хранения представляет одну из важнейших характеристик эксплуатационных свойств. При недостаточной стабильности их происходит быстрое окисление с образованием растворимых и нерастворимых органических кислот, смол, асфальтенов и др. В масле при этом появляются осадки в виде лака и шлама, ухудшающие циркуляцию масла и образующие агрессивные вещества, вызывающие коррозию деталей машин. Срок службы масел при окислении значительно сокращается. Для повышения антиокислительной стабильности используются специальные присадки.
Кроме рассмотренных свойств жидкие смазочные материалы характеризуются цветом, противопенными свойствами, деэмульгирующими свойствами и содержанием активных элементов.