6. Експлуатаційні властивості та використання мастильних матеріалів

6.1. Призначення мастильних матеріалів і вимоги до них

Галузі використання та призначення мастильних мате­ріалів дуже широкі. Окрім своєї основної функції – зма­щення тертьових поверхонь машин і механізмів – вони служать робочою рідиною в гідравлічних передачах, ство­рюють електричну ізоляцію в трансформаторах, конден­саторах та масляних вимикачах, знижують вібрацію, шум, забезпечують герметизацію сполукових деталей від про­риву газів, пари, або рідини тощо. Вказані функції можуть успішно протягом необхідного терміну виконуватися мас­лами тільки за умови, що їх якість буде задовольняти експлуатаційним вимогам.

Масла повинні мати:

• оптимальні в'язкісно-температурні властивості для по­легшення запуску машин та механізмів у межах темпера­тур навколишнього середовища, які потребує експлуата­ція; для зниження тертя спрацювання та скорочення вит­рат енергоресурсів;

• добру змащувальну здатність для забезпечення надій­ного змащення на всіх режимах роботи машин та механіз­мів;

• необхідні антиокислювальні властивості, що забезпе­чують мінімальну зміну хімічного складу масла в процесі його роботи;

• добрі миюче-диспергуючі властивості з метою знижен­ня схильності до утворення різноманітного роду відкла­день на нагрітих металевих поверхнях і в системі мащен­ня (лаки, нагари, осади);

• високі протикорозійні властивості по відношенню до конструкційних матеріалів, особливо кольорових металів та сплавів при робочих температурах масла;

• достатні захисні властивості для захисту металевих поверхонь від атмосферної корозії у неробочий період ма­шин та механізмів;

• стійкість до процесів випаровування, спінювання та утворення емульсій.

Крім того, мастильні матеріали не повинні негативно впливати на ущільнюючі матеріали, а також не викликати забруднення навколишнього середовища.

Високі вимоги, що ставлять до якості масел, досягають­ся шляхом вибору необхідної масляної основи (базового масла) та додаванням до неї комплексу присадок.

6.2. Загальні поняття про тертя та спрацьовування

Добре відомою причиною опору відносного руху двох контактуючих тіл є тертя, на подолання якого витрачаєть­ся енергія. Мірою тертя є кількість енергії, розсіяної на одиницю шляху, воно має розмірність сили й чисельно до­рівнює силі тертя.

Тертя виникає в місцях стикання поверхні тіл незалеж­но від того, перебувають вони в русі чи в спокої. Залежно від характеру переміщення тертьових деталей розрізняють:

• тертя спокою,

• тертя руху.

В свою чергу останнє поділя­ють на:

• тертя ковзання — це тертя руху двох твердих тіл, коли швидкості тіл у точках контакту різні за величиною й на­прямом, або за величиною або напрямом (тертя між вкла­дишем підшипника й цапфою, між поршнем та гільзою тощо);

• тертя кочення — це тертя руху двох твердих тіл, коли швидкості тіл у точках дотику однакові за величиною та напрямом (тертя в кулькових та роликових підшипниках).

Іноді обидва види тертя проявляються разом, коли ко­чення супроводжується ковзанням, наприклад у зубчастих передачах.

Залежно від наявності мастильного матеріалу розріз­няють:

• тертя без мастильного матеріалу,

• тертя з мастиль­ним матеріалом.

Особливості тертя без мастильного матеріалу визнача­ються фізичною та хімічною природою поверхонь, що пе­ребувають у контакті. Поверхня деталей різних механізмів не буває ідеально гладкою. Навіть після шліфування на поверхні металу зберігаються нерівності у сотих і навіть десятих долях мікрометра. Незмащена поверхня завжди вкрита адсорбованими на ній поверхневими шарами різно­манітного походження, від яких залежить сила тертя. Роз­різняють внутрішні поверхневі шари, що включають ос­новний матеріал і механічно зміцнений шар, та «зовнішні поверхневі шари», що скла­даються із забруднень, ад­сорбованих газів та оксидів. Склад, структура й товщина різних поверхне­вих шарів окрім якостей основного матеріалу залежать та­кож від підготовки поверхні й від навколишнього середо­вища.

Тертя без мастильного матеріалу має молекулярно-ме­ханічну природу. На площадках фактичного контакту по­верхні діють сили молекулярного притягання, що утворю­ють адгезійні зв'язки. Сили адгезії прямо пропорційні пло­щі фактичного контакту. При прикладанні тангенціальної сили, що викликає відносне ковзання двох тіл, адгезійнї зв'язки руйнуються. Одночасно відбувається деформування поверхневих шарів.

У цьому випадку сила тертя F обумовлена механічною та молекулярною взаємодією:

(6.1)

де а — середня інтенсивність молекулярної складової си­ли тертя;

S_ф — фактична площа контакту;

b — коефіцієнт, що характеризує механічну складову силу тертя;

Р — сила тиску.

Відношення сили тертя до сили тиску являє собою кое­фіцієнт тертя:

(6.2)

Коефіцієнт тертя без мастильного матеріалу орієнто­вано складає 0,10—0,80. Тертя без мастильного матеріалу під час експлуатації машин веде до інтенсивного спрацю­вання, задирання поверхні тертя та заїдання механізму. Виникнення його на змащених поверхнях свідчить про те, що масло на даній ділянці перестало виконувати свої функ­ції.

Наявність масла, що покриває мікрошорсткості поверх­ні, сприяє суттєвому зниженню сил, що втрачаються на подолання адгезійних зв'язків та на взаємну деформацію тертьових поверхонь. Тертя із мастильним матеріалом поділяють на:

• тертя при граничному мащенні,

• тертя при рідинному мащенні,

• тертя при напіврідинному мащенні.

При граничному мащенні поверхні сполукових тіл розділені шаром мастильного матеріалу до 0,1 мкм. При цьо­му якість плівки масла відрізняється від об'ємних якостей мастильного матеріалу. Але коефіцієнт тертя при граничному мащенні залежить не від в'язкості, а від наявності в ньому й ефективності поверхнево-активних речовин. За наявністю таких плівок сила тертя знижується в порів­нянні з тертям без масла в кілька разів, а спрацювання тертьових поверхонь зменшується в сотні разів. Механізм граничного мащення визначається в основ­ному фізикою та хімією поверхні розділу тверде тіло — масло — тверде тіло.

Тертя при рідинному мащенні (рідинне тертя) харак­теризується наявністю між тертьовими поверхнями шару рідкого мастильного матеріалу, що перебуває під тиском.

Закон рідинного тертя базується на гідродинамічній теорії мащення, розробленій російським вченим М. П. Пет­ровим у 1883 р. Згідно цієї теорії сила тертя при рідинно­му мащенні визначається такою залежністю:

(6.3)

де F – сила тертя при рідинному мащенні, Н;

η – динамічна в'язкість, Па·с;

S – площа стикання тертьових тіл, м²;

V – швидкість взаємного переміщення тертьових по­верхонь м/с;

h – товщина масляного шару, м.

Наочне уявлення про умови переходу одного режиму до іншого дає графік залежності коефіцієнта тертя від числа Зоммерфельда (рис. ).

На даній кривій режим тертя при рідинному мащенні ІІІ і граничному мащенні І розділені режимом напіврідинного мащення ІІ, коли наванта­ження сприймається частково плі­вкою рідини, частково контакту­ючими нерівностями поверхонь.

Таке тертя має місце за на­явністю одночасово рідинного та граничного мащення. Даний режим, як правило, реалізується на перехідних режимах ро­боти вузлів тертя.

Будь-яке порушення гідродинамічного режиму мащен­ня створює несприятливі умови для роботи тертьових по­верхонь. Найбільш несприятливим режимом є тертя при граничному мащенні. Воно характеризується мінімальною товщиною масляної плівки, високими значеннями коефіці­єнта тертя (0,08 – 0,15), а також підвищеним спрацюван­ням тертьових пар.

Граничний режим мащення, як правило, реалізується у спряжних деталях механізмів, працюючих в умовах ви­соких питомих навантажень, підвищених температур і по­рівняно низьких швидкостей ковзання (важко навантаже­ні передачі, циліндро-поршнева група в районі верхньої мертвої точки тощо). Найвиразніше граничний режим проявляється в період запуску та зупинки механізмів.

Будь-який вид тертя, як правило супроводжується різ­номанітним за характером спрацьовуванням спряжених деталей. Під спрацьовуванням розуміють процес руйнуван­ня й відділення матеріалу з поверхні твердого тіла, або процес накопичення його залишкової деформації в умовах тертя, що проявляється в поступовій зміні розмірів або форми тіла.

Спрацювання – це результат процесу руйнування, ви­ражений в одиницях довжини, об'єму, маси.

Залежно від режиму й умов розрізняють такі види спра­цьовування:

• водневе,

• абразивне,

• окислювальне,

• внаслідок пластичної деформації,

• корозійне,

• кавітаційне,

• ерозійне,

• корозійно-механічне,

• при схоплюванні та заїданні,

• при фретінг-корозії та ін.

Характер руйнування залежить від видів взаємодіючих пар тертя (метали, полімери, мінерали то­що), типу відносного руху (ковзання, кочення, удар, віб­рація та ін.).

При будь-якому з різних видів відносного руху може діяти один або кілька механізмів спрацьовування. Однак у більшості випадків проявляється основний вид руйнуван­ня, що визначає механізм спрацьовування. Наприклад, при чистому ковзанні пари метал-метал може переважувати абразивне або корозійно-механічне спрацьовування, в той час як при вібрації цієї пари виникає фретінг-корозія, до утворення якої по суті ведуть обидва вказаних механізми спрацьовування.

При роботі тракторів, автомобілів та сільськогосподар­ських машин та знарядь мають місце усі види тертя та спрацьовування. У різноманітних агрегатах та вузлах сіль­ськогосподарської техніки одні види спрацьовування мо­жуть протікати окремо чи разом, один вид може переходи­ти в інший.

Найефективнішим засобом зниження тертя й спрацю­вання є правильний вибір мастильних матеріалів.