Основы теории смазки и смазочные материалы

22. Что такое «Смазка, смазочные материалы, смазывание»?

Смазка — термин, имеющий различные значения: смазывание — режимы трения деталей машин; подача смазочных материалов в узлы трения; смазочные материалы — материалы, облегчающие трение и процессы обработки металлов резанием и давлением; материалы, служащие для защиты поверхностей от коррозии и уплотнения соединений деталей машин.

Смазочные материалы — вещества, используемые для предотвращения задира и заедания, уменьшения и упорядочения износа взаимно перемещающихся поверхностей.

Особые группы смазочных материалов — смазочно-охлаждающие жидкости, например применяемые при обработке металлов резанием; технологические масла, используемые при обработке металлов давлением (ковке, прокатке, волочении и т.п.).

Смазывание — способы подачи смазочных материалов в узлы трения, в результате чего уменьшаются трение и изнашивание поверхностей.

Между трущимися поверхностями создаётся смазочный слой, обеспечивающий минимальное сопротивление тангенциальному сдвигу и достаточно большое сопротивление нормальным нагрузкам. Наиболее благоприятные режимы Смазывания обеспечиваются подбором оптимальных смазочных материалов, подачей их к трущимся поверхностям в необходимых количествах, рациональной конструкцией узлов трения, а также выбором правильной технологии.

23. Поясните «Термины и роль гидрофильности и гидрофобности». Это понятия, характеризующие сродство веществ или образованных ими тел (или поверхностей) к воде. Это сродство обусловлено силами межмолекулярного взаимодействия. Слова "гидрофильный" и "гидрофобный" могут относиться в равной степени к веществу, к поверхности тела и к тонкому (в пределе - толщиной в одну молекулу) слою на границе раздела фаз (тел). Общей мерой гидрофильности служит энергия связи молекул воды с поверхностью тела; её можно определить по теплоте смачивания, если вещество данного тела нерастворимо.

Гидрофильны все вещества, в которых энергия связи молекул воды с поверхностью тела достаточно велика. Особенно резко выражена гидрофильность минералов с ионными кристаллическими решётками (например, карбонатов, силикатов, сульфатов, глин и др.), а также силикатных стекол.

Гидрофобны все вещества, в которых энергия связи молекул воды с поверхностью тела мала. Особенно резко выражена гидрофобность в металлах, лишённых окисных плёнок, органические соединения с преобладанием углеводородных групп в молекуле (например, парафины, жиры, воски, некоторые пластмассы), графит, сера и др.

Гидрофильность и гидрофобность можно оценить по растеканию капли воды на гладкой поверхности тела. На гидрофильной поверхности капля растекается полностью, а на гидрофобной - частично, причём величина угла между поверхностями капли и смачиваемого тела зависит от того, насколько данное тело гидрофобно.

При плохом смачивании пар трения и плохой адгезии смазочный материал подчас стабильно не попадает в зону трения. Не касаясь здесь подробно адгезионной части, отметим, что о характере смачивания твёрдых поверхностей чаще всего судят по углу смачивания q (рис. 1, причём через s с индексами отмечены поверхностные натяжения на границах раздела фаз: «твёрдое тело-жидкость», «жидкость-газ», «твёрдое тело-газ»).

Рис. 1. Характер смачивания жидкостью поверхности твёрдого тела:

а-гидрофильной; б- гидрофобной; 1- твёрдое тело; 2- жидкость; 3- газ

Угол смачивания определяется как угол между касательной к поверхности жидкости в точке ее касания с твёрдым телом, проведённой через слой жидкости. При Ө<π/2 поверхность тела гидрофильна (хорошо смачивается), а при углах Ө>π/2 поверхность гидрофобная (плохо смачиваемая). При малых углах смачивания в капиллярах с гидрофильной поверхностью образуются вогнутые мениски, под которыми в жидкости создается отрицательное избыточное давление (разрежение), поднимающее столб жидкости от действия силы rgh, где r - плотность жидкости; g – ускорение свободного падения, h - высота подъёма.

Повышение гидрофильности называют гидрофилизацией, а понижение — гидрофобизацией. Оба эти явления играют важную роль при обогащении руд методом флотации. В текстильной технологии гидрофилизация тканей (волокон) необходима для успешного крашения, беления, стирки и т.д., а гидрофобизация — для придания тканям водостойкости и непромокаемости (Гидрофобные покрытия).

24. Что такое «Поверхностно-активные вещества (ПАВ)»? Это вещества, адсорбция которых из растворов или газов на поверхность уже при весьма малых концентрациях (десятые и сотые доли %) приводит к резкому снижению поверхностного (межфазного) натяжения. Например, мыла, глицерин и пр.

Типичными ПАВ являются органические соединения дифильного строения, то есть, содержащие в молекуле атомные группы (части), сильно различающиеся по интенсивности взаимодействия с окружающей средой (в наиболее практически важном случае — с водой).

Понятия гидрофильности и гидрофобности применимы не только к телам или их поверхностям, но и к единичным молекулам или отдельным частям молекул.

Так, в молекулах поверхностно-активных веществ различают гидрофильные (полярные) и гидрофобные (неполярные, углеводородные) группы. Гидрофильная часть молекулы ПАВ называется олеофильной, а гидрофобная – липофильной.

Гидрофобная часть (группа атомов) в молекуле ПАВ слабо взаимодействует с водой и определяет стремление молекулы к переходу из водной (полярной) среды в углеводородную (неполярную).

Гидрофильная часть (группа атомов) в молекуле ПАВ, наоборот, удерживают молекулу в водной (полярной) среде или, если молекула ПАВ. находится в углеводородной (неполярную) жидкости, определяют её стремление к переходу в полярную среду.

Таким образом, поверхностная активность ПАВ, растворённых в углеводородных (неполярных) жидкостях, обусловлена гидрофильными группами атомов, а растворённых в воде (полярной) среде — гидрофобными группами атомов.

Гидрофильность поверхности тела может резко измениться в результате адсорбции таких веществ.

ПАВ могут быть твёрдыми, жидкими и газообразными (например, жидкая медь к стали, вода к стеклу, пар к стеклу и др.).

Наибольшее трение покоя будет в том случае, когда на поверхностях пар трения образуются слои с адсорбированными гидрофильными (полярными) молекулами.

Наименьшее трение будет в том случае, когда на поверхностях пар трения образуются слои с адсорбированными гидрофобными (неполярными, углеводородными) молекулами с плоскостями лёгкого скольжения, направленными вдоль действующей внешней силы.

25. Назовите «Основные виды смазочных материалов». Это жидкие масла нефтяные и синтетические, пластичные смазки, твёрдые вещества, газообразные вещества, поверхностно-активные вещества, смазочно-охлаждающие жидкости,гидравлические жидкости.

25.1. Что такое «жидкиенефтяные и синтетические масла» ?.

жидкиенефтяные масла — смеси высокомолекулярных углеводородов, получаемые из нефти и применяемые в основном в качестве смазочных материалов.

жидкиенефтяные масла. разделяются на моторные масла, реактивные масла, трансмиссионные масла, индустриальные масла, цилиндровые масла (для паровых машин).

жидкиесинтетические масла - смеси высокомолекулярных синтетических углеводородов, эфиры (в частности, эфиры фосфорной кислоты), полиорганосилоксаны (Кремнийорганические полимеры), галогениды углерода (Углерода галогениды), полиалкиленгликоли и др.

Синтетические углеводороды получают полимеризацией олефинов (этилена, пропилена и др.) или алкилированием ароматических углеводородов (бензола, ксилола и др.).

25.2. Что такое «пластичные смазки» ?.

Пластичные смазки - консистентные смазки, проявляющие в зависимости от нагрузки свойства жидкости или твёрдого тела.

При малых нагрузках пластичные смазки сохраняют свою форму, не стекают с вертикальных поверхностей и удерживаются в негерметизированных узлах трения.

Пластичные смазки состоят из жидкого масла, твёрдого загустителя, присадок и добавок. Частицы загустителя в составе пластической смазки, имеющие коллоидные размеры, образуют структурный каркас, в ячейках которого удерживается дисперсионная среда (масло). Благодаря этому пластические смазки начинают деформироваться подобно аномально-вязкой жидкости только при нагрузках, превышающих предел прочности пластической смазки (обычно 0,1—2 кн/м², или 1—20 гс/см²). Сразу после прекращения деформирования связи структурного каркаса восстанавливаются и смазка вновь приобретает свойства твёрдого тела. Это позволяет упростить конструкцию и снизить вес узлов трения, предотвращает загрязнение окружающей среды.

Сроки смены пластической смазки больше, чем смазочных материалов. В современных механизмах пластические смазки часто не меняют в течение всего срока их службы. При изготовлении в состав некоторых пластических смазок вводят присадки (антиокислительные, антикоррозионные, противозадирные и др.) или твёрдые добавки (антифрикционные, герметизирующие).

Пластические смазки классифицируют по типу загустителя и по области применения. Наиболее распространены мыльные пластические смазки, загущенные кальциевыми, литиевыми, натриевыми мылами высших жирных кислот. Гидратированные кальциевые пластические смазки (солидолы) работоспособны до 60—80 °С, натриевые до 110 °С, литиевые и комплексные кальциевые до 120—140 °С. На долю углеводородных пластические смазки, загущаемых парафином и церезином, приходится 10—15% всего выпуска пластические смазки Они имеют низкую температуру плавления (50—65 °С) и используются в основном для консервации металлоизделий.

В зависимости от назначения и области применения различают следующие типы пластической смазки:

Антифрикционные, снижающие трение скольжения и уменьшающие износ. Их применяют в подшипниках качения и скольжения, шарнирах, зубчатых и цепных передачах индустриальных механизмов, приборов, транспортных, с.-х. и др. машин.

Консервационные, предотвращающие коррозию металлоизделий. В отличие от др. покрытий (окраска, хромирование) они легко удаляются с трущихся и др. поверхностей при расконсервировании механизма.

Уплотнительные или арматурные (для герметизации прямоточных задвижек, пробковых кранов)

Резьбовые (для предотвращения заедания тяжелонагруженных или высокотемпературных резьбовых пар).

Вакуумные (для герметизации подвижных вакуумных соединений).

25.3. Что такое «твёдые и газообразные вещества» ?.

Твёрдые вещества (графит, дисульфид молибдена, полимеры с наполнителями),

Газообразные вещества (воздух, пары углеводородов, галогенопроизводные метана и др.)

25.4. Что такое «поверхностно-активные вещества» ?.

Поверхностно-активные вещества (мыла, глицерин и пр.) (см. раздел 24)- Это вещества, способные накапливаться (сгущаться) на поверхности соприкосновения двух тел, называемой поверхностью раздела фаз, или межфазной поверхностью и приводить к снижению её свободной энергии,поверхностного натяжения.

25.5. Что такое «смазочно-охлаждающие жидкости» (СОЖ) ?.

Это сложные многокомпонентные системы, предназначенные в основном для смазки и охлаждения металлообрабатывающих инструментов и деталей, что способствует снижению износа инструментов и повышению точности обработанных деталей (в процессе обработки материалов СОЖ выполняют, кроме того, ряд других функций: вымывают абразивную пыль и стружку, защищают обработанные детали, инструмент и оборудование от коррозии, улучшают санитарно-гигиенические условия работы).

В зависимости от состава различают три группы СОЖ.

1) Чистые минеральные масла или масла с противоизносными и противозадирными присадками жиров, органических соединений серы, хлора, фосфора; часто к ним добавляют также антикоррозионные, антиокислительные и антипенные присадки в количестве 5—50%.

2) Водные эмульсии минеральных масел, которые получают на месте потребления разбавлением водой эмульсолов, состоящих из 40—80% минерального масла и 20—60% эмульгаторов, связующих веществ, ингибиторов коррозии, антивспенивателей, бактерицидов.

3) Водные растворы поверхностно-активных веществ (ПАВ) и низкомолекулярных полимеров, которые, аналогично эмульсолам, получают из концентратов, содержащих 40—60% поверхностно-активных веществ, полимеров, ингибиторов коррозии, антивспенивателей, бактерицидов и 40—60% воды.

Концентрация рабочих эмульсий и растворов зависит от условий применения и обычно составляет 2—10%. СОЖ получают компаундированием (смешением) базовой основы с присадками.

В каждом отдельном случае выбор СОЖ определяется видом и режимом обработки, составом и свойствами инструментального и обрабатываемого материалов, требованиями к качеству обработанной поверхности, способом подачи жидкости и др. Масляные СОЖ, благодаря их высоким смазочным свойствам, широко применяют при тяжёлых режимах обработки (низкие скорости, большие глубины резания); водные СОЖ с учётом их охлаждающих свойств используют главным образом для высокоскоростной обработки.

25.6. Что такое «гидравлические жидкости» ?.

Гидравлические жидкости — это жидкости, применяемые в машинах и механизмах для передачи усилий (Гидравлическая передача, Гидравлический двигатель, Гидродинамическая передача и Гидропередача объёмная). Гидравлические жидкости должны обладать высокой стабильностью против окисления, малой вспениваемостью, инертностью к материалам деталей гидросистемы, пологой кривой вязкости, низкой температурой застывания и высокой температурой вспышки. Нефтехимическая промышленность выпускает более 20 сортов минеральных масел, используемых в гидравлических системах

В ряде случаев в качестве гидравлических жидкостей применяют некоторые индустриальные и моторные масла. Большинство гидравлических жидкостей содержит антиокислительные, антипенные и др. присадки.

Гидростатический подшипник — это подшипник скольжения, в котором масляный слой между трущимися поверхностями создаётся путём подвода масла под давлением. Коэффициент трения у гидростатического подшипнико при трогании с места близок к нулю, износ практически отсутствует. В гидростатическом подшипнике устанавливают ответственные медленно вращающиеся валы и роторы большого диаметра.

26. Назовите «Типы присадок к смазочным материалам»

Присадки — это вещества, добавляемые в малых количествах к техническим маслам для повышения их эксплуатационных характеристик. Содержание присадок. в жидких маслах обычно не превышает сотых или десятых долей % по массе (лишь некоторые присадки применяются в концентрациях до 1—2% и более).

Присадки к нефтяным и синтетическим маслам по назначению разделяются на следующие группы:

вязкостные, повышающие вязкость и улучшающие вязкостно-температурные свойства;

депрессорные, понижающие температуру застывания масел;

антиокислительные, предохраняющие масла от окисления кислородом воздуха;

противокоррозионные, снижающие разрушение металла под действием агрессивной среды;

противоизносные и противозадирные, улучшающие смазочные свойства масел;

противопенные; моющие, препятствующие образованию на деталях механизмов твёрдых отложений;

многофункциональные, повышающие сразу несколько эксплуатационных характеристик масла.

В качестве присадок к маслам используются углеводородные и элементоорганические соединения разных типов и классов, в том числе низкомолекулярные поверхностно активные вещества и полимеры.

27. Что такое «Латентный период» граничной смазки по Харди? Это время от момента нанесения смазочного материала на трущиеся поверхности до получения устойчивого значения коэффициента трения, которое может быть от нескольких минут до нескольких часов. Увеличение нагрузки и перемешивание смазки ведут к уменьшению этого периода, а для неполярных молекул латентный период отсутствует. Коэффициент статического трения стали при граничной смазке линейно падает почти до нуля с увеличением молекулярной массы для жирных кислот, спиртов и нормальных парафинов.

28. Что такое «Циркуляционное, ресурсное и одноразовое проточное смазывание»?

Циркуляционное смазывание — это когда смазочный материал после прохождения по поверхности трения вновь подаётся к ней механическим способом;

Ресурсное смазывание — это одноразовое смазывание на ресурс узла перед началом работы;

Одноразовое смазывание — это когда смазка периодически или непрерывно подводится к поверхности трения и не возвращается в смазочную систему.

29. Назовите «Способы подачи смазочного материала к поверхностям трения»

Под давлением, погружением, кольцом (смазка увлекается в зону трения вращающимся валом со свободным или закреплённым на нём кольцом);

Капельное, масляным туманом (при введении смазки в струю воздуха или газа);

Набивкой (обладающей капиллярными свойствами);

Фитильное (как движение масла в лампаде);

Ротапринтное (с нанесением твёрдого смазочного материала, отделяющегося от смазывающего твёрдого тела, прижимаемого к поверхности трения);

Смазывание твёрдым покрытием (когда до начала работы такое покрытие наносится на поверхность трения).

30. Определите понятия «Вязкость, индекс вязкости, консистенция и пьезокоэффициент вязкости».

Вязкость —сопротивление внутреннему трению; это объёмное свойство жидкого, полужидкого или полутвёрдого вещества оказывать сопротивление при течении.

Индекс вязкости (ИВ) — безразмерная величина, характеризующая изменение вязкости масла в зависимости от температуры (высокое значение показывает на незначительное изменение вязкости в зависимости от температуры, и наоборот). ИВ=(V_min-V) 100 / (V_max - V_min), где V- кинематическая вязкость при 40°С масла, индекс которого определяют; V_min - кинематическая вязкость при 40°С масла с ИВ=0, имеющего ту же вязкость при 100°С; v_max - кинематическая вязкость при 40°С эталонного масла с ИВ=100, имеющего ту же вязкость при 100°С.

Консистенция —свойство пластичных смазочных материалов оказывать сопротивление деформации при внешнем воздействии.

Пьезокоэффициент (a) вязкости —характеризует влияние давления на вязкость масла и зависит от химического состава масла и от температуры.

31. Что такое «Динамическая вязкость (η) и кинематическая вязкость (V)»?

Динамическая вязкость (η) — это отношение применяемого напряжения сдвига к градиенту скорости сдвига жидкости (размерность Па×с), то есть мера сопротивления истечению или деформации жидкости. Измерение осуществляют на ротационном вискозиметре в виде двух коаксиальных цилиндров, между которыми находится смазочный материал. Внутренний цилиндр вращается, а наружный удерживается силой, по величине которой и рассчитывают η. Динамическую вязкость рассчитывают по формуле η = vpl0^-3, (МПа×с) где р-плотность (кг/м³) при той же температуре, при которой определялась кинематическая вязкость.

Кинематическая вязкость (V) — этосопротивление жидкости течению под действием гравитации (мм /с). При этом V = Ct. где С- калибровочная постоянная вискозиметра, (мм²/с); t- среднее арифметическое значение времени истечения, с. Масла относятся к ньютоновским жидкостям (истинно вязким), для которых отношение касательного напряжения к градиенту скорости постоянно, то есть когда вязкость не зависит от касательного напряжения и градиента скорости.