Топливо, смазочные материалы и охлаждающие жидкости

Раздел: Техника

Классификация

Особое значение приобрели смазочные материалы с появлением паровых машин, а позднее — двигателей внутреннего сгорания. Это объясняется тем, что в тепловых машинах к механическим нагрузкам прибавилась тепловая напряженность узлов трения, вызванная не только их естественным нагревом, но и высокой температурой используемого в них рабочего тела. И если температура пара даже в самых совершенных паровых машинах достигала на входе в цилиндр максимум 230—280 °С, то температура газов в двигателях внутреннего сгорания оказалась значительно выше- (2100—2400 °С).

Кроме того, непрерывно возрастала и механическая напряжен- ность таких узлов, как механизм газораспределения, коренные и шатунные подшипники. Поэтому к основному назначению смазочных материалов уменьшать трение добавилось еще одно — быть средой для охлаждения, т. е. отвода тепла из узла трения.

Классифицируют смазочные материалы так же, как и топлива! по агрегатному состоянию, по роду исходного сырья, способу получения и по целевому назначению.

По агрегатному состоянию смазочные материалы различают: жидкие, называемые маслами; пластичные, называемые смазками, и твердые или сухие.

По роду исходного сырья: нефтяные (минеральные), животные, растительные и синтетические.

В свою очередь, нефтяные масла делят на дистиллятные и остаточные.

Перечень масел по целевому назначению очень обширен. В стандартных и технических условиях по этому признаку различают масла:

моторные (для различных двигателей внутреннего сгорания), трансмиссионные и осевые, индустриальные, турбинные, компрессорные, электроизоляционные, приборные и технологические.

Для специалистов в области двигателестроения особый интерес представляют моторные масла.

Моторные масла в зависимости от типа двигателей разделяются на масла для карбюраторных двигателей и дизелей.

Эта классификация и маркировка моторных масел (ГОСТ 17479—72) распространяется на моторные масла, предназначенные для всех поршневых двигателей (кроме авиационных).

Основные сведения о трении

Наука о трении в настоящее время получила фундаментальное развитие к имеет огромное научное и народнохозяйственное значение. Известно, что 30 % производимой в мире энергии теряется на преодоление сил трения. Эти потери принято оценивать механическим КПД, который представляет собой отношение эффективных показателей двигателя к индикаторным

Потери на трение в двигателе зависят от многих причин и в значительной степени от вязкости применяемого моторного масла. В общем эти потери на полной нагрузке двигателя составляют до 20 %, а иногда и более. Чем меньше нагрузка двигателя, тем больше относительная величина этих потерь, а на холостом ходу вся индикаторная мощность двигателя расходуется только на преодоление сил трения.

По своей природе трение может быть без смазочного материала, т. е, такое трение двух поверхностей, между которыми нет не только специально введенного смазочного материала» но нет и других каких-либо веществ, например, влаги, окис- ных пленок, случайных загрязнений или даже мономолекулярных слоев газа (например, воздуха).

 Тем более нельзя назвать трением без смазочного материала, если используются тепли иные сухие смазывающие материалы (например, графит, дисульфид молибдена и т. д.).

Трение может быть также граничным, когда трущиеся поверхности разделены смазкой, но ее слой очень тонкий — соизмеримый с размерами молекул масла, и жидкостным, когда между деталями расположен слой масла, определяемый зазорами между деталями.

В двигателе существуют два вида трения.

Жидкостное трение наблюдается в коренных, шатуьных и других подшипниках двигателя. Граничное трение возникает в цилиндропоршневой группе, чередуясь с жидкостным трением. Трение без смазочного материала в двигателе наблюдается только при нарушении граничного и всегда сопровождается повреждением детален: задиром, выкрашиванием, интенсивным изнашиванием. В реальных условиях граничное трение переходит в жидкостное и обратнс. Все зависит от величинье- нагрузок, вязкости и поверхностной активности масла, т. е. прочности его масляной пленки. С повышением температуры вязкость и маслянистость уменьшаются, и вероятность возникновения трения без смазочного материала возрастает. Причем оно возникает не по всей поверхности, а местами, где наибольшая высота микро- неровностей, которые всегда имеются на трущихся деталях.

Комплексное влияние вязкости, скорости и нагруз:;и на коэффициент трения, которые выражают всю совокупность взаимодействия двух смазанных и скользящих относительно друг друга тел, дает график, приведенный па  16. На графике- имеется три зоны. Зона / — жидкостное (гидродинамическое) трение — наблюдается в нормально работающих цилиндрических или плоских подшипниках (например, в коренных и шатунных подшипниках двигателей, в крейцкоифных механизмах, опорных подшипниках и т. д.). Характерной особенностью этой зоны является полное разделение трущихся деталей масляной пленкой, причем ее толщина значительно больше неровностей поверхности тел. Трение прч этом обусловлено только вязкостью смазывающего материала, а режим работы подшипника полностью определяется гидродинамикой жидкости. Механического, г. с. обусловленного соприкосновением деталей, изнашивания в этом случае нет (кроме жидкостной эрозии, усталостного и кавитационного износа).

При изменении условий работы системы тело—МЕСЛО—тело (например, при уменьшении скорости v относительного скольжения, вязсости масла т] или при увеличении нормальной нагрузки) зазор между телами начвнает уменьшаться, и когда выступы микронеровностей станут задевать друг друга, наступит режим граничной смазки (зона //), в котором существенную роль начинают играть поверхностно- активные свойства смазочного материала, т. е. его маслянистость. В этом режиме сопротивление, вызываемое трением, обусловлено процессами сдвига масляной пленки и непосредственным контактом (взаимодействием) неровностей. И чем меньше становится зазор, тем большее значение приобретает маслянистость масла, обусловленная поверхностно-активными молекулами, образующими мономолекулярпый слой смазывающего материала (зона III).

Рассмотрим более подробно механизм жидкостного (гидродинамического) режима, характерного для самых напряженных подшипников двигателя — шатунных и коренных ( 17). При неработающем двигателе коленчатый вал своей массой выдавливает масло из зазоров между шейками и вкладышами и ложится на нижнюю их поверхность. Их разделяет тончайшая пленка масла, прочность и толщина которой зависят от полярной активности молекул, входящих в масло.

При пуске двигателя вал начинает вращаться и увлекает за собой масло, которое, проходя через узкий зазор между вкладышами и валом, создает давление, под действием которого вал приподнимается. Когда двигатель начинает работать и частота вращения вала увеличивается, возрастает давление в нижней половине зазора до узкого сечения, заставляя вал «всплыть» на слое масла, несмотря на возросшие газовые силы и силы инерции. Пройдя узкое сечение зазора, масло попадает в его расширяющуюся часть, и давление в зазоре резко падает. Такое представление о работе цилиндрического подшипника подтверждено и теоретически и экспериментально и считается общепринятым.

Характерной особенностью работы подшипника в гидродинамическом режиме явпяется способность системы вал—масло—подшипник к саморегулированию. Этот процесс происходит следующим образом. В результате повышения частоты вращения увеличивается выделение теплоты и, как следствие этого, растет температура масла, С увеличением температуры уменьшаются вязкость масла и внутреннее трение в слое, и температура стабилизируется на каком-то определенном уровне.

В реальных условиях процесс автоматического регулирования не всегда происходит в полной мере, так как через подшипник для его охлаждения непрерывно прокачивается большое количество масла. Поэтому температурный режим подшипника управляем и зависит от конструкций двигателя и его смазочной системы, т, е. подачи масляного насоса, наличия масляного радиатора, его эффективности и ряда других факторов.

Таким образом, жидкостное (гидродинамическое) трение зависит от процессов внутреннего трения в смазочном масле, т. е. от его вязкости.

Граничное трение зависит как от свойств трущихся поверхностей, так и от свойств смазочных материалов и, в первую очередь, от прочности масляной пленки, т, е. от полярной активности молекул смазочного материала.

Трение без смазочного материала наблюдается в том случае, если поверхности трущихся деталей соприкасаются между собой и между ними нет не только смазывающих м?териглов, но и других тел или сред.

Каждый из трех видов трения различно влияет на сопряженные детали.

Жидкостное трение оказывает минимальное влияние на изнашивание деталей, так как их взаимодействие происходит при наличии слоя смазочного материала, причем толщина этого слоя полностью исключает соприкосновение, а следовательно, и взаимное разрушение поверхностей трущихся деталей. Коэффициент трения -в этом случае зависит только от вязкости жидкости и обычно в условиях двигателей изменяется в пределах 0,002—0,01.

Граничное трение—трение на границе опасного сближения трущихся деталей. Разделяющая детали тонкая, соизмеримая с размерами молекул пленка не выравнивает микронеровности поверхностей, и риск непосредственного контакта зависит только от прочности этой пленки и прочности соединения ее с металлом трущихся деталей.

Трение без смазочного материала в подвижных механизмах приводит к интенсивному изнашиванию, задиру поверхностей трения и заеданию механизма и поэтому недопустимо.