Антифрикционные пластичные смазки и их свойства

Антифрикционные пластичные смазки и их свойства

Курсовая работа

Антифрикционные пластичные смазки и их свойства

Введение

присадка смазка пластичный

Антифрикционные пластичные смазки - один из древнейших видов смазочных материалов. Общее число узлов трения смазываемых пластичными смазками значительно превышает число узлов, смазываемых маслом. Антифрикционные пластичные смазки находят практическое применение в различных узлах трения: подшипниках качения и скольжения, шестеренках и винтовых передачах, резьбовых соединениях и ряде других.

Определение долговечности пластичных смазок в зависимости от их свойств и условий применения позволяет существенно снизить трудовые затраты за счет увеличения срока службы трущихся пар без технического обслуживания, в том числе без замены и пополнения в них смазки.

Смазочными материалами называют продукты ограниченного и неограниченного происхождения, которые вводят между поверхностями сопряженных деталей, находящиеся во фрикционном контакте, с целью уменьшить потери на трение в этом сопряжении, предотвратить заедание и снизить износ пар трения. Это достигается тем, что внутреннее трение в смазочных материалах существенно меньше, чем внешнее трение несмазанных деталей, и исключение (или - во всяком случае - минимизация) непосредственного контакта пар трения приводит к оптимизации фрикционно-износных характеристик сопряжения. Смазочный материал, таким образом, всегда является важнейшим конструкционным элементом узла трения, во многом определяющим его надежность, долговечность и потери энергии при функционировании этого узла.

Действие смазочного материала, в результате которого уменьшается трение контактирующих тел и снижается их износ, называется смазкой. Смазка, при которой осуществляется полное разделение трущихся поверхностей сопряженных деталей жидким или пластичным смазочным материалом, называется жидкостной, а если это разделение осуществляется газом, то газовой смазкой. В этих случаях полностью исключен контакт пар трения. Внешнее трение твердых тел, как таковое, отсутствует, это заменяет много меньшее внутреннее трение смазочной среды, составляющей слой, разделяющий эти тела.

1. Общие сведения о смазках

.1 История использования смазок

Пластичными (консистентными) смазками человечество пользуется уже в течение многих столетий. Первые упоминания о них относятся к четвертому тысячелетию до нашей эры, к тем временам, когда древние египтяне пользовались такой смазкой, чтобы уменьшить трение в колесах боевых колесниц [1]. Первые смазки изготавливались из кальция, смешанного с животным жиром, а иногда с растительными маслами. Такой тип смазки применялся вплоть до 19 века. Затем, в конце 19 века были разработаны первые пластичные смазки на основе минеральных масел, которые стали эффективно применяться для смазки вагонеток в шахтах и промышленных агрегатов, которые, в то время, работали очень медленно. Эта консистентная смазка, которая называлась «брикетом», применялась до середины 20 века и до сих пор применяется в некоторых странах.

В 20 веке, с развитием паровых машин, автомобильного транспорта, промышленных и сельскохозяйственных машин появилась всё более возрастающая потребность в более эффективных смазках. Это привело к появлению пластичных смазок на основе натриевых мыл, алюминия, бария и других. К терминологии мы вернемся немного позже. Появилась широкая гамма смазок, потому что каждая смазка разрабатывалась для выполнения конкретной задачи: смазка для шасси, подшипников, рулевого механизма, для зубчатых колес, для вагонов, конвейеров, вагонеток и т.д. Около 1950 года появление «универсальной» консистентной смазки, загущенной литиевыми мылами, было встречено с известной долей скептицизма. Однако через несколько лет она стала наиболее широко используемой смазкой для автомобилей и промышленных агрегатов. Сегодня литиевая смазка является самой распространенной консистентной смазкой в промышленном мире.

1.2 Классификация пластичных смазок

Смазки классифицируют по составу и назначению в соответствии с различными критериями (таблица 1). Антифрикционные смазки предназначены для снижения трения и износа деталей машин и механизмов - радиальных подшипников, подшипников качения, шарнирных соединений, трансмиссий и других деталей для автомобильной промышленности, железнодорожного транспорта, прокатных станов, пищевой промышленности, авиации.

По температуре использования смазки делят на низкотемпературные, нормальные и высокотемпературные. По диапазону применения смазки подразделяют на многофункциональные, специальные и обычные пластичные.

По типу загустителя смазки подразделяют на мыльные, углеводородные и смазки на неорганических загустителях. Самую большую группу составляют мыльные смазки, которые, в свою очередь, в зависимости от состава загустителя делят на обычные мыльные смазки на комплексных и смешанных мыльных загустителях. По типу катиона молекулы мыла различают смазки кальциевые, натриевые, литиевые, бариевые, алюминиевые и т.п. Классификация по типу катиона особенно понятна, так как важные свойства связаны с катионом: например, температура плавления кальциевых смазок - около 100 градусов, литиевых смазок - около 180 градусов. Пластичные смазки, содержащие смазки и содержащие два или более катионов называют смазками на смешанных мыльных загустителях.

Таблица 1 - Классификация пластичных смазок по консистенции (NLGI, сорта по DIN 51 8181)

В качестве дисперсионной среды применяют синтетические и минеральные масла; многие важные свойства пластичных смазок зависят от масляного компонента [2]. По уровню нагрузки смазки подразделяют на противозадирные и смазки для подшипников, эксплуатируемых в режиме нормальных нагрузок. По деформируемости (по величине пенетрации перемешанной смазки) на основании старой, широко применяемой стандартной классификации пластичные смазки подразделяют с учетом консистентности на сорта NLGI от 000 до 6 (NLGI - национальный институт по пластичным смазкам, США). Эта классификация, подразделяющая смазки на сорта от очень мягких до очень твердых, учитывает только пенетрацию перемешанной смазки при 25 градусах, игнорируя другие реологические параметры.

.3 Производство пластичных смазок

В современных машинах и механизмах существует много подвижных сопряжений, для смазки которых затруднительно использовать масла. Если трудно обеспечить герметичность узла трения, если нерационально непрерывно подавать масло к поверхностям трения, если, конструируя узел трения, стремятся к уменьшению удельного расхода смазочного материала и к увеличению срока смены этого смазочного материала вплоть до одноразовой его закладки в узел трения для обеспечения всего ресурса его работы-то в качестве смазочного материала рационально применить пластичную смазку - густой мазеобразный продукт, который прочно прилипает к рабочим поверхностям элементов узла и хорошо удерживается на них, не сбрасывается инерционными силами при их движении, обеспечивая в то же время полноценное смазывание трущихся поверхностей.

Пластичные смазки не растекаются под действием собственного веса, проявляя при малых нагрузках и невысоких температурах свойства твердого тела, но при нагрузке, превышающей предел прочности, они текут, подобно вязким жидкостям. Однако после снятия нагрузки, пластичная смазка сохраняет приданную ей форму подобно твердому телу. Пластичные смазки не являются ньютоновскими жидкостями.

Производство смазок для машиностроительных заводов, металлургических и сталелитейных комбинатов, горнодобывающей промышленности, а также смазок, применяемых для обслуживания транспортной спецтехники, требует наличия у предприятия глубокой научной базы, проверенных технологий и современного оборудования, позволяющего контролировать процесс изготовления продукта на всех этапах производства. Консистентная смазка - это сложный химический продукт, который, для обеспечения надёжного функционирования механизмов, должен обладать определёнными физическими и химическими свойствами, формирующимися непосредственно в процессе варки и охлаждения смазки.

Производство пластичных смазок различных типов имеет свои особенности. Так, приготовления смазок из готовых загустителей не требует предварительного смешения реагентов: процесс варки немного упрощается и представляет собой механическое диспергирование загустителя в базовом масле. Другой вариант получения продукта - приготовление загустителя in situ, то есть непосредственное смешение реагентов в дисперсионной среде.

Производство пластичных смазок может строиться, опираясь на технологические процессы следующего типа: непрерывные (обычно при выпуске крупных партий смазки), полунепрерывные и периодические (при производстве большого ассортимента, но в малых количествах). Однако различия, в сущности, обусловлены лишь аппаратными модификациями и производственными целями и не влияют на основные этапы физико-химических процессов.

.4 Процессы производства пластичных смазок

Свойства пластичных смазок зависят не только от жирных и карбоновых кислот, катионов металлов и базового масла, концентрации и величины pH мыла (избытка щелочи или кислоты), но также в значительной степени от технологии их производства. В принципе сначала может быть получено мыло и затем растворено в масле при высокой температуре. Во время охлаждения в строго контролируемых условиях мыла кристаллизуются и образуют гелеобразную мыльную решетку. Однако в большинстве случаев жирные кислоты или триглицериды в среде базового масла взаимодействуют с водным раствором щелочи. После омыления реакционную смесь нагревают до образования кристаллической жидкости (как в случае получения литиевых мыльных смазок) или до получения гомогенной жидкости (как в случае производства других мыльных смазок, например натриевых комплексных смазок). При производстве некоторых смазок (например, натриевых максимальная рабочая температура намного ниже температуры, при которой образуются кристаллические системы). Различные максимальные рабочие температуры, даже при применении одного и того же загустителя, могут обеспечить получение смазок с различными свойствами.

В настоящее время большинство пластичных смазок получают с помощью периодических процессов. Для обеспечения постоянства качества продуктов требуется специальная аппаратура. Из-за недостаточной гибкости эксплуатации установки непрерывного действия применяют лишь в редких случаях [7].

Периодические процессы

Стадии производства зависят главным образом от загустителя. Однако масла, присадки и имеющаяся аппаратура также влияют на производство пластичных смазок. Процесс производства простых литиевых смазок состоит из следующих стадий:

диспергирование в масле исходного сырья, подвергаемого омылению или нейтрализации;

введение гидроксидов металлов, суспендированных или растворенных в воде;

нагрев для ускорения реакций омыления и нейтрализации;

дегидратация мыльной дисперсии, путем повышения температуры и долив масла;

кристаллизация полностью или частично растворенного мыла при соответствующем охлаждении;

введение присадок;

гомогенизация с помощью гомогенизатора или без него;

регулирование уровня заданной пенетрации перемешанной смазки - консистенции (если результаты отклоняются от заданной величины, т.е. смазка слишком плотна) вновь добавляют масло и присадки и повторяют гомогенизацию;

фильтрование и в некоторых случаях деаэрация;

временное хранение в резервуарах или расфасовка в мелкую тару;

контроль показателей качества.

Простейшим процессом производства пластичных смазок является их получение в одном нагреваемом открытом варочном аппарате - реакторе, в котором приготовление мыльной основы происходит при атмосферном давлении. Реакция омыления зависит от температуры, концентрации реагентов, интенсивности перемешивания, вида жиров и жирных кислот и катализатора.

В периодическом процессе смазка обычно проходит через несколько реакторов. Мыльный концентрат, как правило, получают в первом реакторе, в котором температура достигает 300 град. В последующих аппаратах концентрат разбавляют, вводят присадки и регулируют консистенцию. Для приготовления мыльного концентрата достаточно небольшого реактора. Одним из преимуществ процесса является возможность дальнейшего формирования структуры смазки в последующих реакторах.

Современные установки по производству пластичных смазок позволяют получать смазки на литиевых, натриевых, бариевых, алюминиевых, смешанных и комплексных мылах, а также немыльные смазки (рисунок 1).

- печь; 2 - емкость для горячего масла; 3 - насосы для подачи горячего масла в нагревательную рубашку; 4 - емкость для взвешивания; 5 - контактор Стратко; 6 - реактор с мешалкой с двойным ходом; 7 - сырьевые насосы; 8 - масляный холодильник нагревательной рубашки; 9 - вакуумный насос; 10 - гомогенизатор-деаэратор

Рисунок 1 - Схема современной установки для периодического производства пластичных смазок

Расчетное количество реагентов загружают в сырьевую емкость и интенсивно перемешивают. Реакционную смесь затем быстро нагревают, обезвоживают, охлаждают, гомогенизируют и деаэрируют. Важными элементами установки являются контактор «Стратко», обеспечивающий быстрый нагрев сырьевых компонентов и хорошее их перемешивание, один или несколько последовательно соединенных реакторов с мешалками, вращающимися в противоположном направлении, гомогенизатор, устройства для деаэрации и устройство для нагрева масла, позволяющее регулировать нагрев и охлаждение масла. Контактор «Стратко» представляет собой реактор с мешалкой, наружной нагревательной мешалкой и теплообменником, установленным внутри реактора. Пропеллер, установленный в нижней части реактора, нагнетает реакционную смесь через пространство между стенками реактора и теплообменника, обеспечивая быстрый нагрев или охлождение смазки. Вместо контактора «Стратко» могут быть использованы реакторы, обогреваемые маслом, паром или даже открытым пламенем.

Непрерывные процессы

В последние годы получили распространение непрерывные процессы изготовления пластичных смазок. Принципиальная технологическая схема установки непрерывного производства смазок показана на рисунке 2. Дозированные количества предварительно приготовленного мыла или жиров и жирных кислот, щелочи и минерального масла при помощи регулируемых дозирующих насосов загружают в реактор. Температуру реакционной смеси поднимают до 150 град при давлении 14,5 кПа. Предварительный подогрев сырьевой смеси облегчает интенсивное перемешивание и диспергирование, обеспечивает хорошую температуру и сокращает время пребывания реакционной смеси в реакторе. Для этой цели используют диспергатор «Ланкастера» или вотатор (нагреватель для жиров). Длительность обработки обычно составляет менее 5 мин.

На второй стадии смазку подвергают обезвоживанию, например обезвоживанию литиевых смазок проводят в вакууме при 190 град. После охлаждения смазки непрерывно измеряют консистенцию, в том числе и на последней стадии, и при необходимости вносят поправки на изменение содержания мыла, длительности обработки и т.п. Процесс может применяться для получения натриевых, кальциевых и литиевых смазок производительностью 1360-1800 кг/ч.

а - реакторная ступень; б - ступень обезвоживания; в-отделочная (заключительная) ступень; I - сырье, щелочь, масло; II - к вакуум - системе; III - присадки, масло; IV - пластичная смазка

Рисунок 2 - Схема установки непрерывного производства пластичных смазок

2. Компоненты и их влияние на свойства пластичных смазок

2.1 Мыла

Простые мыла. На долю пластичных смазок, загущенных простыми мылами, приходится большая часть всех пластичных смазок, выпускаемых в промышленных масштабах. Эти смазки состоят из трех групп компонентов:

- 20% (масс.) мыла, 75 - 96% (масс.) и 0 - 5% (масс.) присадок. Содержание мыла в специальных пластичных смазок может достигать 40% (масс.). Мыла получают из карбоновых кислот или из глицеридов (жиров и масел) и гидроксидов и алкоголятов щелочных или щелочноземельных металлов: они содержатся в пластичных смазках в виде характерных волокнистых структур. Катион и анион мыла определяют важные свойства мыльных пластичных смазок [2].

От катиона мыла зависит загущающая способность, стойкость к воде, температура плавления и, следовательно, температура каплепадения. Чем выше содержание мыла, тем выше консистенция пластичной смазки. Длина цепи жирных кислот влияет на растворимость и поверхностные свойства мыл в масле. Очень длинные, а также короткие цепи жирных кислот отрицательно влияют на загущающую способность мыла. В случае длинноцепочечных жирных кислот это является следствием хорошей растворимости мыл; в случае короткоцепочечных кислот - следствием плохой растворимости мыл в нефтяном масле. Максимальное загущение обычно достигается с помощью жирных кислот с 18 атомами углерода. Разветвленность алкильной цепи в молекуле жирной кислоты снижает температуру плавления мыл и, следовательно, снижает загущающий эффект. С другой стороны, благодаря высокой полярности в зависимости от их положения в молекуле гидроксидные группы повышают температуру плавления и загущающий эффект.

Мыла ненасыщенных жирных кислот лучше растворяются в минеральных маслах и поэтому снижают загущающий эффект и температуру каплепадения. Применение ненасыщенных жирных кислот ограничено из-за их низкой стойкости к окислению. В настоящее время важнейшими являются пластичные смазки, загущенные алюминиевым, бариевым и натриевым мылами, утратили былое значение.

Комплексные мыла. В соответствии с ASTM [3] мыльные кристаллы или мыльные волокна образуются в комплексном мыле в результате совместной кристаллизации двух или более соединений. Мыла металлов на основе высших жирных кислот могут образовывать комплексные мыла с солями металлов, короткоцепочечных органических кислот или с неорганическими солями. В результате этой реакции изменяются типичные параметры смазки, что обычно проявляется в повышении температуры каплепадения.

Пластичные смазки, состоящие из комплексных мыл металлов, синтетических или минеральных масел, получают различными способами. Они представляют собой значительный прогресс в технологии получения пластичных смазок, так как эти смазки лучше, чем обычные смазки отвечают жестким требованиям, особенно в высокотемпературном режиме эксплуатации.

Среди множества теоретически возможных комплексных мыльных смазок особенно важное значение приобрели смазки, загущенные комплексными алюминиевыми, бариевыми, кальциевыми, литиевыми мылами.

2.2 Базовые масла

Минеральные и синтетические масла используют в качестве базовых компонентов для производства пластичных смазок. Они могут составлять
65 - 95% от массы смазки. Для удовлетворения требованиям, предъявленным к смазкам различного назначения, и по экономическим соображениям применяют масла функциональными свойствами. Некоторые свойства пластичных смазок зависят от типа и вязкости базового масла. Увеличение вязкости снижает потери на испарение и улучшает адгезионные и антикоррозионные свойства, снижает шум и улучшает водостойкость. С другой стороны, увеличение вязкости отрицательно влияет на низкотемпературные свойства и подвижность смазок в устройствах централизованной смазки. Влияние пластичных смазок на уплотняющие материалы (набухание, предел прочности на растяжение) в значительной степени зависит от химического состава базового масла. Стойкость к окислению и температура разложения базового масла являются важнейшими факторами, определяющими максимальную рабочую температуру и срок службы пластичных смазок в подшипниках. Синерезис увеличивается в последовательности ароматические <нафтеновые<парафиновые масла, причем вначале он понижается, затем снова увеличивается по мере увеличения вязкости. Вид применяемого масла определяет структурную стабильность, вязкостно-температурные характеристики, загущающую способность, способ приготовления и частично затраты на сырье.

Минеральные масла. Наряду с нафтеновыми маслами для производства пластичных смазок применяют парафиновые и ароматические базовые масла. Получение простых мыльных смазок на базе парафиновых масел связано с известными трудностями. Предпочтительны масла с низкими или средними значениями индекса вязкости, так как для масел с низкими значениями индекса вязкости требуется меньше загустителя. Высокоиндексные парафиновые базовые масла обеспечивают получение пластичных смазок, которые можно использовать в более широком температурном диапазоне, чем смазки на базе нафтеновых масел.

На основе маловязких масел получают смазки с хорошими низкотемпературными свойствами, хорошей подвижностью и низким пределом текучести. Они обеспечивают низкие рабочие температуры в подшипниках скольжения и шарнирных соединениях и низкие равновесные температуры в высокооборотных подшипниках скольжения и качения. Высоковязкие базовые масла пригодны при производстве смазок для малооборотных подшипников и трансмиссий, испытывающие высокие нагрузки и температуры. Они снижают склонность к синерезису и потери масла на испарение и придают смазке хорошие адгезионные свойства и водостойкость.

Синтетические масла. Синтетические масла очень дороги по сравнению с минеральными (таблица 2). Поэтому их применяют для производства пластичных смазок только в тех случаях, когда требуемые смазочные свойства не могут быть обеспечены минеральным маслом [1, 4].

Таблица 2 - Соотношение стоимости синтетических и минеральных масел

Диэфирные масла, полигликолевые эфиры, силоксаны, сложные эфиры фосфорной кислоты, перфтор- и хлорфторалкильные эфиры и углеводороды имеют большое значение для производства пластичных смазок. Эти синтетические масла выпускаются с различной вязкостью, они имеют хорошие вязкостно-температурные и низкотемпературные характеристики. Недостатки масел заключаются в высоких температурах застывания (полифениловые эфиры) или сильной склонности к сползанию с поверхности металла (силоксаны). Специальные пластичные смазки с такими жидкими компонентами составляют 1% общего производства смазок; их применяют главным образом в авиационно-космических объектах.

2.3 Присадки

Присадки улучшают свойства пластичных смазок (структурные, реологические и химические свойства, внешний вид, поведение в режиме граничной смазки). Типичные представители таких присадок приведены в таблицах 3 и 4 [5, 6].

Таблица 3 - Ингибиторы окисления для пластичных смазок

Таблица 4 - Присадки к пластичным смазкам

В качестве модификаторов структуры наиболее широкое применение получили жирные кислоты, избыточная щелочь, вода, глицерол, гликолевые или щелочные сульфонафтенаты. Адгезионные свойства могут быть улучшены введением полимеров, например полиизобутена, смол и т.д. Кроме того, большинство смазок содержат ингибиторы окисления и дезактиваторы металлов.

При введении присадок в пластичные смазки могут протекать реакции с базовым маслом, загустителем или между присадками. Знание механизма реакций позволяет вскрыть возможные антагонистические эффекты присадок. Однако интенсивность и характер этих взаимодействий можно определить только эмпирическим путем. Для пластичных смазок требуются более высокие концентрации присадок, чем для смазочных масел.

3. Факторы, определяющие долговечность смазки в узле трения

Рост оснащенности технологических и иных процессов техническими средствами неизбежно связан с увеличением затрат рабочего времени на их обслуживание. Значительную долю из общего числа затрат составляет затрата времени на операцию «перемазки» узлов трения. При этом неумелое или небрежное обслуживание часто является причиной преждевременного выхода из строя дорогостоящего оборудования, его простоев, нарушения ритмичной работы целых технологических линий и неизбежного при этом материального ущерба. В связи с этим, важнейшей задачей является создание смазок и конструкций, которые не требовали бы ухода и проведения смазочных операций в течение всего срока эксплуатации или свели бы их к минимуму. Таким образом, рациональное решение задачи предполагает сочетание удачной конструкции и достаточно долговечной смазки.

Постольку подшипники качения составляют подавляющее число узлов трения, смазываемых антифрикционными пластичными смазками, рассмотрим области использования смазок, главным образом применительно к этим узлам трения.

При изучении связи между долговечностью узла трения и качеством смазки целесообразно выделить три зоны расположения ее в подшипнике: зону трения (или рабочую зону, зону контакта), зону резерва (или резервную зону) и зону балласта. Соответственно смазку, находящуюся в данный момент в рабочей зоне, будем называть рабочей смазкой, находящуюся в зоне резерва - резервной и в зоне балласта - балластной.

Под рабочей смазкой будем понимать весьма небольшое ее количество, находящееся в зонах трения подшипника между сопряженными поверхностями, несущую полностью или частично нагрузку, приложенную к опоре и выполняющую функции разделения сопряженных поверхностей трения.

Под резервной смазкой в работающем подшипнике будем понимать ту ее часть общего количества, заложенного в подшипниковый узел, которая находится в движении, непрерывно пополняет убыль рабочей смазки и может быть израсходована в зоне трения за время нормальной работы узла.

В процессе работы узла трения имеет место обмен (циркуляция) смазки между зонами трения и резерва. Резервная смазка поступает в рабочую зону и превращается в рабочую смазку. Часть смазки из рабочей зоны при этом возвращается в резервную зону. Постепенно через рабочую зону многократно проходит вся резервная смазка. Скорость циркуляции в настоящее время не исследована. Можно только утверждать, что она зависит только от свойств смазки, конструкции, размеров и частоты вращения подшипника.

К балластной смазке относится вся остальная смазка, находящаяся в подшипнике и подшипниковом узле. Как правило, это часть смазки, несравнимо большая по объему, чем две другие ее составляющие, остается неподвижной на деталях подшипника и подшипниковом узле (сепаратор, кольца, крышки, карманы и др.) и не участвует непосредственно в процессе смазывания. Влияние ее на долговечность подшипников недостаточно выяснено. Представляется вполне вероятным, что количество резервной смазки может быть увеличено за счет повышения количества балластной смазки.

При работе подшипника условия трех перечисленных выше зон, в которых находится смазочный материал, резко различны между собой. В наиболее мягких условиях находится балластная смазка. Поскольку большая часть ее располагается толстым слоем и находится в основном за пределами подшипника, эта смазка подвергается воздействию температуры, сравнительно мало отличающейся от температуры изделия в целом и температуры окружающей газовой среды.

Резервная смазка находится в более жестких условиях: она расположена тонким слоем на сепараторе, в желобе колец, на телах качения. Температура ее близка к температуре подшипника. Эта смазка подвергается интенсивному механическому воздействию со стороны тел качения, испытывает действие центробежных сил, контактирует с потоками газа, омывающими поверхность смазки часто с большой скоростью.

В рабочей зоне смазка подвергается воздействию еще более высоких температур, чем в зоне резерва, что обусловлено наличием горячих точек на поверхности металла и в объемах смазки, находящихся в зоне контакта трущихся поверхностей. Условия пребывания смазки в рабочей зоне характеризуются высоким давлением (МПа), поскольку нагрузка от одного из сопряжений тел к другому передается полностью или частично через слой рабочей смазки. Рабочая зона характеризуется также более высокими градиентами скорости и напряжениями сдвига, а также наличием контакта смазки с ювенальной (не защищенной оксидами) поверхностью металла, которой оказывается каталитическое воздействие на процессы старения смазочных материалов.

Поскольку, как отмечено выше, имеет место циркуляция смазки между рабочей и резервной зонами, вся резервная смазка постепенно оказывается подверженной действию жестких условий рабочей зоны.

Смазочный материал, находящийся в резервной зоне узла трения, не остается неизменным. Он изменяется непрерывно (стареет), постепенно превращаясь из исходного состояния в конечные продукты (твердые и газообразные), не способные выполнять функции смазки. Долговечность смазки в узле трения зависит от скорости расхода (срабатываемости и в частности, от старения) смазочного материала процессе работы в подшипнике, как в зоне резерва, так и в зоне трения. Процессы старения балластной смазки протекают с малыми скоростями и незначительно влияют на долговечность смазки в узле трения.

Опыт показывает, что при ресурсной смазке долговечность подавляющего большинства грамотно спроектированных узлов трения определяется долговечностью смазочного материала. В общем случае долговечность узла трения Д_уз.тр (ч) без пополнения смазочного материала может быть выражена уравнением:

Д_уз.тр = Д_см = К(Q_p/W_см),                                     (1)

где Д_см - долговечность смазки; Q_p - количество резервной смазки; W_см - скорость расхода смазки; К - коэффициент пропорциональности.

Из уравнения следует, что повышения долговечности узла трения с ресурсной смазкой можно достичь как за счет увеличения количества резервной смазки в подшипнике, так и за счет уменьшения скорости ее расхода.

В узлах трения с периодической заменой (пополнением) смазки долговечность подшипника возрастает, как правило, в несколько раз и определяется скоростью износа деталей подшипника и величиной максимально допустимого их износа. Периоды между очередными операциями пополнения (замены) смазки должны быть значительно меньше (не более ¾) долговечности, определяемой уравнением. Это обеспечивает лучшее удаление отработанной смазки из зон трения и резерва, а также более надежную замену ее новой смазкой. При периодах замены, близких к долговечности смазки, в подшипнике накапливаются твердые продукты старения последней, загрязняющие подшипник и затрудняющие его работу. В результате возрастает коэффициент трения, происходит саморазогревание (до высоких температур) деталей подшипника и смазки, увеличивается скорость старения в 2 - 3 раза на каждые 10 градусов повышения температуры узла.

4. Резерв смазочного материала в подшипнике качения

Одно из основных преимуществ пластичных смазок перед маслами - возможность создания значительно большего резерва смазки в подшипнике. Способность пластичных смазок удерживаться во внутренней полости вращающегося подшипника определяется особенностями их реологических свойств и прежде всего наличием предела прочности на сдвиг.

Эффективная вязкость смазки влияет лишь на кинетику процесса ее выброса из подшипника: чем выше вязкость, тем медленнее смазка «сползает» с вращающихся деталей.

Вопрос о количестве резервной пластичной смазки, т.е. о той ее части, которая может быть израсходована в процессе работы подшипника, был выдвинут и исследован [8]. Рассмотрим поведение пластичной смазки в кольцевой зазоре между вращающимся ротором и статором.

Этот случай в первом приближении моделирует подшипник. Если используемый смазочный материал обладает пределом прочности на сдвиг, он не вытекает из кольцевого зазора между статором и ротором через отверстия 5. При вращении ротора (или внутреннего кольца подшипника) в движение вовлекается лишь часть смазки. Поток смазки имеет место только в кольцевом слое, прилегающем к ротору. Толщина слоя подвижной смазки ∆ определяется из уравнения:

∆= рrnз_D/(30 и_пр),                                               (2)

где з_D - вязкость смазки при градиенте скорости сдвига D; и_пр - предел прочности на сдвиг; n - частота вращения ротора; r - радиус ротора.

Из уравнения видно, что количество смазки, вовлекаемой в поток (именно эта часть смазки образует ее резерв в подшипнике), прямо пропорционально отношению вязкости смазки к пределу прочности, частоте вращения ротора и величине его радиуса.

У смазки, находящейся в потоке, целостность структурного каркаса нарушена, ввиду этого она не обладает свойствами твердого тела (но эти свойства мгновенно восстанавливаются при остановке ротора и прекращении взаимного перемещения обломков структурного каркаса смазки).

Исследования распределения смазки и ее резерва показали, что резерв смазки в подшипнике образуется только за счет той ее части, которая вовлечена в поток, т.е. находится в ожиженном состоянии. В представленном упрощенном варианте это - смазка, находящаяся в слое толщиной ∆.

Следует иметь в виду, что желание создать возможность больший резерв смазки в подшипнике, ограничено. Обратимся снова к рисунку 3. Здесь неподвижная смазка подобно тому, как это имеет место в реальном подшипнике, выполняет герметизирующие функции. Слой неподвижной смазки, закрывая отверстия 5 в наружном кольце, препятствует вытеканию резервной (подвижной) смазки. Смазка не может выполнять свои функции по герметизации тогда, когда она во всем пространстве между ротором и статором окажется в состоянии деформации сдвига, т.е. когда смазка в слое, прилегающем к отверстиям 5, перейдет из твердого состояния в жидкое. Как только это случится, она станет вытекать через отверстия в статоре. Потеряются преимущества пластичной смазки перед маслами в способности создавать большой резерв.

В подшипнике качения ввиду сложности конфигурации и потоков в нем смазки, картина намного сложнее. Более полно процессы течения в нем смазки моделирует совокупность роторов и статоров, подобных изображенному на рисунке 3, различающихся радиусами ротора. В такой системе разгерметизация отверстий 5 статоров, вытекание и отрыв смазки от роторов не будут одновременным. По мере повышения частоты вращений роторов такие явления вначале возникнут в элементе с максимальным радиусом ротора, а затем будут последовательно охватывать новые и новые элементы в соответствии с уменьшением радиуса их ротора.

- наружное кольцо (статор); 2 - ротор; 3 - подвижная смазка; 4 - неподвижная смазка;  5 - отверстие в наружном кольце; R - радиус статора; r - радиус ротора; ∆ - толщина слоя подвижной смазки

Рисунок 3 - Схема расположения смазки в кольцевом зазоре между вращающимся ротором и статором

В подшипнике качения не вся смазка вовлекается в поток одновременно, ее ожижение происходит постепенно по мере роста частоты вращения. «Разгерметизация» различных объемов резервной смазки и исключение их из общего потока нарастает постепенно, по мере повышения частоты вращения подшипника.

Для экспериментального количественного исследования резерва смазки в подшипнике предложен стенд PCI, принципиальная схема которого приведена на рисунке 4.

Внутреннее кольцо шарикоподшипника 4 закреплено на валу 3, приводимом во вращение от электродвигателя 1. Наружное кольцо подшипника, нагруженное силой Р, равной 5 кг, удерживается от вращения. Стенд снабжен электропечью 5 для нагрева подшипника, устройство 6 для отбора резервной смазки и системой, обеспечивающей вращение подшипника.

- электродвигатель; 2 - ременная передача; 3 - вал; 4 - радиальный шариковый одшипник; 5 - электропечь; 6 - устройство для сбора смазки; 7 - пружина; 8 - наружное кольцо подшипника; 9 - пробка; 10 - чашка для сбора смазки

Рисунок 4 - Схема стенда PCI для определения резерва смазки в подшипнике качения (а) и устройство для сбора смазки (б)

Наиболее важной характеристикой является количество смазки. Представляет интерес и знание других величин. Валики, например, играют важную роль при удержании смазки от вытекания из подшипника. От размеров, формы и удаленности от середины желоба валиков смазки на наружном кольце во многом зависит количество резервной смазки.

Условия работы подшипника оказывают большое влияние на резерв пластичной смазки в подшипнике. Резерв смазки при постоянной частоте вращения в области сравнительно низких температур мал и медленно нарастает с повышением температуры. Начиная с некоторой температуры, количество резервной смазки нарастает более интенсивно. Одновременно значительно сокращается количество смазки, удерживающейся на сепараторе, и увеличивается ее количество в валиках. При определенной температуре резерв смазки достигает максимума, а при дальнейшем ее повышении резко уменьшается. При этом почти вся смазка перемещается из внутренней полости подшипника за его пределы (выбрасывается в балластную зону) [9].

Частота вращения подшипника также сказывается на количестве резервной смазки в подшипнике. Если проследить это влияние в достаточно широком интервале ее изменения, то при малой частоте вращения резерв оказывается малым. С увеличением частоты вращения резерв сначала возрастает, а по достижении максимума уменьшается.

С точки зрения количества резервной смазки в подшипнике температурная область применения того или иного пластичного смазочного материала не может быть определена однозначно. Она зависит, с одной стороны, от величины центробежных сил, действующих в подшипнике (следовательно, от размера и частоты его вращения) и, с другой стороны, от реологических свойств смазки и их зависимости от температуры.

Совершенно недопустимо переполнять смазкой подшипник с уплотнительными шайбами или расположенный в узле без карманов для сбора смазки, выдавливаемой за пределы подшипника из внутренней его полости. Повышение температуры подшипника за счет потерь на внутреннее трение смазки может оказаться таким значительным, что прирост резерва смазки не может компенсировать ускорение ее старения за счет высокой температуры. Долговечность подшипника может уменьшиться.

Увеличение количества смазки, закладываемой в подшипник, и ее резерва будет сопровождаться ростом долговечности подшипника с ресурсной смазкой до тех пор, пока удовлетворяется следующее уравнение:

Q_p+∆ Q_p/ Q_p≤e∆t,                                                        (3)

где ∆ Q_p - приращение резерва смазки за счет увеличения ее количества, закладываемого в подшипник; e - температурный коэффициент ускорения суммарного процесса старения смазки; ∆t - приращение температуры подшипника, вызванное ростом резерва смазки.

Полезность использования предложенного понятия о резерве смазки в подшипнике и необходимость экспериментальной оценки этого показателя подтверждают стендовые испытания. Большую долговечность имели смазки с большей величиной резерва в подшипнике [10].

Заключение

Поставленная цель моей курсовой выполнена. Проведено изучение важных вопросов о принципах создания пластичных смазок и о влиянии компонентов на их свойства.

Антифрикционные пластичные смазки находят практическое применение в различных узлах трения: подшипниках качения и скольжения, шестеренках и винтовых передачах, резьбовых соединениях и ряде других.

Определение долговечности пластичных смазок в зависимости от их свойств и условий применения позволяет существенно снизить трудовые затраты за счет увеличения срока службы трущихся пар без технического обслуживания, в том числе без замены и пополнения в них смазки.

Полезность использования предложенного понятия о резерве смазки в подшипнике и необходимость экспериментальной оценки этого показателя подтверждают стендовые испытания. Большую долговечность имеют смазки с большей величиной резерва в подшипнике.

Список использованной литературы

1.  A.R. Lange, 3rd Annual NLGI Meeting, Chicago, III. Ost, I (1935).

2.      L. Endom, Erdol Kohle Erdgas Petrochem. Compendium 1974/75 2, 571 (1975).

.        NLGI Glossary, NLGI Spokesman 32, 55 - 60 (1968/69).

.        U.J. Moller, Erdol Kohle Erdgas Petrochem. 23, 667 - 673 (1970).

.        J.L. Dreher, B.W. Hotten, C.F. Carter, NLGI Spokesman 20 (11), 10 (1956/57).

.        C.J. Boner: Modern Lubricating Greases. Chap. 2., 5. and 7, Scientific Publ. Ltd., Brosseley (G.B.) 1976.

.        L.W. Lennann, Inst. Spokesman (Natl. Lubr. Grease Inst.) 8 (1), 4 - 7 (1944); 8 (2), 2 - 4 (1944).

8.      Бонер К.Дж. Производство и применение пластичных смазок /Пер. с англ. А.П. Чочиа/ Под редакцией В.В. Синицына. М.:Гостоптехиздат, 1958. 704 с.; Консистентные смазки /Д.С. Великовский, В.Н. Поддубный, В.В. Вайшток, Б.Д. Готовкин. Ь.: Химияб 1966. 264 с.; Состав и свойствоа консистентных смазок/ ЦНИИТЭнефтехим, 1978. 86 с.; Ищук Ю.Л. Технология пластичных смазок. Киев: Наукова Думка, 1986. 147 с.

.        Синицын В.В. Побор и применение пластичных смазок. 2-у изд., перераб. И доп. М.: Химия, 1974. 416 с.

.        Ищук Ю.Л., Чередниченко Г.И. // Пластичные смазки: Материалы II Всезоюзной научно-технической конференции/ г. Бердянск 1975 г. Киев: Наукова думка. 1975. С. 3 - 6.