CC BY
275
285
Общетехнические и социальные проблемы Библиографический список
1. Недекларированные возможности в программном обеспечении средств
защиты информации / И. А. Колайда. -
http://www.jetinfo.ru/2000/8/3/article3.8.2000.html.
2. Системы баз данных. Полный курс / Гарсиа-Молина Г., Ульман Дж., Уидом Дж.; пер. с англ. - М. : Вильямс, 2004. - 1088 с. - ISBN 5-8459-0384-X.
3. Обеспечение качества программных средств. Методы и стандарты / В. В. Липаев. - М. : СИНТЕГ, 2001. - 380 с. - ISBN 5-89638-044-5.
4. Базы данных. Проектирование, реализация и сопровождение. Теория и практика / Т. Коннолли, К. Бегг, А. Страчан. - М. : Вильямс, 2000. - 1111 с. - ISBN 5-8459-0109-X.
5. Microsoft ® SQL Server 2000 / Е. В. Мамаев. - СПб. : БХВ-Петербург, 2004. -1280 с. - ISBN 5-94157-025-2.
6. Начала науки о программах / М. Х. Холстед. - М. : Финансы и статистика, 1981. - 128 с.
7. Анализ программного обеспечения с использованием объектноориентированных метрик. Обзор метрик / В. Ю. Романов. http://master.cmc.msu.ru/romanov/russian/pub/OOMetrics-Report.htm.
8. Формальная спецификация программ на языке RSL / Е. А. Кузьменкова. - М. : МГУ, 2001. - 107 с. - ISBN 5-89407-104-6.
УДК 621.892.09 Е. В. Самойлова
ПРИСАДКИ И СПОСОБЫ СМАЗЫВАНИЯ ПАР ТРЕНИЯ
Рассмотрены компаундированные (легированные) масла, схема компаундирования масел, модификаторы вязкости, депрессанты, действие присадок, их классификация, а также способы смазывания пар трения.
смазочные материалы, присадки, пары трения, способы смазывания.
Введение
Существуют две полярные точки зрения. В соответствии с одной из них предлагается внедрять смазочные материалы по следующим причинам:
во-первых, применение смазочных материалов обычно существенно уменьшает коэффициенты и силы трения в подвижных сопряжениях;
во-вторых, в зоне трения при наличии смазки снижается температура, что позволяет осуществлять более длительную и надёжную эксплуатацию механической системы, которая не будет подвержена частым отказам по
ISSN 1815-588 X. Известия ПГУПС 2008/1
Общетехнические и социальные проблемы
причинам быстрого достижения предельных допусков на износ для разных деталей;
в-третьих, уменьшение износа в зоне трения и часто - шума работы механизма или машины также является положительным фактором применения смазок.
С другой точки зрения, следует не использовать масла, а разрабатывать самосмазывающиеся материалы, так как утечка смазки или распыление смазочного материала в процессе работы загрязняет окружающую среду, ухудшая экологию почвы, воды и воздушного бассейна.
Смазочные материалы обычно представляют собой трехкомпонентную коллоидную систему, состоящую из базового масла (дисперсионной среды), загустителя (дисперсной фазы) и модификаторов -малорастворимых присадок, наполнителей и др. Присадки улучшают функциональные свойства смазочного материала.
В данной работе рассматриваются способы смазывания пар трения и присадки.
1 Компаундированные (легированные) масла
Усовершенствование технологии производства масла применением эффективных процессов очистки, осуществлением молекулярной конверсии молекул нефти, синтезом новых масел позволяет существенно изменить некоторые эксплуатационные параметры. Весьма значительно свойства масел могут быть улучшены добавлением в базовое масло присадок. Масло, содержащее присадки, называется компаундированным или легированным маслом. С помощью варьирования состава компонентов базового масла и композиций присадок разработчики смазочных материалов могут создать масла, отвечающие разнообразным требованиям производителей механизмов и оборудования, а также формировать широкий ассортимент смазочных материалов с дифференцированными свойствами для решения многообразных, иногда весьма специфических и даже противоречивых задач смазывания двигателей и агрегатов трансмиссии.
Присадки - синтетические химические соединения, вводимые в базовое масло для улучшения свойств в периоды эксплуатации и хранения [1]. Почти все присадки, как одиночные, так и пакеты, поставляются на маслосмесительные заводы в виде растворов присадок в масле, содержащих около 50% активного вещества. В рецептурах указывается не содержание чистой присадки, а количество товарного продукта присадки, то есть его раствора. При анализе готовых или работающих масел определяется расходование присадок и рассчитывается содержание активных элементов присадок.
ISSN 1815-588 X. Известия ПГУПС 2008/1
Общетехнические и социальные проблемы
287
Некоторые присадки влияют на физические свойства базовых масел, а другие производят химический эффект. Они могут дополнять друг друга, что создаёт синергетический эффект, но могут вызывать и антагонистический эффект. Обычно выпускают многофункциональные присадки. На рынок поступают в основном композиции присадок -пакеты. Это пакеты строго определённого состава, предназначенные для масла конкретного назначения и класса качества.
Разработка состава пакета, в котором была бы достигнута полная совместимость и синергетическое взаимодействие отдельных присадок, -процесс трудоёмкий. Схема компаундирования масел показана на рисунке 1.
2 Действие присадок
Присадки могут:
ISSN 1815-588 X. Известия ПГУПС 2008/1
Общетехнические и социальные проблемы
• придать маслу новые свойства (образование на трущихся поверхностях деталей хемосорбционной сульфидной или фосфидной пленки, предотвращающей износ);
• улучшить имеющиеся свойства масла (уменьшить вязкостнотемпературную зависимость, понизить температуру застывания);
• замедлить или остановить нежелательные процессы, происходящие при эксплуатации масла (замедлить окисление, образование шлама, коррозию металла).
Эффективность действия присадок обусловливается их химическими свойствами и концентрацией в смазочных материалах, а также приемистостью последних к добавкам, так как некоторые присадки более активны для одних базовых масел, чем для других [2].
Присадки должны:
• хорошо растворяться в масле;
• обладать малой летучестью и не испаряться из масла при хранении и эксплуатации в широком диапазоне температур;
• не вымываться водой и не подвергаться гидролизу;
• не взаимодействовать с контактирующими поверхностями материалов;
• сохранять свои функции в присутствии иных добавок и не оказывать на них депрессивного действия.
3 Классификация присадок по функциональному действию
По главному назначению (определяющему свойству) присадки условно объединяют в несколько групп [2].
1. Вязкостные присадки, которые улучшают индекс вязкости и другие свойства (модификаторы индекса вязкости, депрессанты).
2. Присадки, улучшающие смазочные свойства (модификаторы трения, антифрикционные, фрикционные, противоизносные, противозадирные, повышающие липкость, антипиттинговые, металлоплакирующие и др.).
3. Антиокислительные присадки, уменьшающие расход масла и увеличивающие ресурс работы масла (антиоксиданты).
4. Антикоррозионные присадки (ингибиторы коррозии).
5. Моющие присадки (детергенты).
6. Другие присадки (противопенные и др.).
3.1 Вязкостные присадки
Всесезонные масла должны иметь низкую зависимость вязкости от температуры, т. е. масло должно быть достаточно текучим при низкой температуре и достаточно вязким - при высокой. Это достигается путем
ISSN 1815-588 X. Известия ПГУПС 2008/1
Общетехнические и социальные проблемы
289
введения вязкостных присадок - полимерных загустителей. При низкой температуре, когда масло вязкое, молекулы полимера находятся, как и в плохом растворителе, в скрученном виде и мало влияют на вязкость. С повышением температуры их растворимость повышается, они раскручиваются и повышают вязкость масла (рис. 2). Таким образом подавляется зависимость вязкости масла от температуры (повышается индекс вязкости).
Рис. 2. Полимерные молекулы модификатора вязкости в холодном и горячем масле с учетом уровня температуры
Присадки с такими свойствами называются улучшающими индекс вязкости, однако в иностранной литературе чаще употребляют термин модификатор вязкости. В качестве модификаторов вязкости применяются полимеры и сополимеры - полиизобутилен, полиметакрилаты, сополимеры олефинов (этилена, пропилена, бутилена), гидрированный полиизопрен и др.
При значительном понижении температуры смазочного масла из него начинают выпадать парафиновые кристаллы в виде игл и пластин с образованием пространственной кристаллической решетки, что приводит к потере подвижности масла (желатинизации) и затрудняет низкотемпературный запуск двигателя. Низкотемпературная текучесть таких масел может быть улучшена глубокой депарафинизацией, однако это приводит к повышению затрат при производстве. Поэтому масла депарафинируют лишь частично до температуры застывания порядка минус 15 °С. Дальнейшее понижение температуры застывания достигается введением депрессорных присадок, которые в состоянии понизить температуру желатинизации (застывания) еще на 20-30 °С путем подавления срастания кристаллов парафина, при этом они не предотвращают появления этих кристаллов.
В качестве депрессорных присадок применяются алкилнафталины, алкилфенолы и другие полимерные продукты.
Концентрация депрессантов обычно 0,05...1,00 %.
ISSN 1815-588 X. Известия ПГУПС 2008/1
ЕЙЙцетехнические и социальные проблемы
3.2 Присадки, улучшающие смазывающие свойства
Действие этих присадок обусловлено образованием на трущихся металлических поверхностях различных по химическому составу защитных пленок.
По принципу действия противоизносные присадки делят на три группы:
• противоизносные присадки, увеличивающие липкость и смазываемость (в эту группу входят и модификаторы трения);
• противозадирные присадки;
• твердые противоизносные и противозадирные присадки.
При нормальном смазывании из-за взаимодействия полярных групп молекул масла с поверхностью металла на поверхностях трения образуется адсорбированная пленка масла. При граничном смазывании сила трения и износ в значительной степени зависят от стойкости этой пленки и силы взаимодействия молекул масла с поверхностью металла, т. е. от смазывающей способности и липкости масла.
Для уменьшения износа и увеличения липкости в масло вводятся противоизносные присадки - жирные спирты, амиды, сложные эфиры, соединения фосфора и др., образующие химическую связь с поверхностью металла. При помощи таких присадок улучшается липкость даже при низкой вязкости масла.
Модификаторы трения регулируют фрикционные свойства, в частности коэффициент трения смазываемых поверхностей. Иногда такого типа компоненты должны предотвращать проскальзывание. В таких случаях присадки должны повышать коэффициенты трения.
Модификаторы, понижающие трение, служат для снижения потерь на трение в двигателе, тем самым и для снижения расхода топлива. Применение таких присадок обеспечивает получение «энергосберегающих» масел («Fuel Economy oils», API SJ/EC, API SH/EC, API SH/ECII, ILSAC GF-1, ILSAC GF-2 и ILSAC GF-3).
Модификаторы, повышающие трение, одновременно понижают возможность возникновения шума и вибраций вследствие скольжения со скачками коэффициента трения, характерного в мощных узлах трансмиссий с тормозами мокрого типа. Эти присадки добавляются в масла для гидромеханических передач, автоматических коробок передач, дифференциалов повышенного трения и др.
Адсорбционная пленка может разрушаться в результате высокой нагрузки и возникающего нагрева контактирующих поверхностей металла (более 150...190 °С). Вследствие этого трение и нагрев поверхности металла повышаются еще больше, вплоть до сваривания, заедания, слипания деталей. Сваривание может быть подавлено присадками, содержащими соединения серы, фосфора, хлора и др., которые в местах
ISSN 1815-588 X. Известия ПГУПС 2008/1
Общетехнические и социальные проблемы
291
наивысшего трения и высоких температур разлагаются с выделением соответствующих активных элементов, реагирующих с металлом и образующих сульфидную, фосфидную, хлоридную твердую хемосорбционную пленку - твердую смазку. Такая пленка является значительно более стойкой, чем адсорбционная, и может защитить поверхности трения от износа в условиях большой нагрузки и высокой температуры. Поэтому присадки, образующие твердую хемосорбционную пленку, называются разделяющими противозадирными присадками или присадками высокой предельной нагрузки (extreme pressure additives - ЕР).
Так как активные элементы выделяются из присадок и реагируют с металлом только на выступах поверхности, в местах соприкосновения, то имеет место процесс выравнивания и полировки. Таким образом, противозадирные присадки одновременно являются разглаживающими и полирующими присадками.
Твердые противозадирные присадки - в виде дисульфида молибдена, политетрафторэтилена (фторопласт, «тефлон», ПТФЭ) и графита в масле имеют коллоидную структуру, а на поверхности трущихся деталей образуют твердую и прочную противоизносную и противозадирную пленку. Их критическая рабочая температура выше, чем других антифрикционных присадок. Уменьшение трения достигается за счет легкого скольжения слоистой присадки. Такие твердые присадки добавляются в основном для улучшения смазывающих свойств пластичных смазок.
3.3 Антикоррозионные присадки
Продукты коррозии металлов в масле при попадании на поверхности трения способствуют увеличению износа деталей. Поэтому присадки, подавляющие коррозию, выполняют одновременно функцию противоизносных присадок.
Антикоррозионные присадки, или ингибиторы коррозии, действуют следующим образом:
• нейтрализуют кислоты, образованные при окислении масла или при сгорании сернистого топлива. Для этой цели используются соединения, обладающие щелочными (основными) свойствами;
• образуют защитную адсорбционную или хемосорбционную плёнку, препятствующую реакции кислот с поверхностью металла. Для этого применяют соединения некоторых органических соединений серы, фосфора и азота. Соединения серы, особенно дисульфиды и полисульфиды, могут быть использованы в качестве противозадирных и противоизносных присадок;
• связывают влагу, без которой коррозия невозможна.
ISSN 1815-588 X. Известия ПГУПС 2008/1
Общетехнические и социальные проблемы
Ингибиторы коррозии защищают поверхность вкладышей подшипников и других деталей из цветных металлов от коррозии и коррозионного износа, вызываемых органическими кислотами. Механизм защиты -образование защитной пленки и нейтрализация кислот. Для этих целей применяются диалкилдитиофосфат цинка, другие соединения серы и фосфора, присадки, отличающиеся также противозадирными свойствами.
Присадки против ржавления защищают стальные или чугунные стенки цилиндров, поршни и поршневые кольца от ржавления при воздействии водного раствора кислоты. Механизм защиты - образование сильно адсорбированной защитной пленки, предохраняющей поверхность металла от непосредственного контакта с водным раствором кислоты. Для этой цели применяются аминосукцинаты и сульфонаты щелочных металлов, в основном сильные поверхностно-активные вещества (ПАВ) -детергенты.
3.4 Антиокислительные присадки
В условиях эксплуатации - при высокой температуре и под воздействием кислорода воздуха - происходит интенсивное окисление углеводородных соединений масла, в результате которого ухудшаются его смазывающие и другие функциональные свойства. Ресурс присадок расходуется, и масло подлежит замене. Антиокислительные присадки продлевают срок службы масла.
Антиокислительные присадки называются ингибиторами окисления / коррозии и подавляют окисление масла в начальной стадии путём взаимодействия с первичными продуктами реакции окисления -перекисями - с образованием неактивных соединений.
Каталитическое действие ионов металлов на окисление масла подавляется соединениями другой группы антиокислительных присадок -деактиваторами металлов. В качестве деактиваторов применяются органические соединения (этилендиамины, органические кислоты), связывающие ионы металлов в неактивные комплексы.
3.5 Моющие присадки
Моющие присадки являются поверхностно-активными веществами (ПАВ), которые предотвращают агломерацию (слипание) нерастворимых продуктов окисления с последующим их отложением на деталях двигателя. Моющие присадки по своему действию делят на детергенты и дисперсанты.
Детергенты являются поверхностно-активными веществами, обладающими моющими свойствами, защищающими поверхность деталей от прилипания и скопления на них продуктов окисления. По щелочности,
ISSN 1815-588 X. Известия ПГУПС 2008/1
Общетехнические и социальные проблемы
293
которая характеризует эффективность присадок, сульфонаты делятся на нейтральные (10-30 мг КОН/г), щелочные (30-100 мг КОН/г) и очень щелочные (100-300 мг КОН/г). Щелочные присадки необходимы в маслах для дизелей с целью нейтрализации серной кислоты, которая образуется при сгорании сернистого дизельного топлива.
Сульфонаты, фосфонаты и другие детергенты являются солями металлов, поэтому при сгорании они образуют заметное количество золы. Такие присадки называют высокозольными. В настоящее время наряду с этими применяются также новые органические синтетические детергенты, которые при сгорании не образуют золы. Они называются малозольными (или беззольными) присадками.
3.6 Дополнительные присадки
Пенообразование срывает нормальную работу системы смазки: смазывание трущихся поверхностей становится недостаточным из-за разрывов масляной пленки, ухудшается работа гидравлических систем, ускоряется процесс окисления масла в присутствии кислорода воздуха. Пенообразованию способствует интенсивное перемешивание масла. Вязкие масла являются более склонными к пенообразованию, особенно при низких температурах и в присутствии влаги. В составе противопенных присадок обычно содержатся силиконовые масла - полиалкилсилоксаны и некоторые другие полимеры. Силиконовые масла разрушают стенки крупных пузырей, а полимеры - уменьшают количество мелких пузырей.
4 Способы смазывания пар трения
При смазывании пар трения, как правило, используются следующие основные схемы:
1. предварительное нанесение твердого смазочного слоя;
2. метод непрерывного окунания нижней части шестерни в масляную ванну;
3. непрерывное поливание колеса сверху в виде непрерывной струи;
4. использование масляного тумана или смазывание за счет рикошета;
5. применение капельной схемы подачи смазки [1].
Основные недостатки указанных способов: вытеснение смазочного материала из зоны контакта в связи с высокими удельными нагрузками, вспенивание и разбрызгивание масла, преждевременная (задолго до контакта) смазка зубьев, перерасход смазочного материала, невозможность исключения режима сухого трения, ведущего к повышенному износу зубьев и увеличивающему вероятность схватывания. В связи с этим возникает необходимость конструктивного решения, позволяющего
ISSN 1815-588 X. Известия ПГУПС 2008/1
Общетехнические и социальные проблемы
избежать подобных проблем, предпочтительно на основании капельной схемы, как имеющей наименьшее количество недостатков. Среди последних наиболее существенным является невозможность подачи смазки на нижние, обычно наиболее нагруженные зубья, при вертикальном расположении колеса, которое наблюдается в большинстве транспортных систем.
Предлагаемая схема основана на принципе, аналогичном действию песочных часов: при вертикальном расположении канала, соединяющего смазочный резервуар с зоной зацепления, идёт подача смазки, при горизонтальном - подача блокируется (рис. 3). Причем смазочное вещество начнет поступать в зону контакта в момент, непосредственно предшествующий зацеплению, наиболее интенсивно подается в начальный момент зацепления, сразу после чего подача начинает сокращаться и вскоре прекращается полностью. Каналы выполняются произвольной формы, но оборудуются штуцером, к которому подключен резервуар с жидким смазочным материалом, располагающийся на торце колеса.
К достоинствам этого метода, кроме положительных свойств, присущих обычным способам смазки, следует отнести строгую дозировку подачи смазочного материала варьированием диаметра смазочного канала, а также взаимным расположением выходного отверстия смазочного резервуара и входного отверстия шланга.
Рис. 3. Принципиальная схема рациональной подачи смазки:
1 - колесо; 2 - подводящие каналы; 3 - смазочные емкости
Заключение
Анализ научно-технических публикаций по рассматриваемым вопросам и собственные наблюдения позволили сделать выводы.
Наиболее часто встречаются следующие способы смазывания пар трения: предварительное нанесение твердого смазочного слоя, метод окунания нижней части шестерни в масляную ванну, поливание колеса
ISSN 1815-588 X. Известия ПГУПС 2008/1
Общетехнические и социальные проблемы
295
сверху в виде непрерывной струи, использование масляного тумана или смазывание за счет рикошета, применение капельной схемы.
На практике часто используются следующие смазочные материалы (см. таблицу).
ТАБЛИЦА. Назначение и область применения пластичных смазок
Вид смазки Марка Тип загустителя Назначение и область применения
1 2 3 4
Консталины УТ-1,2 Натриевые мыла жирных кислот Применяются в узлах трения вентиляторов и литейных машин, доменных и цементных печей, подшипников качения на железнодорожном транспорте и др.
ISSN 1815-588 X. Известия ПГУПС 2008/1
£9йцетехнические и социальные проблемы
Продолжение табл.
1 2 3 4
Солидолы УС-1,2 Кальциевые мыла жирных кислот Применяются в узлах трения автомобилей, тракторов, станочного оборудования, открытых зубчатых и цепных передачах
Кальциево- натриевые 1-13 Натриевые и кальциевые мыла жирных кислот Применяются для ступиц колес автомобилей и других аналогичных узлов трения
Графитная смазка УС А Волокнистая с включением пластин графита, черный Применяется для грубых, тяжелонагруженных тихоходных механизмов, цепных передач в мотоциклах
Литолы Литол-24 Литиевые мыла жирных кислот Применяются в узлах трения автомобилей, тракторов и др. механизмов
Циатимы Циатим-203 Литиевые мыла жирных кислот Применяются в подшипниках качения и скольжения, шарнирах, приборах и точных механизмах
Для рационального подвода смазки в тяжелонагруженные зубчатые колеса необходимо разрабатывать схему экономного и эффективного подвода смазки в зону трения.
Библиографический список
1. Триботехника : учебник для студентов втузов / Д. Н. Гаркунов. - М. : Машиностроение, 1989. - 328 с. - ISBN 5-217-00348-0.
2. Смазочные материалы на железнодорожном транспорте : справочник / Г. Д. Меркурьев, Л. С. Елисеев. - М. : Транспорт, 1985. - 255 с.
ISSN 1815-588 X. Известия ПГУПС 2008/1
