Общие понятия о трении и износе. 2

Общие понятия о трении и износе.

Трибология – это наука, изучающая взаимодействие поверхностей, перемещающихся друг относительно друга, практическое использование этого взаимодействия и его осуществление.

Рисунок – поверхностные слои смазанной металлической детали.

Зона деформированного металла отличается по своим физическим свойствам от качества первичной объемной структуры металла детали. Оксидная пленка образуется из окислов металла, образующихся  при химическом взаимодействии с кислородом воздуха. В зависимости от различных условий на поверхности оксидной пленки находятся адсорбционные слои газов, воды, молекул масла.

Рисунок виды трения

По ГОСТ 23.002-78 «Обеспечение износостойкости  изделий. Трение изнашивание и смазка. Термины и определения» по характеру взаимоперемещения трущихся деталей различают:

Трение покоя – это трение двух тел при микроперемещениях до перехода к относительному движению.

Трение движения – это  трение двух тел, находящихся в относительном движении.

Трение скольжения – это  трение, возникающее при различных скоростях перемещения соприкасающихся поверхностей в точках касания по величине и направлению.

Трение качения – это  трение, возникающее при одинаковых по величине скоростях и направлениях перемещения трущихся поверхностей.

Трение с проскальзываением – это  трение, возникающее при одновременном проявлении качения и скольжения.

Рисунок виды трения по наличию смазочного материала.

Трение без смазочного материала.

Условия масляного голодания, высокие температуры, в точечных зонах контакта возможно схватывание и сваривание, в результате – натиры и задиры.

Граничное трение.

Между трущимися поверхностями тонкая пленка смазочного материала, предохраняющая их от механических и тепловых воздействий. Режим граничной смазки неустойчив. При разрушении граничной пленки наступает трение без смазочного материала.

Жидкостное трение.

Разделение трущихся поверхностей полностью жидким смазочным материалом. Смазочный слой отделяет трущиеся поверхности. Сила трения – внутреннее трение слоев смазки.

Полужидкостное трение – это трение, возникающее при недостатке смазочного материала в зазоре между трущимися поверхностями для обеспечения жидкостного трения,  в результате, поверхности касаются друг друга в условиях граничного трения.

Изнашивание – это процесс разрушения и отделения металла с поверхности твердого тела и накопления его остаточной деформации, проявляющейся в постепенном изменении размеров и формы тела при трении.

Назначение моторных масел.

Моторное масло – это масла, предназначенные для смазки и охлаждения поршневых ДВС.

Основные функции моторного масла:

1. Уменьшение трения и износа деталей двигателя.
2. Предотвращение прорыва газов из надпоршневого пространства в картер путем уплотнения лабиринтом поршневых колец и обеспечения их подвижности.
3. Охлаждение поршней, вкладышей подшипников коленчатого вала и других деталей.
4. Защита деталей двигателя от коррозии при работе и во время длительной стоянки.
5. Предотвращение образования нагара и лакообразных отложений, нарушающих теплоотдачу от поршней и обеспечение подвижности поршневых колец.
6. Нейтрализация кислот, образующихся при окислении масла и сгорания топлива.
7. Обеспечение быстрой подачи масла под давлением в смазываемые узлы при холодном пуске двигателя.
8. Предотвращение выпадения осадков в картере, маслопроводах, на сетке маслоприемника, под крышками ГРМ и привода агрегатов.
9. Обеспечение малой вспениваемости при высокой и низкой температурах.
10. Обеспечение малой летучести и низкого расхода на угар (экологичность)

Моторное масло должно быть совместимо с материалом уплотнений и катализаторами нейтрализатора отработавших газов, не должны оказывать отрицательного воздействия на работоспособность свечей зажигания и вызывать преждевременное воспламение рабочей смеси из-за зольных отложений в камерах сгорания.

Состав масел

Современное моторное масло состоит базового масла и присадок до 25%.

Базовое масло может быть различных видов:

1. Минеральное
2. Синтетическое
3. Частично синтетическое

Минеральные базовые масла – это масла, полученные путем очистки от нежелательных веществ соответствующих фракций нефти. Различают дистиллятные и остаточные фракции минеральных масел. Первые перегоняются при вакуумном разделении мазута на фракции, вторые – это остаток от перегонки, самые вязкие фракции. Дистиллятные фракции служат основой зимних и внесезонных масел, остаточные входят в состав летних масел в смеси с дистиллятными.

Синтетические базовые масла получают целенаправленными химическими реакциями, в результате которых образуются органические соединения с желательными свойствами. Это могут быть углеводородные жидкости (полиальфаолефины, алкилбензолы) или сложные эфиры. Они более дорогостоящие, но также обладают и лучшими свойствами:

      низкой температурой застывания (улучшенными характеристиками запуска при низких температурах);

      химической стабильностью (стойкостью к окислению, парафинизации и другим химическим процессам);

      лучшими вязкостно-температурными свойствами;

      низкой испаряемостью;

      более низким расходом масла (большими интервалами между заменами).

Частично синтетические масла получают путем смешивания синтетических и минеральных базовых масел (обычная пропорция составляет от 70 до 80% минерального и от 20 до 30% синтетического масла).

Присадки – это синтетические добавки к базовому маслу, придающие ему необходимые свойства, или усиливающие природные свойства базового масла.

В состав масла вводят следующие виды присадок:

1. Вязкостные;
2. Противоизносные;
3. Антиокислительные;
4. Моющие;
5. Дисперсные;
6. Антикоррозийные;
7. Антифризные;
8. Противопенные;
9. Противозадирные

Вязкостные присадки придают маслу:

      необходимую текучесть при низких температурах, понижая температуру застывания до уровня -15 и -45°C, в зависимости от необходимости;

      вязкость при высоких температурах (чтобы предотвратить контакт между движущимися частями).

Вязкостные присадки состоят в основном из:

      сополимеры олефинов;

      полиметакрилаты;

      полиизобутилены;

      стирольные полиэфиры;

      гидрированные радиальные полиизопрены и др.

Противоизносные присадки увеличивают противоизносное действие масла в отношении тех деталей двигателя автомобиля, которые подвергаются смазке. Данные присадки образуют защитную пленку в результате прямого или опосредствованного контакта их активных ингредиентов с металлической поверхностью. Большинство противоизносных присадок представляют собой алкилдифиофосфаты цинка или другого вещества из группы фосфористых производных.

Антиокислительные присадки устраняют, или по крайней мере замедлеяют, окисление масла путем взаимодействия с первичными продуктами реакции окисления образуя неактивные соединения, а также увеличивают срок службы масла. В качестве антиоксидантов используются заменители фенола ароматические амины и дитиофосфаты, применяемые в качестве веществ, повышающих износостойкость.

Моющие присадки (детергенты) предотвращают накопление примесей и отложений на деталях двигателя, подвергающихся наибольшему нагреванию, таких, как канавки цилиндров. Они особенно полезны для внутренних поверхностей двигателя. Их воздействие помогает уменьшить образование углеродистых осадков и окисленных смесей, а также предотвращает накопление загрязнений и смолистого налета на металлических поверхностях. Моющие присадки состоят в основном из солей металлов на основе кальция или магния из алкиральной или алкило-салициловой группы.

Дисперсные присадки (дисперсанты) сохраняют в виде суспензии все твердые примеси, которые образуются в результате работы двигателя автомобиля: несгоревшие углеводороды, смолы, грязь, сажу и примеси, полученные в результате применения моющих присадок. Предотвращают скопление твердых примесей, уменьшают риск образования примесей (грязи) в непрогреваемых частях двигателя автомобиля (например, у коленвала). Дисперсные присадки обычно содержат основные компоненты группы алкениловых сукценимидов, янтарных эфиров или их производных.

Антикоррозийные присадки препятствуют образованию коррозии на металлических частях возникающей путем комбинированного воздействия воды, кислорода и определенных окислов, образующихся в процессе окисления. Они образуют защитную пленку при попадании на поверхность, которую надо предохранить от коррозии. Антикоррозийные присадки - это обычно щелочные или оксидно-щелочные сульфаты, нейтральные или основные (соли Na, Mg, Ca), жирные кислоты или амины, акенилсукциновые кислоты и их производные, бензотриазолы, толитриазолы и т.д.

Антифризные присадки сохраниют текучесть масел при низких температурах (от –15оС до – 45оС). Они препятствуют образованию кристаллов парафина в маслах при низкой температуре. Антифризные присадки изменяют и уменьшают процесс кристаллизации парафинов, содержащихся в маслах на минеральной основе. Они содержат: полиметилметакрилаты, малеат-стирольные сополимеры, нафталиновые парафины, винилфумаратный ацетат полиэфира.

Противопенные присадки предотвращают смешивание большого количества воздуха с маслом. Масла могут пениться в результате наличия других присадок, а также из-за конструкции системы смазки, что может вызвать неравномерный поток смазки в результате смешивания воздуха и масла, что ведет к образованию пузырей.

Моющие присадки оказывают на масла такое же действие, как и мыло на воду: они очищают двигатель, но способствуют образованию пены. В состав противопенных присадок входят силиконовые масла (акиловые акрилаты присутствуют в маслах в очень небольших количествах).

Противозадирные присадки уменьшают вращающий момент трения и таким образом получают экономию энергии, а также предохраняют поверхности от тяжелых нагрузок. Они придают смазочным материалам особые скользящие свойства, которые чрезвычайно подходят для коробки передач и трущихся поверхностей, работающих в масле (валов, ручной и автоматической коробки скоростей, тормозов и т.д.) В настоящее время проводятся обширные исследования в области разработок противозадирных присадок. Самые сильнодействующие присадки, помогающие преодолевать избыточное давление, основаны на органо-металлических молибденовых производных, производных жирных кислот, составных веществ жирных кислот, фосфоросульфарированных молекулах, бораттах и т.д.

Условия работы масла в двигателе

Масло в автомобильном двигателе работает в тяжелых условиях: в температурном диапазоне от 50 до 2500оС, при большом давлении и нагрузках, доходящих до 100 Мпа. В картерной части двигателя масло находится в виде мельчайший капель, образуя масляный туман. Большая часть масла контактирует с воздухом, подвергается воздействию газов прорывающихся из камеры сгорания в картер, а также вступает в контакт с различными металлами, водой и разбавляется несгоревшим топливом. Масло претерпевает глубокие химические изменения, подвергается окислению и загрязнению различными механическими примесями. Образование воды идет интенсивно при низких температурах, когда водные пары соприкасаются с холодными стенками картера.

Двигатель в зависимости от условий работы масла можно разбить на три зоны

Рисунок

Высокотемпературная зона.

Масло, попадая в нее, частично сгорает, и претерпевает глубокие химические изменения. Продукты сгорания осаждаются на деталях двигателя в виде нагаров, кокса и лаков. К нагарам относятся отложения, появляющиеся в местах контактирующих с зоной горения (на внутренней поверхности головки цилиндров, клапанах, над первым компрессионным кольцом и днище поршня). Нагары усиливают абразивное действие. Они образуются не только за счет химических преобразований масла, но за счет несгоревшего топлива. Нагары бывают сухими и маслянистыми.

Сухой нагар – это твердая углеродистая масса с шероховатой поверхностью, чаще черного цвета, образующаяся в камере сгорания, где температура достигает более 2000оС. При работе на этилированном бензине образуется нагар, содержащий до 50% соединения свинца. При работе на неэтилированном бензине образуется нагар, который содержит углерод – до 75%, кислород – до 20%, водород – до 5%.

Маслянистый нагар – это продукты термического разложения, окисления и полимеризации углеводородов, входящих в состав масла.

Нагар вреден – изолятор, нарушающий тепловой режим ДВС склонность к калильному зажиганию и детонации. Отрываясь частицы нагара загрязняют масло.

Кокс – это вещество, образующееся в результате коксования топлива и лака на поверхности деталей цилиндро-поршневой группы в виде наростов до 200 мкм. По внешнему виду и химическому составу близок к нагарам.

Среднетемпературная зона.

Высокотемпературные газовые потоки, прорывающиеся через неплотности из камеры сгорания в картер ДВС, вызывают окисление масла. В данных условиях углеводороды входящие в состав масла недостаточно стабильны. В результате образуются отложения на деталях ДВС в виде лаков.

Лаки – это прочные тонкие пленки толщиной 50-200 мкм с гладкой поверхностью, образующиеся на горячих деталях двигателя при температуре порядка 250оС, при окислении и разложении части масла, превращаясь в твердый осадок. На интенсивность лакообразования оказывает влияние степень дисперсности в масле механических загрязнений органического происхождения. Лаковые отложения состоят из углерода – до 85%, водорода, кислорода. Степень загрязненности деталей лаковыми отложениями определяют по цвету, который изменяется от светло-желтого до черного. Лаки способствуют залеганию колец.

В качестве растворителя для удаления лаковых покрытий применяют бензол, ацетон, щелочные растворы.

Низкотемпературная зона.

Окисленные продукты износа или коррозии в присутствии воды образуют мыла, которые плохо растворяются в масле и при низкой температуре выпадают в виде шламов.

Шламы –это густые мазеобразные липкие темного цвета продукты, образующиеся при невысоких температурах (не более 120оС), выпадающие из масла в виде осадков и создающие отложения в картерах, масляных магистралях, фильтрах.

Шламы состоят из 50-66% масла, воды– 5-35%, топлива, продуктов окисления, износа и пыли. Асфальто-смолистые компоненты придают шлама липкость. Они забивают масляные каналы, сетку маслоприемника, что приводит к выходу ДВС из строя. Интенсивность осадкообразования зависит от степени изношенности ДВС, т.е. от величины объема прорывающихся газов.

Удаляются путем промывки маловязким маслом или специальными промывочными маслами.

Кроме того, при работе ДВС образуется пена из-за работы масляных реактивных центрифуг, а также наличия зон разрежения в подшипниках. При большой производительности масляного насоса, возможно захватывание не только масла, но и воздуха, что приводит к нарушениям в подаче масла к трущимся поверхностям.

Эксплуатационные свойства масел

Эксплуатационные свойства масел оказывают влияние на основные показатели работы двигателя и эффективность использования автомобиля в целом.

Выбор соответствующего сорта масла и установление сроков его замены в двигателе следует рассматривать в непосредственно связи с его эксплуатационными свойствами.

Вязкостные свойства

Под вязкостью жидкости следует понимать объемное свойство жидкости оказывать сопротивление относительному перемещению слоев под действием внешней силы. Препятствию перемещению слоев создают силы межмолекулярного притяжения. Вязкость масла характеризует его текучесть. Чем меньше вязкость, тем масло подвижнее. Вязкость определяет поведение масла при работе двигателя при различных режимах его работы. Она зависит от температуры и давления.

Вязкостно-температурные свойства характеризуют зависимость вязкость масла от изменения температуры.

Температура меньше вязкость выше.

Температура, при которой масло теряет подвижность называется температурой застывания масла. Высокая вязкость прекращается подача, кроме того высокая вязкость дополнительное сопротивление вращению перерасход топлива.

Температура выше вязкость меньше. Низкая вязкость масла приводит к масляному голоданию, вытеканию его из уплотнительных соединений. Характер изменения вязкости от температуры определяют по вязкостно-температурной кривой. Более пологое протекание этой кривой характеризует лучшие вязкостно-температурные свойства, которые могут обеспечить надежную смазку узла трения при низких и при высоких температурах.

Вязкостно-температурные свойства масел или «пологость» вязкостно-температурной кривой могут быть выражены безразмерной величиной индексом вязкости. Он характеризует по стандартной шкале понижение вязкости масла при повышении температуры. Его находят расчетным путем – отношением вязкости масла при 50оС к вязкости при 100оС. Чаще всего ИВ определяют по номограмме или по специальным таблицам. Для моторных масел ИВ не менее 90.

Выше ИВ лучше вязкостно-температурные свойства масла.

Смазочные свойства.

Смазочные свойства масел являются обобщением ряда их свойств, влияющих на процессы трения и износа трущихся поверхностей.

К смазочным свойствам относятся:

      антифрикционные – влияющие на величину трения трущихся деталей;

      противоизносные – уменьшающие износ трущихся деталей в условиях нормальных нагрузок;

      противозадирные – предохраняющие трущиеся поверхности от задира и заедания в условиях высоких нагрузок и температур.

Смазочные свойства масел определяются терминами «смазывающая способность масла», «липкость» и «маслянистость», которые являются тождественными.

Смазывающая способность масла –является важным свойством масла при граничной смазке. Образование граничной пленки может происходить путем адсорбции (прилипания) полярно активных компонентов масла или химического взаимодействия активных элементов масла с металлом. При адсорбции пленка разобщает трущиеся поверхности масла настолько, что они перестают непосредственно касаться друг друга. Это свойство называют расклинивающим. Оно возникает на основе прочной связи молекул ПВА с поверхностью трения, в результате чего граничная пленка как бы сопротивляется своему «утончению». В ней развивается противодавление, стремящееся вызвать отталкивание поверхностей, разделенных пленкой.

Смазочные свойства могут быть выражены различными показателями, такими как коэффициент трения, нагрузка, температура, под действием которых разрушается масляная пленка (или происходит разрушение детали), а также величиной износа деталей.

ЧШМ принцип действия.

Критериями оценки смазывающих свойств испытуемого масла являются износ (Ди), критическая нагрузка (Рк), нагрузка сваривания (Рс) и  индекс задира (Из).

Однако наиболее достоверными методами оценки противоизносных свойств масел являются контактные и бесконтактные методы замеров износа деталей.

К контактным методам относятся микрометрирование, профилографирование и метод искусственных баз (нарезание лунок).

К бесконтактным методам относятся методы, основанные на спектральном и физико-химическом анализах масел по определению в них железа и других металлов, а также метод активации масел или поверхностной активации участка детали.

Антиокислительные свойства.

Масло соприкасается с кислородом воздуха различными металлами в результате циркуляции в системе смазки. Оно окисляется. В результате образуются сложные продукты окисления. К начальным продуктам окисления следует отнести спирты, кислоты, альдегиды. Продукты более глубокого окисления составляют смолы, асфальтены, карбены и карбоиды.

Скорость окисления и характер образующихся веществ зависят от химического состава масла, температуры, величины поверхности соприкосновения масла с кислородом, наличия катализаторов.

В картере окисление меньше. Где тонкий слой и высокая температура больше с образованием углеродистых отложений.

Происходящие процессы окисления повышают опасность термического и механического разрушения масляной пленки на сопряженных деталях (залегание и закоксовывание колец, прогар головок поршней).

В процессе окисления образуются коррозионно-агрессивные  вещества к металлам, большое количество частиц мешающих нормальной циркуляции масла и отложения.

Способность масла противостоять изменению своих свойств под действием кислорода, температуры и других факторов называется химической стабильностью. Масла стойкие к действию кислорода при высокой температуре обладают термоокислительной стабильностью.

Способность масла обеспечить необходимую чистоту деталей работающего двигателя называют моющими свойствами.

Способность масла препятствовать слипанию углеродистых частиц и удерживать их в состоянии устойчивой суспензии принято называть диспергирующей способностью.

Классификация моторных масел.

В настоящее время существуют различные классификации масел по вязкостно-температурным свойствам и по эксплуатационным свойствам (назначению и качеству). Единственной признанной во всем мире системой классификации транспортных масел по вязкости является спецификация SAE.

В классификации масел по качеству и назначению в настоящее время существует одновременно несколько систем - API, ACEA, JASO, ILSAC и ГОСТ 17479.1-85. Крупные производители автомобилей и техники (OEM) и Военное ведомство США (MIL) выдвигают также дополнительные требования (спецификации) к качеству масел.

Отечественная система классификации моторных масел.

Согласно Российской классификации по ГОСТ 17479.1-85 всем маслам присвоены индекс, а также они подразделены на классы и группы в зависимости от их вязкости и эксплуатационных свойств.

Изменения №3 к ГОСТу 17479.1-85 увеличили число классов вязкости и изменили их границы, ввели новые группы по назначению и уровням эксплуатационных свойств, а также некоторые наименования. Например, по всему тексту стандарта масла для карбюраторных двигателей называются более точным термином - маслами для бензиновых двигателей.

По кинематической вязкости ГОСТ 17479.1-85 подразделяет все моторные масла на 4 зимних (3З, 4З, 5З, 6З), 8 летних (6, 8, 10, 12, 14, 16, 20, 24 ) и 10 всесезонных классов (3З/8, 4З/6, 4З/8, 4З/10, 5З/10, 5З/12, 5З/14, 6З/10, 6З/14, 6З/16). Число обозначает кинематическую вязкость масла «число*10-6 м2/с», Летние масла нормируются показателем кинематической вязкости при температуре 100оС, зимние при температурах 100оС и -18оС. Всесезонные масла обозначаются дробью – в числителе указывается класс вязкости зимнего, а в знаменателе – летнего масла.

По типу двигателя маслам присваиваются индексы:

1 – для бензиновых двигателей;

2 – для дизельных двигателей.

Универсальные масла не имеют цифрового индекса.

По эксплуатационным свойствам (наличию присадок) масла делят на следующие группы:

А – нефорсированные двигатели;

Б – малофорсированные двигатели;

В – среднефорсированные двигатели;

Г – высокофорсированные двигатели;

Д1 – высокофорсированные бензиновые двигатели, работающие в эксплуатационных условиях, более тяжелых, чем для масел группы Г1

Д2 – высокофорсированные дизели с наддувом, работающие в тяжелых эксплуатационных условиях или когда применяемое топливо требует использования масел с высокой нейтрализующей способностью, антикоррозионными и противоизносными свойствами, малой склонностью к образованию всех видов отложений;

Е1 – высокофорсированные бензиновые двигатели и дизели, работающие в эксплуатационных условиях более тяжелых, чем для масел групп Д1 и Д2.

Е2 – отличаются повышенной диспергирующей способностью, лучшими противоизносными свойствами.

В прежней нормативной документации дополнительные характеристики условий применения и особенностей свойств масел вводились в стандартные обозначения без скобок (М-8Г2к, М-10ДМ, М-16ДР и т.п.), иное назначение масла обозначала группа Е (раньше так обозначали цилиндровые масла для лубрикаторных смазочных систем крейцкопфных дизелей), употреблялись и нестандартные марки (МТ-16п, М-16ИХП-3). Поскольку старые марки содержатся в многочисленных инструкциях по эксплуатации техники, нормативной документации на масла, картах смазки и другой документации, не представляется возможным единовременно исключить все ранее принятые обозначения.

Маркировка моторных масел включает в себя:

букву «М» - принадлежность к моторным маслам;

цифру – класс кинематической вязкости;

прописную букву – указывающую группу масла по эксплуатационным свойствам;

цифру – определяющую тип двигателя;

дополнительные индексы:

рк – рабочее-консервационные масла;

з – масло, содержащее загущающую присадку;

цл – для циркуляционнх и лубрикаторных смазочных систем;

20 и 30 значение щелочного числа.

Примеры:

М-6З/10 В - моторное масло всесезонное, универсальное для среднефорсированных дизелей и бензиновых двигателей (группа В).

М-4З/8-В2Г1 — моторное масло всесезонное, универсальное для среднефорсированных дизелей (группа В2) и высокофорсированных бензиновых двигателей (группа Г1).