назад  вперед

О компании / Это интересно / Введение в разработку смазочных материалов / Трибология часть 2 /

2.4.1 Введение

Для того, чтобы сохранить форму деталей машин, т.е. чтобы избавиться от износа соприкасающихся поверхностей, поверхности подшипника при трибологическом контакте должны эффективно разделяться смазкой, т.е. необходимо избегать контактов типа металл-металл в процессе скольжения или качения. Этого можно достичь, непрерывно поддерживая тонкий слой масла или густой смазки (гидродинамического типа смазки), или создав твердую обшивку поверхности деталей машин при трибологическом контакте.

Твердый слой может быть сделан так называемым «твердым травлением». Химически активные присадки, в определенных долях входящие в состав масла или густой смазки, вступают в химическую реакцию с железом стали при трибологическом контакте, когда за счет трения возникают достаточно высокие температуры. Химические присадки растворяются при определенной температуре, вступают в реакцию с поверхностью металла, возникает твердый вытравленный слой на поверхности металла, который может выдерживать большие нагрузки и  устойчив к износу.

Однако, при граничном или смешанном трении возникают условия, при которых не возникает достаточно высоких температур и, поэтому, образовать твердый вытравленный слой путем добавления химических присадок невозможно. В таких случаях, как результат давления между элементами при фрикционном контакте, твердые смазочные материалы образуют налет в трибологическом контакте. Для образования таких твердых смазочных материалов не требуется фрикционной температуры. Указанные образования также могут выдерживать большие нагрузки, устойчивы к износу и снижают трение. К тому же, такие твердые слои можно использовать для предварительной обработки составляющих трибологического контакта, назовем их антифрикционными образованьями или пластической формой.

Как результат использования химических присадок, в ходе реакции со временем возможно снижение концентрации присадок в смазке. Присадки для поддержания действия вязкости/температуры (так называемые «поддерживатели вязкости») также могут распадаться при сильном точечном напряжении. Мерой этого является «сопротивление сдвигу». Сопротивление сдвигу меняется для различных присадок.

Современные смазочные материалы должны противостоять износу, выдерживать высокие давления, противостоять коррозии и окислению, в связи с этими жесткими требованиями, все смазочные масла и консистентные смазки содержат много присадок. Используемые жирорастворимые химически активные присадки, выдерживающие высокие давления, и противостоящие износу. В связи с тем, что такие химические добавки могут разрушаться, если смазка перегревается, и соответственно, становится неэффективной, для увеличения значений выдерживаемых давлений и износа используются твердые смазки, значительно более термоустойчивые и требующие лишь минимального давления для создания эффективного слоя смазки на поверхности металла. К тому же, слой твердой смазки значительно снижает трение, что ведет к снижению фрикционной температуры и термической защите смазки.

2.4.2 Гидродинамические смазки

Термин «гидродинамическая смазка» применим только к смазкам, обеспечивающим полное разделение взаимодействующих элементов трибологических систем. В таком случае износа нет вообще.

Эффективная вязкость, превалирующая на поверхности подшипника, обеспечивает передачу силы через смазку. Первое требование к такой смазке, называемое передачей силы без износа контактирующих поверхностей, встречается при гарантировании минимальной вязкости подшипника и может быть вызвано следующими причинами:

-          температурой
-          давлением
-          коэффициентом сдвига
-          скоростью скольжения или частотой вращения
-          рабочим временем или временем срабатывания

В области смешанного трения, с другой стороны, разрывы слоя масла больше, если вязкость в подшипнике мала.

Большая вязкость смазки эквивалентна широкому зазору между взаимодействующими поверхностями, как для смешанного, так и для гидродинамического трения. С другой стороны, если вязкость слишком высока, гарантирован гидродинамический слой исключающий износ, но из-за высокой вязкости, вязкостное трение очень высоко, результат - фрикционные потери и нежелательное возрастание температуры. Это означает, что слой гидродинамической смазки должен иметь достаточную вязкость, но, при этом, она не должна быть чересчур высокой, в связи с тем, что это приведет к фрикционным потерям и возрастанию температуры, сопровождающимся распадом смазки.

Сложности скрыты в определении вязкости поверхности подшипника, так как она зависит от следующих факторов:

-          температура
-          давление
-          коэффициент сдвига (для неньютоновского поведения потока)
-          время (для неньютоновского поведения потока)

Вязкость меняется в связи с изменяющимися внешними факторами, об этом пойдет речь в следующем разделе под названием «Вязкость и поведение потока»

2.4.3 Сухие смазочные материалы

В противоположность гидродинамическим смазкам, где гарантировано полное разделение контактирующих поверхностей вязкой либо плотной средой, такой как масло или иной густой смазкой, поверхности разделяются сухой смазкой. Для сухих смазок, антифрикционное(АФ) покрытие наносится на поверхности до начала использования подшипника, это является гарантией разделения контактирующих поверхностей.

Применение антифрикционных покрытий вызвано условиями использования и влияющими факторами – предварительная обработка поверхности очень сильно влияет на сроки службы. При правильном использовании компоненты могут быть смазаны на весь срок службы.

Преимущество над гидродинамическими смазками в том, что сухие и чистые слои смазки исключают нежелательные и небезопасные загрязнения. АФ покрытия также могут быть использованы для улучшения движения – смазочный материал может сгладить неровности поверхности.

2.4.4 Вязкость и поведение потока

Вязкие мазки имеют очень сильную зависимость от температурных колебаний. Обычно вязкость смазки снижается с повышением температуры, т.е. смазка становится более текучей, и вязкость снижается. Естественно, что при высоких температурах требуется высокая вязкость, поэтому вводится поддерживающая вязкость смазка. С другой стороны, если температура падает слишком низко, смазка не должна становиться слишком густой, она должна оставаться текучей или быть под давлением. «Показатель вязкости» является мерой зависимости вязкости от температуры. Высокий показатель вязкости указывает на малую зависимость вязкости от температуры.

Показатель вязкости может быть вычислен методом, описанным в DIN ISO 2909. Невозможно сделать точные выводы на основе показателя вязкости: только относительное сопоставление, например, смазка с высоким показателем имеет малое изменение вязкости от температуры, т.е. с ростом температуры она станет менее текучей, нежели смазка с малым показателем вязкости. Современная индустрия смазочных материалов предоставляет смазки с показателем вязкости 150 и выше.

Необходимо рассмотреть зависимость вязкости от давления, особенно при сильном давлении на смазку. Грубые вычисления показывают, что при изменении давления от нормального до 200 бар вязкость должна возрасти вдвое. Это означает, что увеличение давления всегда ведет к увеличению вязкости.

При рассмотрении поведения потока смазки, отмечаются важные различия между ньютоновским и неньютоновским поведениями потоков. Различение этих двух поведений базируется на соблюдении ньютоновского закона вязкого течения:

где τ – касательное напряжение
η - динамическая вязкость
du/dy – коэффициент сдвига

т.е. снижение скорости потока с увеличением ширины зазора. Это означает, что касательное напряжение в смазке, в основном, в двухплитной модели как на Рис. 10, зависит от коэффициента сдвига, вязкость будет являться коэффициентом пропорциональности.

η не зависит напрямую от коэффициента сдвига. Минеральным маслам соответствует ньютоновское движение, вязкость зависит от температуры и давления.

Профиль скорости



Рис. 10: Профиль скорости для двухплитной модели 

В случае неньютоновского поведения, соответствующего большинству синтетических жидкостей, изменение вязкости может быть рассмотрено, как функция от коэффициента сдвига. Такие эффекты могут быть измерены с использованием простых лабораторных вискозиметров, например ротационным вискозиметром. На Рис. 11 представлено сопоставление ньютоновского и неньютоновского поведений. В зависимости от того возрастает или убывает вязкость в зависимости от коэффициента сдвига, поведение потока рассматривается как «естественная вязкость» или как «увеличивающаяся вязкость». При неньютоновском поведении потока, смазке обычно соответствует естественное поведение вязкости.

В плотных смазках возникает так называемый «вязкопластичный эффект», т.е. касательное напряжение должно быть приложено до того как плотная смазка будет введена в поток. (Рис. 12). Такой эффект широко известен и выражается в том, что плотные смазки оседают после спускания масла в точках смазывания.

Зависимость вязкости от величины сдвига, которую можно наблюдать для плотных смазок в больших масштабах через короткий промежуток времени работы, известна как «сгущающаяся» если происходит возрастание вязкости и как «тиксотропная» если происходит снижение вязкости (Рис. 13).

2.4.5 Измерение вязкости и поведения потока

Измерение зависимости вязкости от температуры довольно просто и может быть проведено в широком диапазоне температур от малых температур до температуры 150єС, как капиллярным, так и ротационным вискозиметром. Зависимость вязкости от скорости сдвига также легко измерить современными ротационными вискозиметрами в указанном диапазоне температур, и является возможным так называемые «потоковые кривые» для частоты вплоть до G=106 с-1.

Измерение тиксотропных свойств и свойств сгущения, с другой стороны, более сложно, в связи с тем, что то самое наполнение вискозиметра приводит к сдвигу и, следовательно, к изменениям вязкости. Такие вязкостные изменения не возвращаются к исходным условиям также быстро, как в прочих случаях измерения зависимости вязкости от скорости сдвига.

Зависимость вязкости от скорости сдвига



Рис. 11: Зависимость вязкости от скорости сдвига

Зависимость касательного напряжения от скорости сдвига



Зависимость вязкости от времени



Рис. 13: Зависимость вязкости от длительности сдвига

Измерение взаимосвязи между вязкостью и давлением является наиболее сложным из всех вопросов, из-за того, что, в отличие от остальных влияющих факторов, таких как температура и прочие физические факторы, или плотность смазки, зависимость изменяется в процессе измерения. В области высоких давлений, смазку нельзя более считать несжимаемой и, следовательно, зависимой от температурных колебаний и изменений плотности. Для определения истинной зависимости вязкости от давления, необходимо удерживать все прочие влияющие факторы неизменными. Особые сложности возникают при измерении динамическими методами. Достаточно точные методы все еще находятся в стадии разработки и не могут быть взяты за стандарт.

2.4.6 Смазочные материалы предварительной обработки

Новые поверхности скольжения могут быть шершавыми, причиной этого является механическая обработка. Выступающие острые пики сглаживаются при начале работы, путем использования подходящих смазочных материалов. Таким образом, запуск пройдет удовлетворительно, при оптимальной сглаженности поверхностей.

При хорошем обслуживании и при отсутствии как такового металлического контакта можно использовать очень тонкий слой смазки, если шероховатости малые. Это означает, что смешанное трение возникает при наименее благоприятных условиях (например, при сильных нагрузках или малой эффективной гидродинамической скорости)

2.4.7 Достижения триботехнического конструирования

Проведенные размышления показывают, что вязкость очень важна при разработке гидродинамически эффективных слоев смазки, и, что присадки или твердые смазки необходимы для создания слоя разделяющего поверхности при смешанном или граничном трении.

Измерение вязкости невозможно провести, учитывая все влияющие факторы. Трибологическое конструирование, следовательно, построено на основе понимания свойств смазочных материалов. При точном вычислении, основы конструирования связаны с используемыми деталями машин, для многих деталей существуют определенные стандарты. Для дополнительных параметров, таких как сопротивление коррозии, совместимость с окружающей средой и т.д., используются измерения зависимых параметров. Целью трибологических расчетов должно быть:

а) Конструирование снижающего износ разделяющего слоя, с использованием плотных смазок или твердых смазок, или их комбинаций (первое требование)
б) Гарантирование определенного времени использования деталей и слоя смазочного материала (второй требование)

2.4.8 Классификация

Смазочные материалы делятся на несколько категорий, например, ISO вязкости делятся в соответствии с DIN 51 519 (Таблица 7) или классификация SAE машинных масел, приведенная в Таблице 8, близки профессиональным воителям. В SAE классе “SAE 15W-40” указано, что универсальное машинное масло должно соответствовать всем следующим требованиям:

а) при температуре в -15єС вязкость машинного масла не должна превышать 3500 мПа·с, измеренное в симуляторе холодного стартера для ASTM-D-2606 модифицированного или DIN 51 377.
б) при температуре в 100єС вязкость масла должна быть в пределах от 12,5 до 16,3 мм­­­­2/с, измеренном в капиллярном вискозиметре Уббелода для ASTM-D-445 или DIN 51 562.
в) минимально допустимая температуры накачки определена в ротационном минивискозиметре для ASTM-D-3829 и равна -20єС. «Макс/мин температура накачки» обозначает температуру, при которой машинное масло может беспрепятственно обращаться в достаточном количестве. Все необходимые измерения могут быть проведены на обычных вискозиметрах стандартными методами.

Наиболее важная SAE классификация автомобильных трансмиссионных масел, в соответствии в DIN 51 512, и API классификация трансмиссионных масел представлены в Таблицах 9а и 9b.

Таблица 10 представляет классификацию плотных смазочных материалов, в соответствии с DIN 51 818, и их применение в различных механизмах. Из таблиц видно, что поток густой смазки для трансмиссионных смазочных материалов в соответствии с NLGI класса 00 должен давать перебои работы (измерения проведены в соответствии с DIN 51 804 Часть 1 или ASTM-D-217) между 400 и 430 мм/10

3. Требования к смазкам

3.1 Введение

Указанная взаимосвязь очень важна для понимания трения, износа и смазок, и необходима как база для формулировки требований к смазочным материалам. Требования меняются от случая к случаю, зависящих от

Классы вязкости ISO


Таблица 7: классы вязкостей, в соответствии с DIN 51 519

 Классы вязкости SAE


Таблица 8: классы вязкости SAE J 300 SEP 80 (эффективно действует с 1982)

-          механизм
-          нагрузка
-          температура
-          скорость
-          геометрические параметры
-          необходимое обслуживание
-          материалы
-          совмещение материалов
-          взаимодействие с окружающей средой

SAE классификация вязкостей



Таблица 9а: Классификация трансмиссионных масел; SAE классификация вязкостей J 306a для масел, в соответствии с DIN 51 512 

API классификация

Таблица 9b: Классификация трансмиссионных масел – API классификация трансмиссионных масел

NLGI классификация


Таблица 10: Классификация плотных смазочных материалов (NLGI классификация) в соответствии с DIN 51 818 и применения, в соответствии с /8/ 

Необходимо представить систему поиска решений, для того чтобы:

  1. Сформулировать особые требования к смазкам
  2. Оценить область применения требований к смазочному материалу, на основе его физических параметров.
  3. В случае необходимости компромисса, добиться оптимизации усилением требований либо увеличением физических параметров.

Рассуждения относительно минимизации износа, при рассмотрении форм трения, всегда приводят к необходимости использования гидродинамических смазок, в связи с тем, что в этом случае не возникает никакого износа, за счет разделения взаимодействующих поверхностей. Худшее, что может случиться с этим типом смазок, это изменения в смазке, или непредвиденные изменения условий обслуживания, или несовместимость составляющих подшипника, ведущее к потерям смазки и, следовательно, переходу к смешанному или твердому трению с высоким уровнем износа.

Чтобы достичь состояния гидродинамической смазки, требуется:

-          минимальная вязкость
-          минимальная эффективная гидродинамическая скорость

Несмотря на то, что во множестве различных типов условий использования (например, чересчур низкая эффективная гидродинамическая скорость; периодическое использование) невозможно всегда использовать гидродинамические смазки, подходящие присадки (например, присадки увеличивающие сроки действия трансмиссионных масел) или так называемые «свойства работы в непредвиденных условиях» или «свойства работы без смазки» всегда требуются для того, чтобы гарантировать разделение взаимодействующих поверхностей в сложившейся ситуации.

Кроме того, смазочные материалы должны соответствовать всем требованиям, зависящим от условий использования или прочего влияния.

       Используя трибологическую систему на Рис. 6, можно вычислить все требования, в зависимости от возможных взаимоотношений. Основные требования отличаются от дополнительных.