Free Student HQ / FSHQ / "Штаб-Квартира свободного Студента"

Пластичные смазки

Свойства пластичных смазок обычно оценивают при помощи четырех видов показателей. Поведение смазок в объеме характеризуют показателями объемно-механических свойств, в приповерхностном слое — показателями граничных свойств, а изменения в свойствах смазок, протекающие во времени под воздействием внешних факторов, — показателями стабильности. Техническая документация, регламентирующая качество смазок, включает также показатели, с помощью которых контролируют соответствие смазок установленной рецептуре и отсутствие в их составе нежелательных продуктов.

Значимость тех или иных показателей свойств смазок при эксплуатации зависит как от состава и свойств смазок, так и от условий применения.

Объемно-механические свойства

Подавляющее большинство пластичных смазок, в том числе и антифрикционные, используемые в узлах трения автомобилей, в процессе эксплуатации подвергаются воздействию статических и динамических нагрузок, различных по направлению, величине и продолжительности. Такое воздействие, вызывая изменение механических свойств смазок в объеме, оказывает существенное влияние на условия их подвода в зону трения и работу узла в целом.

Пластичные смазки относят к вязкопластичным системам. Их объемно-механические свойства определяются суммой реологических показателей, характеризующих упругие, прочностные и вязкостные свойства.

Пластичные смазки разных типов, несмотря на различия в составе, условиях приготовления, микроструктуре и некоторых специфических свойствах, объединяют в одну группу благодаря общим признакам: наличию предела прочности, аномальной текучести и способности к тиксотропному восстановлению разрушенной структуры. Эта общность обусловлена принципиальным сходством в строении. Каждая смазка имеет сплошной пространственный каркас, который состоит из взаимосвязанных дисперсных частиц загустителя или их агрегатов и удерживает в своих ячейках дисперсионную среду.

Поведение смазок в объеме на различных этапах деформирования и связь между упругими прочностными и вязкостными свойствами определяются состоянием их структуры и степенью взаимодействия между ее элементами. Это иллюстрирует график зависимости напряжения сдвига от величины относительной деформации (рис. 1), полученный при деформировании смазки с постоянной скоростью. Начальный прямолинейный участок кривой соответствует упругой деформации, которая полностью снимается, если снять нагрузку, при некоторой величине деформации напряжение достигает максимума, который характеризует прочность структурного каркаса смазки и является ее пределом прочности. Дальнейшее увеличение деформации приводит к разрыву связей между структурными элементами каркаса, однако, этому процессу препятствует тиксотропное восстановление связей при сближении частиц дисперсной фазы на расстояние действия межмолекулярных сил. Разупрочнение смазки продолжается до тех пор, пока приложенное напряжение обеспечивает более высокую скорость разрушения по сравнению со скоростью восстановления. С достижением равновесия между процессами разрушения и восстановления связей течение с постоянной скоростью может осуществляться уже при неизменном напряжении. По аналогии с жидкостями, для которых отношение напряжения сдвига τ к градиенту скорости сдвига D названо вязкостью, отношение этих величин при установившемся течении пластичных смазок названо их эффективной вязкостью:

Отличие между вязкостью масел и эффективной вязкостью пластичных смазок состоит в том, что при постоянной температуре первая не зависит ни от напряжения сдвига, ни от скорости деформации, а вторая от них зависит. С ростом градиента скорости эффективная вязкость пластичной смазки, характеризующая ее сопротивление течению, асимптотически приближается к вязкости дисперсионной среды (рис. 2). Рассмотрим методы определения и практическое значение показателей объемно-механических свойств. Модуль упругости при сдвиге G, растяжении или сжатии Е характеризует деформируемость, жесткость и релаксационные свойства смазок в пределах области, на которую распространяется закон Гука (начальный участок кривой на рис. 1):

где γ— относительная деформация при сдвиге; ε — относительная деформация в продольном направлении; τ и σ — соответствующие напряжения.

Стандартные методы и приборы для определения G и E отсутствуют, но приведенные ниже данные указывают, что по этим показателям можно судить

Рис. 1. Принципиальная зависимость деформации от напряжения сдвига для упруговязкопластнчных тел при постоянной скорости деформации: τmax — максимальное напряжение сдвига, соответствующее пределу прочности на сдвиг (τ пч); τ уст, — напряжение сдвига, соответствующее установившемуся течению; τ пч и τ уст — соответствующие им деформации

о прочности и демпфирующих свойствах пленки смазочного материала, работающей под действием вибрации, ударов и других кратковременных нагрузок. Так, во многих узлах трения машин и механизмов даже при нормальных условиях смазочный материал находится под воздействием циклических нагрузок продолжительностью 1•10 в -2 … 8•10 в -6 с (нижнее значение относится к узлам трения автомобиля). При помощи ультразвуковых приборов показано, что в таких условиях поверхности трения лучше разделяют смазочные материалы, которые характеризуются большим периодом релаксации напряжений, а следовательно; и большим модулем упругости при сжатии. Для пластичных смазок этот период (1•10 в -1 … 1•10 в -1 с) оказался примерно на 10 десятичных порядков больше, чем для смазочных масел без присадок (1•10 в -11 … 1•10 в -9 с) и на 4 - 5 порядков больше, чем для масел, загущенных полимерами (1•10 в -6 … 1•10 в -4 с). Этим объясняется предпочтительность применения пластичных смазок в тяжело нагруженных узлах трения.

В интервале от - 30 до + 70 °С значения модуля упругости при сдвиге для разных смазок лежат в пределах 9,8...290 кПа, а в интервале от 70 до 80 °С - снижаются примерно на один десятичный порядок. Модуль упругости является весьма чувствительным показателем разупрочнения смазок при повышении температуры и механическом воздействии. Необратимое разрушение структуры смазок наступает при относительной деформации 0,2...0,5%.

Рисунок 2. Зависимость вязкости масла и эффективной вязкости приготовленной на нем смазки от скорости деформации Д: 1 - пластичная смазка; 2 - дисперсионная среда

Предел прочности на сдвиг

Предел прочности на сдвиг определяет практическую границу перехода смазки от состояния покоя к пластичному течению при приложении сдвигового напряжения. Наличие у пластичных смазок предела прочности отличает их от других видов смазочных материалов. С помощью предела прочности на сдвиг оценивают эксплуатационные свойства и качество смазок, загущающий эффект и концентрацию используемого в них загустителя. Поскольку предел прочности с ростом скорости нагружения увеличивается, его рекомендуется определять при скоростях деформации ниже 6•10 в -6 с-1 , при которых от условий нагружения он практически не зависит.

Стандартные методы предусматривают определение предела прочности смазок на сдвиг τ в капиллярных и ротационных пластометрах. Наиболее часто этот показатель определяют на капиллярном пластометре К-2 по ГОСТ 7143—73. Смазку загружают в ребристый капилляр, исключающий ее проскальзывание вдоль стенок при приложении давления. Давление на смазку создается маслом, нагреваемым в закрытом объеме электрообмоткой и подаваемым в капилляр. По манометру определяют максимальное давление р, при котором происходит сдвиг. Расчет производят по формуле , где r - радиус, см; l — длина капилляра, см; ΔP — давление, Па.

Таблица 1. Влияние на предел прочности (гПа) температуры и прочностно-температурных свойств смазок

В табл. 1 приведены результаты определения предела прочности некоторых автомобильных смазок при различных температурах на приборе К-2. Как видно по приведенным в таблице показателям, смазки заметно отличаются друг от друга.

ГОСТ 7143—73 предусматривает определение предела прочности в прочномере СК ротационного типа. Испытуемая смазка помещается в кольцевой зазор между двумя соосными ребристыми цилиндрами. Внутренний цилиндр приводится во вращение электродвигателем и при помощи пружинного динамометра по отклонению стрелки измеряется максимальная угловая деформация. Предел прочности рассчитывают по формуле (в Па) где k - постоянная прочномера; γ - максимальный угол поворота конт¬рольной стрелки, град.; С - постоянная пружины, Нм/град; Rв - радиус (по выступам рифления) внутреннего цилиндра, м; h — высота внутреннего цилиндра, м.

По такому же принципу предел прочности измеряют по ГОСТ 9128 - 84 на ротационном пластовискозиметре ПВР-1.

Поскольку условия деформирования в различных приборах неодинаковы, предел прочности одних и тех же смазок, измеренный на разных приборах, как правило, не совпадает по величине и в большинстве случаев не поддается пересчету.

По величине предела прочности в рабочем интервале температур судят о поведении смазки в узлах трения. Температура, при которой предел прочности становится равным нулю, и смазка переходит из пластичного в жидкое состояние, определяет верхний температурный предел ее применения. Смазки с меньшим пределом прочности легче поступают в зазор между поверхностями трения и более эффективно снижают износ, чем аналогичные смазки с высоким пределом прочности; но они хуже удерживаются в зоне трения, так как выдавливаются и сбрасываются под действием статических, динамических нагрузок и инерционных сил.

Изучение поведения смазок в подшипниках качения выявило существование непосредственной связи между величиной предела прочности и способностью смазок в них удерживаться. Чем выше эта величина, тем лучше смазка противостоит сбросу с вращающихся поверхностей, в частности с сепараторов подшипников, а в числе причин сброса — разупрочнение смазок в приповерхностном слое и сползание. На устойчивости смазок к сбросу отрицательно сказывается снижение предела прочности и ухудшение их прочностно-температурных свойств, вызванные не только условиями эксплуатации, но и изменениями в рецептуре и технологии приготовления.

Выявлена зависимость между пределом прочности смазки, ее количеством в зоне резерва и степенью герметизации подшипника. Герметизация открытого подшипника со смазкой ЦИАТИМ-221 нарушалась при 150 оС, когда ее предел прочности снижался до 0,6 кПа, а закрытого уплотнительными шайбами - при 210 оС и пределе прочности 0,1 кПа; резерв смазки при этом составлял соответственно 12,5 и 18,3% загрузки. Таким образом, при отсутствии герметизации больший резерв обеспечивается смазками с более высоким пределом прочности, в закрытых же подшипниках величина предела прочности смазок играет меньшую роль.

Установленный практикой для массовых смазок предел прочности при максимальной температуре применения должен быть не менее 0,1...0,3 кПа, а при обычной температуре он должен находиться в пределах 0,3...1,5 кПа. Следует, однако, иметь в виду, что поведение смазок в узлах трения, в том числе и их сброс с вращающихся деталей, подпитка ими дорожек качения и утечки через не плотности зависят не только от первоначального предела прочности, но и от его изменений, связанных с окислением смазки, потерей дисперсионной среды в результате испарения, а также изменений граничных свойств.

Пусковой момент вращения роликового подшипника в широком интервале температур соответствует работе, затрачиваемой на разрыв образца смазки при одноосном растяжении, т. е. при определении его предела прочности на разрыв. Тем не менее, полагают, что предел прочности как показатель, лимитирующий запуск механизмов, сохраняет свое значение лишь при положительных температурах, а при отрицательных температурах определяющую роль отводят вязкости. Поэтому при пониженных температурах предел прочности смазок обычно не определяют.

В лабораторной практике по величине предела прочности оценивают загущающий эффект загустителя в дисперсионных средах и его зависимость от температуры, судят о совместимости компонентов и концентрации в смазках загустителя. Этот показатель, имеющий четкий физический смысл, в СССР нашел широкое применение и почти повсеместно вытеснил из обихода эмпирический показатель пенетрации, применяемый для оценки механических свойств смазок.

На величину предела прочности смазок основное влияние оказывают тип и концентрация загустителя, природа дисперсионной среды, присутствие поверхностно - активных веществ (ПАВ) и условия приготовления смазок. Увеличение предела прочности смазок достигается не только увеличением концентрации загустителя, но и использованием загустителей с более высоким загущающим эффектом и добавлением модификаторов структуры в оптимальной концентрации.

Рост загущающего эффекта мыла обычно связан с увеличением дисперсности и анизометричности частиц, а сам загущающий эффект зависит от катиона и аниона мыла. Для стеаратов металлов он возрастает а порядке А1 < Ва < Са < Na < Li. Как правило, мыла насыщенных кислот лучше загущают масла, чем мыла соответствующих ненасыщенных кислот, причем оптимум загущающего действия для натриевых, литиевых и “безводных” кальциевых мыл достигается при использовании для их изготовления жирных кислот с 16 - 18 углеродными атомами в молекуле (пальмитиновая, стеариновая, 12-гидроксистеариновая кислоты). Загущающая способность мыл данного катиона улучшается при использовании для их получения смеси кислот разной молекулярной массы, при добавлении к мылу насыщенных кислот мыла ненасыщенной кислоты, а также при замене мыл стеариновой кислоты мылом 12-гидроксистеариновой кислоты. Высоким загущающим эффектом характеризуются комплексные мыла, содержащие анионы высоко- и низкомолекулярной кислоты, например комплексные кальциевые мыла стеариновой и уксусной кислот или их синтетических аналогов (смазки униол), комплексные алюминиевые мыла стеариновой и бензойной кислот и т. п. Загущающий эффект мыл существенно зависит от состава и химической природы используемого в смазках масла. Он выше в минеральных маслах, которые наряду с нафтено-парафиновыми содержат нафтеноароматические углероды с боковыми цепями. При применении масел различной химической природы и близкой вязкости в литиевых смазках этот эффект снижается при переходе от синтетических полиэтилсилоксановых жидкостей к минеральным маслам и, особенно, к диэфирам.

На загущающую способность мыл особенно большое влияние оказывают ПАВ. Роль ПАВ в смазках вкратце будет рассмотрена в разделе “Коллоидная стабильность”.

Немыльные загустители здесь не рассматриваются, поскольку в автомобильных смазках отечественного ассортимента они не используются.

Вязкостные свойства

Вязкостные свойства пластичных смазок объединяют сумму показателей, которые характеризуют сопротивление смазок течению в потоке, т.е. энергию, расходуемую на преодоление внутреннего трения. Поскольку внутреннее трение пластичных смазок не является константой, его выражают функциональной зависимостью градиента скорости сдвига от напряжения сдвига в заданном интервале изменения последнего. При этом для расчетов пользуются приведенной выше формулой. В случае определения вязкости жидкостей в капиллярном вискозиметре эта формула обращается в известное уравнение Пуазейля:

В этом случае стоящее в числителе касательное напряжение на стенке капилляра определяют по формуле, а градиент скорости сдвига, который для истинно вязких жидкостей изменяется по параболическому закону, - по формуле где Q — расход жидкости за единицу времени, a R — радиус капилляра.

Вязкость пластичных смазок обычно определяют по ГОСТ 7163 - 63 в автоматических капиллярных вискозиметрах АКВ-2 или АКВ-4 (рис. 3). Смазка 2 под действием сжатой пружины 6 продавливается штоком 3 из цилиндрической камеры 7 через капилляр 1. На вращающемся с постоянной скоростью барабане 4 карандаш 5 вычерчивает кривую изменения внутреннего трения смазки в координатах давление пружины - время. Найденное из кривой напряжение на стенках капилляра τ делят на градиент скорости сдвига D и определяют вязкость смазки.

При определении эффективной вязкости широко используют ротационные приборы. В отечественной практике с этой целью используют пластовискозиметр ПВР-1, который в отличие от капиллярных вискозиметров АКВ-2 и АКВ-4 требует значительно меньшего количества смазки и пригоден для определения предела прочности. Это делает его полезным при анализе работавшей смазки, извлеченной из узла трения. Расчет ведут по среднему градиенту скорости сдвига, который из-за малого зазора в рабочем узле в этом приборе близок к истинному.

В настоящее время в практику исследования реологических свойств смазочных материалов в странах СЭВ внедряется ротационный вискозиметр “Реотест”, выпускаемый в ГДР.

Наиболее полную информацию о вязкостных свойствах пластичных смазок дают кривые зависимости вязкости от градиента скорости сдвига, полученные в рабочем интервале скоростей деформации и температур. Нередко пользуются числовым выражением данной зависимости вместо графического. Тогда, кроме значений вязкости при тех или иных градиентах скорости сдвига и температурах, приводят показатели, выражающие зависимость вязкости от скорости деформации и температуры. Вязкостно-скоростная характеристика (ВСХ) представляет собой отношение вязкостей при минимальной и максимальной скорости деформации и постоянной температуре, а вязкостно-температурная характеристика (ВТХ) — отношение вязкостей при минимальной и максимальной температурах и постоянном градиенте скорости сдвига. В ряде случаев бывает достаточным указание лимитирующего значения вязкости. Например, максимальный расход энергии при эксплуатации механизма будет определяться вязкостью смазки при минимальной температуре применения и минимальном градиенте скорости сдвига, обычно при 10 с-1.

Показатели вязкостных свойств пластичных смазок имеют большое практическое значение. Уровнем вязкости определяется возможность подачи смазок по мазепроводам и коммуникациям, заправки в узлы трения при помощи различных заправочных устройств; по ней можно рассчитать габариты трубопроводов и этих устройств. Вязкостью смазок определяются также расход анергии на их перекачку, на перемещение смазанных деталей при значительной толщине смазочной прослойки между поверхностями, в частности величина пускового момента подшипника качения при плотной набивке смазкой. В табл. 1 приведены показатели вязкостных свойств нескольких автомобильных смазок разного состава и их дисперсионных сред, которые иллюстрируют принципиальные отличия в свойствах пластичных смазок и масел.

По абсолютной величине вязкостное сопротивление пластичных смазок при течении выше, чем их дисперсионных сред (см. рис. 1). Однако характерная особенность смазок состоит в том, что с увеличением градиента скорости сдвига их вязкость убывает, тогда как у масел она остается без изменения. На практике это означает, что с повышением скорости энергия, расходуемая на перемещение объема смазки или смазанных ею деталей, будет повышаться гораздо медленнее, чем при использовании масел.

Поскольку в процессе механического воздействия структура смазок разрушается, а при уменьшении интенсивности такого воздействия она восстанавливается, смазки как бы автоматически приспосабливаются к скоростному режиму работы узла, стабилизируя условия его работы с точки зрения расхода энергии.

Другая характерная особенность пластичных смазок — меньшее, чем у исходных масел, изменение вязкости при изменении температуры. Лучшие вязкостно-температурные свойства имеют смазки, приготовленные на маслах, у которых зависимость вязкости от температуры меньше. Иными словами, маловязкие масла с точки зрения вязкостно-температурных свойств в качестве дисперсионной среды пластичных смазок более предпочтительны, чем аналогичные им по природе высоковязкие. С понижением температуры вязкость различных смазок возрастает неодинаково. Поэтому для каждой смазки существует такая минимальная температура, при которой вследствие возросшего внутреннего трения мощность привода становится недостаточной для приведения механизма в движение или выведение его на нужный скоростной режим. Эту температуру обычно и принимают за нижний предел работоспособности мазки применительно к данному механизму. Техническая документация на смазки, предназначенные к применению при низких температурах, как правило, предусматривает контроль их вязкости при отрицательных температурах.

Благодаря хорошим вязкостно-скоростным и вязкостно-температурным свойствам в совокупности с другими полезными свойствами, о которых речь пойдет ниже, пластичные смазки широко применяются при различных температурах, скоростях и нагрузках.


 

Сайт создан в 2012 г. © Все права на материалы сайта принадлежат его автору! 
Копирование любых материалов сайта возможно только с разрешения автора и при указании ссылки на первоисточник
Яндекс.Метрика