Реферат: Изменения свойств смазки и антифрикционных свойств подшипников скольжения в эксплуатации

Пенообразование может произойти при смазке деталей окунанием и при стоке масла в маслосборники. Другая возможность пено- образования обусловлена выделением газов и паров из масла.

При взбалтывании масла, при его разбрызгивании и струйной смазке высокооборотных деталей в масло заносится воздух, а в картеры двигателей прорываются газы и пары топлива. В некоторых подшипниках в слое масла, омывающего цапфу, в ненагруженной зоне образуется вакуум, в результате чего в масло также подсасывается воздух.

Выделение воздуха из масла вследствие снижения давления может произойти во всасывающей полости насоса и на участках масло провода, где повышается скорость масла или изменяется направление его движения. Выделившийся здесь или поступивший вместе с маслом воздух расширяется, заполняет некоторый объем и в последующем насос сжимает масляно-воздушную смесь.

С наличием нерастворимого в масле воздуха и с пенообразованием связаны такие отрицательные явления, как:

1)      снижение производительности масляных насосов;

2)      появление пульсации давления в системе, что исключает возможность подачи масла равномерной струей к смазываемым поверхностям;

3)      ухудшение смазки вследствие разрыва масляной пленки на смазываемых поверхностях пузырьками воздуха, что может привести к опасному местному перегреву;

4)      перенос масла пузырьками воздуха через зазоры, сапуны картеров или маслобаков, что приводит к потере масла;

5)      искажение показаний уровня масла в картере, что может вызвать эксплуатацию машины или механизма при недостаточной смазке;

6)      ускорение окисления масла.

Если исключить такие обстоятельства, как расположение масляного насоса, конструкция маслозаборника и маслопровода, то пенообразование зависит от качества масла. Моющие присадки в маслах, обводнение и окисление масла способствуют пенообразованию. Достаточно наличие ничтожного количества воды в масле - менее 0,1 % по весу,- чтобы проявилась тенденция к пенообразованию. В коробках скоростей при определенной окружной скорости независимо от сорта и номинальной вязкости смазки существует область температур, а следовательно, и рабочих вязкостей, при которых пенообразование наиболее интенсивно. Это связано с противоположным влиянием температуры на образование и стойкость пены. Стойкость пены уменьшается с повышением температуры; по имеющимся данным, температура свыше 70 °С вызывает быстрый распад пены. Вышеизложенное позволяет объяснить причину, по которой вспенивание масла при картерной смазке происходит не сразу после пуска машины, а спустя некоторое время, и прекращение пенообразования происходит после того, как пройдет некоторый температурный интервал. Для уменьшения пенообразования применяют противопенные присадки к маслу.

1.           

2.      Физико-химические изменения

Смазка в работе стареет, т.е. ее первоначальные свойства изменяются в результате физических и химических процессов, которым она подвергается. В процессе эксплуатации происходит испарение преимущественно легких фракций масла; оно засоряется продуктами окисления, полимеризации, конденсации и распада самого масла, загрязняется продуктами износа смазываемых поверхностей и пылью (минеральной, металлической или органической); в двигателях внутреннего сгорания масло, кроме того, загрязняется продуктами неполного сгорания топлива и топливом. В насосах и других машинах не исключается некоторое загрязнение масла иными жидкостями.

В масло попадают продукты разрушения разнообразных металлических и неметаллических поверхностей деталей, включающие частицы уплотнений. Что касается пыли в масле, то природа ее зависит от типа машины и условий эксплуатации - это может быть пыль дорожная, угольная, металлическая, от абразивного инструмента, от добываемых и перерабатываемых строительных материалов, от сельскохозяйственных культур в процессе уборки, от их обработки и переработки и т.п.

Как как физико-химические изменения масел связаны прежде всего с окислением их кислородом воздуха, то под окислением масла понимают совокупность химических превращений в смазочном масле в присутствии кислорода. Окисление масла происходит в толстом слое (в масляных цистернах, баках, маслопроводах, картерах), в тонком слое (на смазываемых поверхностях) и в туманоподобном виде.

Н.И. Черножуков и С.З. Крейн [6] установили, что окисление углеводородов нефти и нефтепродуктов в объеме может происходить по такой схеме:

Смолистые вещества в нефти и нефтепродуктах подразделяются на следующие.

1.      Нейтральные нефтяные смолы - полужидкие, иногда тягучие, темно-желтые или коричневого цвета вещества, вполне растворимые во всех нефтяных фракциях.

2.      Кислые смолы (асфальтогеновые кислоты и их ангидриды) - полутвердые или твердые смолистые вещества того же цвета, нерастворимые в нефтепродуктах, даже в петролейном эфире.

3.      Асфальтены - темно-бурые или черные аморфные порошки, неплавящиеся при нагреве, разлагающиеся при температурах свыше 300 °С на газы и кокс; кроме углерода и водорода содержат до 8 % кислорода и некоторое количество азота и серы; представляют продукты уплотнения нейтральных смол; не дают истинных растворов с нефтепродуктами.

3.      Карбены и карбойды - черного цвета вещества, из которых первые представляют продукты уплотнения асфальтенов, а карбоиды - комплекс высокомолекулярных соединений, состоящих в основном из углерода и содержащих в небольшом количестве водород и другие элементы. Карбойды не растворимы ни в каких растворителях. Карбоиды и карбены не встречаются в сырой нефти.

Все эти вещества имеют удельный вес выше единицы; у асфальтенов, к примеру, он равен 1,08, у карбенов - 1,28.

При определенных условиях соединения меди (в случае использования их в металлоплакирующих смазочных материалах) могут тормозить окисление масла [2].

Окисление масла кислородом воздуха в толстом слое не составляет главной доли. Однако процесс в объеме наиболее изучен и дает представление о протекании его в других случаях.

Основное окисление масла происходит в тонком смазочном слое, где масло подвергается высокому давлению и наибольшему нагреву и где сильнее сказывается каталитическое воздействие металлов, а также в контакте со стенками маслопроводов. Интенсивное окисление происходит при большой поверхности соприкосновения масла с воздухом, при струйной смазке или при смазке окунанием. Вспенивание способствует окислению. Насыщение масла воздухом, повышение температуры масла, обводнение в присутствии стали, бронзы, латуни, баббитов и их продуктов износа стимулируют окисление масла и в объеме (в толстом слое).

В общей сложности, продуктами окисления масел являются спирты, альдегиды, кетоны, кислоты, сложные эфиры, смолы, асфальтены, карбены и карбоиды. Образование тех или иных продуктов окисления и количественное соотношение между ними зависит от химического состава масла, от строения его углеводородных групп, продолжительности окисления, кратности циркуляции масла в системе, режима трения, материалов трущихся поверхностей, обводнения масла, взаимодействия с горячими газами и некоторых других факторов.

В результате окисления масло претерпевает следующие изменения:

1.      Изменяется его химический состав;

2.      Увеличивается содержание исходных смолистых веществ, заново образуются другие;

3.      Повышается плотность и температура вспышки, масло приобретает более темный цвет;

4.      Увеличивается вязкость, которая может намного превысить исходную в связи с образованием или увеличением содержания асфальто-смолистых веществ в масле.

Повышение вязкости является фактором, благоприятным для усиления гидродинамического действия масла и повышения нагрузочной способности смазочного слоя. Вместе с тем возрастают потери на перемещение по маслопроводам, а при смазке окунанием - на размешивание. Из-за увеличения внутреннего трения масла может повыситься его средняя температура, что усилит окисление. В быстроходных машинах, где повышение вязкости масла связано с возможным сильным перегревом поверхностей трения, ограничивают рост вязкости. Так, в паровых турбинах допускается вязкость отработавшего масла не более 25 % сверх нормы для свежего.

В двигателях внутреннего сгорания старение масла происходит более интенсивно, чем в других машинах. Масло не только окисляется и обводняется, но и загрязняется топливом и продуктами его окисления и распада. Поэтому плотность и вязкость масла в системе могут увеличиваться, уменьшаться или оставаться без изменения в зависимости от степени окисления масла и степени разжижения масла фракциями топлива;

5.      Образуются нафтеновые кислоты, химический состав которых может быть весьма различным. Их образование отмечается увеличением кислотного числа, так как продукты окисления сами по себе оказывают каталитическое действие. Сезонные изменения температуры могут заметно влиять на интенсивность окисления масел в масляных системах машин высокой теплонапряженности. К концу летнего периода кислотное число в таких случаях оказывается выше, чем к концу зимнего периода, при прочих равных условиях.

Несмотря на слабо выраженные кислотные свойства, нафтеновые кислоты оказывают корродирующее действие на свинец, цинк, кадмий, образуя металлические мыла, которые могут выпадать в виде осадка. На черные металлы эти кислоты практически не действуют, алюминий на них практически не реагирует-

6.      Образующиеся кислоты и смолы, являясь полярными соединениями, улучшают смазочную способность масел в области граничного трения;

7.      Смолистые и углистые вещества, как продукты полимеризации масел при их окислении, выделяются в раздробленном дисперсном состоянии. В таком же состоянии выпадают в масло и продукты износа, а также посторонние механические частицы. Во взвешанном состоянии находится и вода в масле. Поэтому работавшее масло представляет собой ряд дисперсных систем с различной степенью дисперсности. Смолы диспергируются до молекул, углистые частицы дают более грубые дисперсные системы.

Часть смолистых веществ растворяется в масле, образуя истинные растворы; остальная часть и углистые вещества входят в коллоидный раствор или образуют суспензию (взвесь). Не растворяющиеся в маслах смолы, асфальтены, карбены и карбоиды, к которым присоединяются оксикислоты, могут выпадать из масла в виде осадка; для этого требуется некоторая концентрация этих веществ. Смолистые вещества могут откладываться и на поверхностях трения.

Причины обводнения масла в смазочных системах следующие:

1.      Выделение воды в результате разложения углеводородов масла в процессе старения;

2.      Прорывание пара через уплотнения. В паровых турбинах пар проникает через лабиринтные уплотнения - при отсутствии или неудачно поставленных отбойных щитках - в стулья подшипников, где конденсат смешивается со смазочным маслом. Аналогичное происходит и в турбонасосах. В подшипники может попасть также пар на стоянке машины через неплотности пускового вентиля;

3. Попадание воды через уплотнения. В систему смазки машины вода может попасть там, где она применяется по ходу технологического процесса, как, например, в прокатных станах, где водой сбивают окалину с прокатываемого металла; в металлорежущих станках, где водные растворы и эмульсии служат для охлаждения инструмента, в бумагоделательных машинах, с сеточной части которых удаляется вода, находившаяся первоначально в волокнистой суспензии. Вода в масло может попасть изнутри самой машины или аппарата, как, например, к подшипникам через сальниковые уплотнения водяных насосов или через прокладки головок цилиндров.

В судовых силовых установках обводнение масла иногда происходит в маслосборной цистерне, расположенной во втором дне, через неплотности системы охлаждения или циркуляционной системы и неплотности настила машинного отделения;

4.      Конденсация попавшей из атмосферы влаги в условиях высокой влажности в картерах, корпусах редукторов и т.п. при стоянке машины, в баках и цистернах (“отпотевание” стенок);

5.      Частичная конденсация водяного пара, входящего в состав продуктов сгорания и прорывающегося вместе с ними в картеры двигателя внутреннего сгорания.

В результате сгорания 1 кГ бензина или дизельного топлива образуется приблизительно 1,3 кГ водяного пара. При хорошем уплотнении рабочего пространства лишь небольшая часть пара прорывается в картер. С изнашиванием поршневых колец и стенок цилиндров проникновение отработавших газов в картер увеличивается. В недостаточно прогретом двигателе пар конденсируется на холодных стенках цилиндра, и вода, смешиваясь с маслом, также в небольшом количестве попадает в картер.

По данным Л.И. Парадашвили, относящимся к автомобильным двигателям, содержание конденсата водяных паров в работавшем масле составляет после 100 ч работы двигателя при средней температуре стенок цилиндров 40 °С на богатой смеси при коэффициенте избытка воздухаа = 0,95-24,4 %, на нормальной смеси при а = 0,95- 12,0 % и на бедной смеси а = 1,15 - всего 0,8 %. Напомним, что карбюраторные двигатели развивают наибольшую мощность при недостатке воздуха в рабочей смеси,когдаа = 0,8...0,9, в связи с большой скоростью сгорания, наибольшая же экономичность достигается на бедной смеси при а = 1,05... 1,15. В дизелях а =1,2... 1,5, поэтому обводнение масла меньше. Здесь не рассматривались случаи обводнения масла из-за образования трещин в головках или блоках цилиндров двигателей внутреннего сгорания и трубах маслоохладителей и т.п.

Вода в масле ухудшает его смазочные свойства, усиливает в присутствии металлов-катализаторов окисление масла и создает опасность корродирования поверхностей деталей. Рабочие поверхности некоторых деталей, например шеек валов, при наличии в масле пресной воды темнеют, при наличии соленой воды заметно корродируют. Предупреждение коррозии производится не только для повышения износостойкости пар трения. Корродирование, например, бойка предельного регулятора турбины может повлиять на безотказность его работы, и в связи с этим скорость ротора может превысить предельно допустимую [5].

Вода в масле или топливе - одна из основных причин водородного изнашивания деталей.

Рис. 1.1. Образование ледяных пробок в сверлениях шатунной шейки:1-шатунная шейка 2-масло 3-ледяная пробка

Вода в масле циркуляционной системы транспортных двигателей может стать причиной серьезных неисправностей в зимнее время. Масляные фильтры могут оказаться закупоренными льдом, а масляный насос может прекратить подачу масла вследствие обмерзания сетчатых фильтров. Это относится в первую очередь к автомобильным двигателям, где находящееся в нижнем картере масло подвергается интенсивному охлаждению при движении автомобиля. Этим объясняются нередко наблюдаемые случаи выплавления в холодную погоду подшипников коленчатых валов этих двигателей. В двигателях с внутренними полостями в коленчатых валах вода, попадая вместе с циркулирующим маслом во внутренние полости шатунных шеек и имея большую плотность, чем масло, сепарируется и накапливается здесь во время работы двигателя. Если после остановки двигателя шатунная шейка, в которой накопилась вода, займет положение выше коренных шеек, то вода, отстоявшись во внутренней полости шейки (рис. 1.1), заполнит соединительные каналы в щеках, где при охлаждении двигателя образуются ледяные пробки [1].

В этом случае при пуске двигателя, если не будут приняты пред- варительнве меры для оттаивания пробок, часть коленчатого вала окажется отключенной от системы смазки [1].

3.            Отложения на деталях и в системе смазки

Отложения на деталях и в системе смазки образуются в результате старения масла, а в двигателях внутреннего сгорания, кроме того, в результате наличия продуктов разложения и неполного окисления топлива. Хотя эти отложения не являются полностью углеродистыми, но они получили такое наименование.

Углеродистые отложения в двигателях разделяются на три вида: нагар, лак и осадки (шлам). Для нагара характерен черный цвет, но он может быть белого, оранжевого, коричневого и других цветов, имея различную структуру, - плотную, рыхлую или пластинчатую. Нагарообразование, кроме двигателей, возможно и в других машинах.

Лак представляет собой тонкий слой твердого или клейкого углеродистого вещества от коричневого до черного цвета. Лаковые отложения в двигателях на боковой и внутренней поверхностях поршня, на шатуне и поршневых пальцах объясняются тем, что масло в тончайшем слое при повышенной температуре на металлической поверхности в присутствии кислорода подвергается полимеризации и уплотнению. Такова же природа процесса лакообразования на штоках клапанов, пальцах прицепных шатунов, коренных и шатунных подшипниках авиационных поршневых двигателей, а также подшипниках качения турбореактивных двигателей. Этот процесс протекает, хотя и с меньшей интенсивностью, в подшипниках и на шейках валов менее теплонапряженных автотракторных, тепловозных и судовых двигателей, а также на деталях других машин с невысокой объемной температурой, как, например, на бронзовых подшипниках шпинделей металлорежущих станков. При неудовлетворительной работе системы охлаждения компрессоров образуются лаковые отложения на клапанах, поршневых кольцах цилиндров и пластинах ротационных компрессоров. В опытах С.В. Венцеля [3] над возвратно-поступательной парой из цилиндра и кольца наблюдалось образование отложений при средней объемной температуре металла до 70 °С и масла до 50 °С.