Избирательный перенос 2 страница

Рис.7.6. Схема формирования адсорбционного слоя

Затем под действием дисперсионных сил образуются следующие слои. Молекулы между собой по всей длине находятся под действием поперечных (дисперсионных) сил. Таким образом, мультимолекулярный слой приобретает квазикристаллическую структуру комплекса жидких криталлов, обладающего свойствами квазитвердого тела с высоким модулем упругости рис.7.7.

Рис.7.7. Схема структуры граничного смазочного слоя

на поверхности металла:

А - поликристаллическая поверхность металла;

Б - поликристаллическая зона граничного слоя;

В - монокристаллическая зона граничного слоя

Так, модуль упругости молекул жирных кислот достигает Е=3,5…5 ·10⁵ МПа, а мультимолекулярные слои выдерживают нагрузку до 100 МПа.

С другой стороны, монослои связаны между собой слабыми дисперсионными силами Ван дер Ваальса, что является причиной легкого скольжения между контактирующими адсорбционными пленками при граничном трении (рис.7.8).

Рис.7.8. Схема скольжения граничных слоев,

построенных из цепных макромолекул

В результате химических реакций жирных кислот с металлической поверхностью образуются мыла, снижающие трение. Наиболее активны медь, кадмий, цинк, магний, в меньшей степени железо, алюминий.

Прилегающий к твердому телу монослой образует химические связи с поверхностью металла с образованием химически модифицированных слоев при наличии таких химически активных элементов, как S, Cl, P. В этом случае образуются модифицированные слои, состоящие из соединений железа с S, Cl, P. Модифицированные слои не только обеспечивают снижение трения, но и являются более активными адсорбентами.

Модифицированные слои повышают износостойкость, так как в процессе трения разрушается не сам металл, а менее прочный модифицированный слой, существенную долю в котором составляет активный элемент присадки. В результате этого вместо интенсивного изнашивания металла происходит потеря массы присадки, воспроизводимой из смазочного материала.

Эффективность присадок, содержащих Cl, начинает проявляться при температуре 100…150°С. Сульфидные пленки эффективны при более высоких температурах, но коэффициент трения несколько выше. Самый высокий коэффициент трения имеют фосфидные пленки, но они обладают высокой износостойкостью. Поверхностно-активные вещества в результате миграции по поверхности могут проникать в микротрещины, вызывая адсорбционное пластифицирование (эффект Ребиндера) и, как следствие, разрушение тонкого поверхностного слоя. Если такой процесс локализуется на микронеровностях, то происходит их сглаживание, идет процесс приработки и улучшения смазывания поверхностей.

Рис. 7.9. Схема адсорбционно-расклинивающего действия

полярных молекул смазочного материала:

F – давление адсорбированого слоя; Q – расклинивающие силы

При высоких нагрузках процесс разрушения поверхностей проникает на большую глубину и граничные слои ведут себя не как смазочные, а скорее как режущие.

При граничной смазке проявляется еще один эффект – “эффект Дерягина”, когда ориентированные граничные слои способны оказывать расклинивающее действие, выражающееся в сопротивлении слоя смазочного материала утоньшению под действием нагрузки (рис.7.9).

Значительное влияние на прочность граничного слоя оказывает температура. Повышение температуры приводит к резкому возрастанию силы трения и повреждению поверхностей, свидетельствующее о разрушении граничного смазочного слоя, т.е. о дезориентации и десорбции молекул ПАВ.

Повышение температуры в присутствии химически активных добавок в смазочном материале интенсифицирует процесс образования химически модифицированных слоев, обеспечивающих снижение трения и износ. Дальнейший рост температуры ведет к разрушению модифицированных слоев, следствием чего является адгезионное изнашивание.

Разрушение граничного слоя может вызываться и пластической деформацией поверхностей в сопряженном контакте.

7.6. Смазочные материалы

7.6.1. Общая характеристика

Для снижения трения и скорости изнашивания широкое распространение получили смазочные материалы. Различают несколько видов смазочных материалов:

- жидкие смазочные материалы (ЖСМ);

- пластичные смазочные материалы (ПСМ);

- твердые смазочные материалы (ТСМ);

- газообразные смазочные материалы (ГСМ);

По происхождению ЖСМ подразделяются на:

- минеральные (нефтяные и сланцевые);

- жировые (растительные и животные);

- синтетические.

Минеральные масла представляют сложную смесь углеводородов (парафиновых, нафтеновых, ароматических). В них присутствуют сернистые соединения, смолы, нафтеновые кислоты.

Чистые нефтяные масла работоспособны в диапазоне температур -40°С…+50°С. Эксплуатационные свойства масел улучшают путем введения присадок. Эти масла наиболее широко используются для смазывания узлов трения механизмов металлургических машин.

Жировые масла обладают лучшими антифрикционными свойствами, чем чисто нефтяные масла, но являются менее стабильными в эксплуатации, быстро окисляются, особенно при повышенной температуре. Работоспособны при температурах -20°С…+100°С. В чистом виде используются в основном в процессе холодной прокатки полос, в качестве присадок к нефтяным маслам и при производстве ПСМ.

Синтетические масла пока не используются в узлах трения металлургических машин из-за их высокой стоимости.

Они работоспособны в диапазоне температур -60 – +400°С.

Применение ЖСМ обеспечивает в узлах трения:

- режим жидкостной смазки;

- интенсивный теплоотвод;

- фильтрацию продуктов износа.

Пластичный смазочный материал (ПСМ) представляет собой систему, состоящую из жидкой среды, которая удерживается в структурном каркасе загустителя. В качестве жидкой среды используются ЖСМ (от 70 до 95% по массе), преимущественно минеральные масла. В качестве загустителя используются мыла жирных кислот, твердые углеводороды, пигменты, силикагель, бентонитовые глины. Для улучшения эксплуатационных свойств вводятся присадки и наполнители (до 10% по объему).

Применение ПСМ обеспечивает в узлах трения:

- режим граничной смазки;

- избирательный перенос;

- защиту от коррозии;

- снижение вибрации;

- снижение трения и износа;

- уплотнение зазоров в сопряжениях.

Твердые смазочные материалы (ТСМ) и твердые антифрикционные покрытия применяются тогда, когда не могут применяться ЖСМ и ПСМ, т.е. при температурах застывания этих материалов и при высоких температурах, когда эти материалы разлагаются и испаряются.

Твердые смазочные материалы подразделяются на неорганические и органические. Из неорганических твердых смазочных материалов наиболее широкое распространение получили: графит, дисульфид молибдена , дисульфид вольфрама . Из органических ТСМ наиболее широко используются политетрафторэтилен (ПТФЭ), полиамиды.

Газовые смазочные материалы используются в высокоскоростных узлах трения при

7.6.2. Классификация минеральных масел

В зависимости от способа получения нефтяные масла различают:

- дистиллятные (полученные из масляных дистиллятов после вакуумной перегонки мазута);

- остаточные (полученные из гудрона);

- компаундированные (путем смешивания базовых дистиллятных и остаточных масел);

- загущенные (с полимерными присадками).

По назначению масла подразделяются на:

- индустриальные;

- трансмиссионные;

- моторные;

- энергетические (турбинные, трансформаторные, электроизоляционные, конденсаторные, кабельные, компрессорные, для выключателей);

- технологические;

- теплоносители;

- специальные (пропиточные, парфюмерные, медицинские, для цепей туннельных печей и др.).

В узлах трения металлургических машин в основном используются индустриальные и трансмиссионные масла.

В соответствии со стандартом ГОСТ 17479.4-87 “Смазочные материалы индустриальные”, разработанном на основании международного стандарта ИСО 3448-75, индустриальные масла подразделяются по вязкости на 18 классов с кинематической вязкостью при температуре .

По прежней классификации значение вязкости в обозначении марки минерального масла приводилось для эталонных температур и .

Пример обозначения индустриальных масел по прежней и действующей классификациям

Эталонная температура t, °С
И-12 H	И-Л-А-22	Цилиндровое-11	И-Т-А-100
ИГП-14	И-Л-С-22	МС-14	И-Т-А-220
И-20 А	И-Г-А-32	МС-20	И-Т-А-320
ИСП-40	И-Т-D-68	П-28	И-Т-А-460
И-50 А	И-Г-А-100	Цилиндровое-24	И-Т-А-460
ИГП-72	И-Г-С-100	Цилиндровое-38	И-Т-А-680
ИТП-200	И-Т-D-460	П-40	И-Т-А-680
ИТП-300	И-Т-D-680	Цилиндровое-52	И-Т-А-1000

В обозначение индустриальных масел входят символы, отражающие область применения, эксплуатационные свойства и класс вязкости.

Порядок символов. Характеристика символов

[1-2-3-4]

| | | | значение вязкости в .

| | | | 2,3,5,7,10,15,22,46,68,100,150,220,460,680,1000,1500

| | |

| | | эксплуатационные свойства.

| | | А - масла без присадок

| | | В®А+антиокислительные, антикоррозионные присадки

| | | С®В+противоизносные

| | | D®С+противозадирные

| | | Е®D+противоскачковые

| |

| | область применения.

| | Л(F)-легконагруженные узлы трения

| | Г(Н)-для гидравлических систем

| | Н(G)-для направляющих скольжения

| | Т(С)-тяжелонагруженные узлы трения

| И – индустриальные масла

7.6.3. Показатели физических свойств минеральных масел

Вязкость

При подборе минеральных масел значение вязкости является определяющей величиной. Различают вязкость динамическую – и кинематическую – . В системе СИ за единицу динамической вязкости принята Паскаль ·секунда (Па ·с), за единицу кинематической вязкости – м²/с. Для характеристики вязкости минеральных масел используются более мелкие единицы измерения – мПа ·с и мм²/с. Соотношение между динамической и кинематической вязкостью определяется зависимостью:

, (7.11)

где – плотность минерального масла.

На вязкость существенное влияние оказывает температура. В инженерных расчетах значение вязкости в зависимости от температуры можно определить по формуле Прокофьева:

, (7.12)

где – значение динамической вязкости при эталонной температуре (40, 50, 100^оС);

t – температура, при которой определяется вязкость смазочного материала, как правило рабочая температура;

n – коэффициент, определяемый из зависимости:

. (7.13)

Для характеристики изменения вязкости в зависимости от температуры существует так называемый индекс вязкости – ИВ. Если ИВ находится в пределах 85…95, то минеральное масло имеет удовлетворительную вязкостно-температурную характеристику. Чем выше ИВ, тем с меньшей интенсивностью изменяется вязкость с изменением температуры, тем надежнее реализуется режим жидкостной смазки в более широком температурном диапазоне.

Температура застывания

Температурой застывания условно считается та температура, при которой масло, помещенное в пробирку, не меняет положение мениска (на глаз) при повороте пробирки из вертикального положения в наклонное под углом 45^о.

Температура вспышки

Температура, при которой мгновенно вспыхивают накопившиеся газообразные углеводороды при приближении открытого пламени. Чем выше температура вспышки, тем более стабильно минеральное масло.

Кислотное число

Кислотное число характеризует количество щелочи КОН в мг, необходимой для нейтрализации кислот, находящихся в 1 г. масла. Присутствие кислот, особенно низкомолекулярных, вызывает интенсивную коррозию металлов. Повышение кислотного числа характеризует старение минерального масла.

Анилиновая точка

Это температура, при которой равные объемы минерального масла и анилина разделяются на две фазы. Чем выше температура разделения смеси, тем больше в масле ароматических соединений, тем ниже ИВ.

Противозадирные свойства

Характеризуются индексом задира – и нагрузкой заедания – .

,

где – нагрузка прижатия верхнего шара к нижним в четырехшариковой машине трения;

– диаметр площадки упругой деформации шаров;

– диаметр пятна износа.

Более износостойкими являются остаточные масла. Для них =0,6…0,8 мм при нагрузке 196 Н по ГОСТ 9490-75. Для дистиллятных масел =0,8…1,1 мм.

7.6.4. Фильтрация масел

Любая система смазывания и гидравлическая система загрязнены уже до начала эксплуатации (остатки материала, образовавшиеся при изготовлении, частицы, попавшие в момент сборки).

Степень загрязнения системы увеличивается вследствие износа за счет попадания загрязнений через вентиляционные отверстия, уплотнения, в процессе проведения ремонтов. При этом в одном литре масла может находиться до 100 млн. частиц размером более 1 мкм.

До 80% отказов в смазочных и гидравлических системах вызваны загрязнениями (заклинивание, более длительный рабочий цикл за счет износа сопряжений, вибрация подшипников, отсутствие необходимого давления, повышение температуры масла). Поэтому необходима соответствующая постоянная фильтрация масла. С этой целью используют защитные фильтры грубой очистки и рабочие фильтры сверхтонкой очистки. Первые задерживают крупные частицы, размеры которых значительно больше зазоров. Рабочие фильтры удаляют частицы до 5 мкм и сводят износ до минимума. Решающее влияние на износ узлов трения наряду с размерами частиц оказывает и их количество.

Разработан международный стандарт ИСО 4406 на чистоту масла. По этому стандарту определяется количество частиц размером более 5 мкм и частиц размером более 15 мкм в 100 мл жидкости.

Обычные фильтры задерживают частицы размером более 25 мкм, что определяет невысокий срок службы узлов трения, работающих в режиме эластогидродинамической смазки. Существенно повышается срок службы таких узлов при фильтрации частиц менее 10 мкм.

В процессе эксплуатации необходимо удалять не только частицы загрязняющих веществ, но и воду, проникающую в систему. Вода способствует кавитации, коррозии, ускоренному старению масла, особенно при наличии частиц железа или меди, которые являются катализаторами старения масла при наличии воды. Наряду с этим вода способствует осаждению присадок, уменьшению толщины смазочной пленки, ускоренному износу шестеренчатого насоса.

7.6.5. Регенерация минеральных масел

Продукты окисления, загрязнения и другие примеси, накапливающиеся в масле в процессе эксплуатации, резко снижают его качество. Для восстановления первоначальных свойств масел или существенного снижения количества продуктов окисления и воды разработаны различные способы регенерации. Простейшими технологическими процессами регенерации являются:

- отстой и фильтрация;

- отстой, адсорбционная очистка, фильтрация;

- отстой, обработка щелочью, адсорбционная очистка, фильтрация;

- отстой, обработка кислотой, адсорбционная очистка, фильтрация;

- отстой, обработка кислотой и щелочью, адсорбционная очистка, фильтрация.

Отстой отработавших масел от механических примесей и воды наиболее эффективен при 80^о…90^оС. Время отстоя 24…48 часов.

Для фильтрации масла применяют металлические сетки, плотные ткани, бумагу, картон, отбеливающие земли.

Малозагрязненные и малообводненные масла (до 0,3%) в циркуляционных смазочных системах очищают сепараторами при подогреве масла до 60…70^оС.

Серно-кислотную очистку применяют для глубоко окисленных отработавших масел.

Обработка щелочью служит для удаления из масла органических кислот и остатка свободной серной кислоты.

Наиболее эффективным способом удаления из масла асфальтосмолистых веществ является адсорбция. В качестве адсорбентов применяется активированный уголь и отбеливающие земли. Наиболее глубокую очистку минеральных масел, практически полное восстановление исходных свойств можно получить на специальных регенерационных установках. В этом случае технологический процесс включает следующие процессы:

- осаждение (грубое удаление воды и механических примесей);

- атмосферная перегонка (удаление низкокипящих фракций и воды);

- серно-кислотная очистка с последующей нейтрализацией известью (удаление продуктов окисления и присадок);

- фильтрование (удаление кислого гудрона);

- вакуумная перегонка (разделение на один или два маловязких и средневязких дистиллята и остаток);

- очистка отбеливающими глинами;

- компаудирование и введение присадок.

7.6.6. Пластичные смазочные материалы и их свойства

При подборе ПСМ решающее значение имеют их эксплуатационные характеристики, наиболее важными являются:

- объемно-механические свойства;

- стабильность, как коллоидных систем;

- триботехнические свойства.

К объемно-механическим свойствам относятся: предел прочности на сдвиг и разрыв, вязкость, механическая стабильность, термоупрочнение, пенетрация. Предел прочности на сдвиг определяет каркас загустителя. Для большей части ПСМ в интервале температур t=20…120^оС предел прочности составляет 0,1…2 кПа. При меньших значениях смазочный материал вытекает из узла трения, при больших значениях затрудняется его доступ к смазываемой поверхности.

Вязкость определяет возможность подачи и заправки ПСМ в узлы трения при низких температурах. Существующими нагнетателями можно подавать ПСМ вязкостью не более 5…10 кПа ·с. В централизованных смазочных системах вязкость ПСМ не должна превышать 80 Па ·с.

После разрушения структурного каркаса ПСМ начинает течь подобно жидкости. С увеличением скорости течения (скорости деформации) до 10 с^-1 вязкость смазочного материала понижается в сотни и тысячи раз.

В результате интенсивного и длительного сдвига изменяется предел прочности. Изменение предела прочности на сдвиг под воздействием механического нагружения есть механическая стабильность, которая характеризуется индексом разрушения – К_р и индексом восстановления – К_в.

где - исходный предел прочности на сдвиг;

- предел прочности после разрушения;

- предел прочности через трое суток после окончания разрушения.

Термоупрочнение характеризует изменение предела прочности на сдвиг ПСМ при нагреве выше 100^оС и последующем охлаждении.

Степень консистенции ПСМ характеризуется числом пенетрации. Число пенетрации выражает глубину погружения в мм, умноженную на число 10, стандартного конуса массой 150 г под действием собственного веса в течение 5 с.

ПСМ должны сохранять стабильность как коллоидные системы, неизменность состава, стойкость против окисления, инертность к воде и агрессивным средам. Проявлением нарушения коллоидной стабильности является выделение жидкой фазы (минерального масла) в процессе хранения и под воздействием одностороннего приложенного давления.

ПСМ обеспечивают реализацию граничной смазки и поэтому имеют лучшие антифрикционные характеристики, чем минеральные масла, на которых они изготовлены.

Противоизносные и противозадирные свойства ПСМ характеризуются нагрузкой заедания – Р_кр и нагрузкой сваривания – Р_с.

Присутствие в ПСМ свободных щелочей и воды существенно ухудшает их смазочное действие, усиливается коррозионный износ.

Наиболее эффективно для снижения износа является введение в ПСМ роданида меди, этиленгликоля.

Для улучшения триботехнических свойств в ПСМ вводят различные наполнители в виде порошков графита, МоS₂, слюды, Sn, Cu, Pb. Введение в ПСМ соли однойодистой меди и соли меди ацетилсалициловой кислоты реализует эффект безизносности. В качестве полимерных наполнителей используют полиэтилен, полипропилен, ПТФЭ в виде порошков дисперсностью до 10 мкм.

7.6.7. Твердые смазочные материалы

Наиболее часто в узлах трения металлургических машин при невозможности применения ЖСМ и ПСМ применяются графит, дисульфид молибдена, мягкие металлы (Pb, Sn), ПТФЭ (фторопласт).

Графит обладает хорошими антифрикционными свойствами в атмосферных условиях до температуры t=400^оС, которые теряются в вакууме, инертном газе, сухом воздухе.

Дисульфид молибдена MoS₂ имеет структуру, подобную графиту, но его антифрикционные свойства ухудшаются при адсорбции кислорода, паров воды и других веществ, вступающих в химическое взаимодействие с серой. В вакууме MoS₂ работоспособен до температуры t=1000…1300^оС, а на воздухе до t=350^оС.

Мягкие металлы (металлы с низкой температурой плавления: Jn – 165^оC, Pb –327^оС, Sn – 238^оС, Cd – 321^оС) используются в качестве основы или компонентов покрытий на твердых конструкционных материалах. Их антифрикционность определяется малым сопротивлением срезу в тонком слое мягкого покрытия при относительном движении поверхностей под нагрузкой. Порошки мягких металлов вводят в качестве наполнителей в ПСМ и композиционные антифрикционные материалы.

Из органических полимерных материалов наиболее эффективен политетрафторэтилен (ПТФЭ) или фторопласт (зарубежное название - тефлон). ПТФЭ имеет смешанную кристаллическую и аморфную структуру (степень кристалличности до 90%). Взаимодействие между молекулами и кристаллами ПТФЭ осуществляется слабыми ван-дер-ваальсовыми силами, что и обеспечивает его высокую антифрикционность. ПТФЭ инертен, не горит, не смачивается большинством жидкостей, работоспособен при температурах t=-269…+270^оС. Основные характеристики:

- температура плавления кристаллов 327^оС;

- твердость 30…40 HB(МПа);

- предел прочности на растяжение =14…31 МПа;

- модуль упругости при изгибе 0,43…0,85 ГПа;

- температурный коэффициент линейного расширения – 24 ·10^-5;

- допустимые нагрузки и скорости скольжения [p]=0,2 МПа, [v]=2м/с.

ПТФЭ в узлах трения применяется в виде тонких покрытий, в композиционных материалах и в качестве наполнителя ПСМ.

Этот материал требует осторожного обращения при нагреве. При температуре выше 400…500^оС начинается разложение фторопласта с выделением токсичного газа перфторизобутилена, который в 50 раз токсичнее фосгена.

Глава 8. Выбор смазочных материалов для узлов трения

8.1. Методика выбора смазочных материалов

Смазочные материалы являются, по сути, конструкционными материалами, и от правильного выбора соответствующей марки смазочного материала во многом зависит надежность машин и механизмов.

Освоение методики выбора смазочных материалов позволяет не только осуществлять их выбор, но и выявлять как границы их использования, так и область изменения параметров нагружения, обеспечивающую наибольшую износостойкость узла трения.

Применение того или иного вида смазочного материала в конкретном узле трения зависит от многих факторов: условий внешней среды (температура, влажность и т.д.), удельной нагрузки, скорости смещения контактирующих поверхностей, характера движения (прерывистое, реверсивное), геометрических характеристик и материала пар трения, твердости поверхностных слоев трущихся тел, необходимости использования конкретной системы смазывания, конструктивного исполнения узла трения и др.

Металлургические машины, особенно прокатные станы, характеризуются широким спектром нагружения, и поэтому даже рекомендуемые заводом-изготовителем марки смазочных материалов не могут охватить всего диапазона изменения силовых и кинематических параметров технологического процесса. Специалист, осуществляющий техническую эксплуатацию оборудования, обязан знать границы изменения этого диапазона как для используемых марок смазочных материалов, так и для их заменителей.

В общем случае методика выбора смазочных материалов заключается в следующем:

- выявляются условия работы и технические параметры узла трения;

- осуществляется выбор вида смазочного материала;

- определяется марка смазочного материала.

Основными параметрами, влияющими на выбор смазочного материала, являются: удельная нагрузка р и скорость скольжения , параметр p и температура , твердость и микрогеометрия трущихся поверхностей, материал трущихся поверхностей.

8.2. Выбор вида смазочного материала

8.2.1. Общая характеристика смазочных материалов

В узлах трения металлургических машин наиболее широкое распространение получили жидкие, пластичные и твердые смазочные материалы.

В качестве жидких смазочных материалов широко используются минеральные масла, способные обеспечить:

- жидкостную смазку;

- интенсивный теплоотвод;

- фильтрацию продуктов изнашивания.

При выборе минеральных масел необходимо учитывать, что:

- при температуре выше 150°С происходит деструкция масел;

- при незначительном изменении температуры масла происходит значительное изменение его вязкости;

- требуется эффективная герметизация узлов трения;

- необходимо большое количество единовременно используемого масла.

Минеральные масла рекомендуется применять в узлах трения с интенсивным тепловыделением, работающих с достаточно большими контактными нагрузками и скоростями скольжения.

Дата добавления: 2014-12-08