Изменения свойств смазки и антифрикционных свойств подшипников скольжения в эксплуатации

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 обычных температурах и атмосферном давлении минеральные масла в объеме (в толстом слое) почти не окисляются, при повышении температуры окисление ускоряется: изменение физико-химических свойств при температуре 100 °С исчисляется уже сутками, а при 250 °С - минутами. Скорость окисления значительно изменяется в присутствии металлов, особенно их окислов и металлических мыл. Свинец является наиболее сильным катализатором окисления, за ним следуют медь и железо. Алюминий почти не оказывает влияния на процесс окисления. Каталитическое действие других металлов слабое, они могут даже тормозить окисление. Наличие воды в масле, как показывают опыты Н.М. Черножукова, делает окисление более интенсивным.

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.

Если лаковые отложения на поршне могут привести к его перегреву вследствие ухудшения условий теплоотвода и к заклиниванию поршневых колец в канавках поршня, то отложения на рабочей поверхности подшипников можно рассматривать как положительный фактор уменьшения износа и повышения противозадирной стойкости сопряженной пары. Некоторые исследователи утверждают, что всякий хорошо приработавшийся подшипник обычно покрыт полимерными образованиями.

В картерах двигателей, шестеренных и клапанных коробок, в корпусах редукторов, на коленчатых валах, в баках, маслосборниках и во всей масляной системе обнаруживаются при работе машин липкие осадки или так называемый шлам. Шлам - это тестообразное или полутвердое вещество от светло-коричневого до черного цвета, состоящее из жидкости и нерастворимых в ней веществ, загущающих ее в эмульсию или суспензию. В масляной системе шлам состоит из масла, нерастворимых в нем смолистых веществ и других продуктов окисления масла, воды и твердых частиц в масле. Соответственно условиям образования шлам может содержать большое количество смол и быть почти свободным от воды и углистых частиц, и наоборот, он может содержать много воды, образующей эмульсию в масле, и твердых частиц, в том числе кокса, при незначительном количестве смолы. Разумеется, возможны и другие соотношения.

Таблица 1.1

Состав осадка в системах смазки паровых турбин

подшипник скольжение смазочный антифрикционный

Шлам в картерах автомобильных двигателей состоит на 50 - 70 % из масла, на 5 -15 % из воды, а в остальном из горючего, продуктов окисления масла и твердых частиц. В состав осадка систем смазки паровых турбин входят масло, нерастворимые продукты окисления, вода, кремний, окислы железа, меди, цинка, сульфаты и хлориды. Количественное содержание осадка в системе смазки паровых турбин по данным Олд и Николсона представлено в табл. 1.1.

Шлам может встречаться в виде отдельных сгустков, плавающих в масле или, в исключительных случаях, в виде больших комьев.

Шламообразование, связанное с интенсивным старением масла, существенно зависит от температуры последнего. Обводнение смазки, засорение ее механическими частицами, в особенности мельчайшими, являющимися эмульгаторами, частичное или полное засорение сапуна в двигателях внутреннего сгорания способствуют образованию шлама. Накопившийся шлам забивает фильтры, маслоохладители и полости центрифуг, уменьшает пропускную способность масляных каналов. Забивка шламом приемника масляных насосов может полностью нарушить работу масляной смстемы. При центробежной очистке масла в полостях шатунных шеек коленчатых валов отделившийся шлам освобождается от жидкой фазы и спрессовывается. Эти отложения могут ограничивать ресурс двигателя.

Отложения смолистых веществ из рабочей жидкости гидравлических систем на детялях прецизионных золотниковых пар могут привести к временному зависанию золотниковых пар или к полному заклиниванию пары.

4. Изменение антифрикционных свойств подшипников скольжения при эксплуатации

При эксплуатации двигателей внутреннего сгорания происходит неизбежное попадание на рабочие поверхности подшипников твердых частиц в виде песка или пыли, продуктов износа (металлических частиц), продуктов коксования масла (твердых углистых частиц) и др. Попадание твердых частиц на мягкую заливку подшипника существенно влияет на его работу не только в начальный период, но и в течение всей эксплуатации двигателя. Причиной большего износа шеек коленчатых валов автомобильных двигателей по сравнению с износом их подшипников, являются именно эти мелкие твердые частицы, содержащиеся в автомобильном картерном масле. Эти частицы во время работы попадают в подшипник скольжения и некоторое количество их остается на его поверхности. Способность подшипникового материала работать со смазкой, содержащей абразивные частицы, является важной его эксплуатационной характеристикой, имеющей большое практическое значение. Это значение возрастает при уменьшении толщины заливки подшипника и при повышении твердости подшипникового материала. Исследования американских ученых по оценке работоспособности подшипниковых материалов при смазке, содержащей абразивные частицы, свидетельствуют, что при попадании абразивных частиц в подшипник происходит резкое повышение его температуры. Степень повышения температуры находится в линейной зависимости от концентрации абразива в смазке. При этом для каждого подшипникового материала имеется критическая величина концентрации абразива, при которой подшипник немедленно выходит из строя. Величина износа цапфы также находится в линейной зависимости от концентрации абразива. Для абразивных частиц большего размера, чем номинальная толщина масляного слоя, повышение температурного режима подшипника пропорционально номинальному размеру частиц. При увеличении толщины заливки подшипника степень подъема температуры подшипника при попадании в него абразива резко снижается и при дальнейшем увеличении асимптотически приближается к прямой линии, имеющей малый угол наклона к оси абсцисс. В том случае, когда толщина заливки существенно меньше, чем номинальный размер абразивных частиц, основной материал подшипника существенно влияет на работоспособность подшипника. Так, например, при основном металле - меди, происходит большее повышение температуры, чем при основном металле -- алюминии.

В некоторых случаях для улучшения работы твердых подшипниковых материалов, когда при эксплуатации неизбежно попадание в смазку абразивных частиц, прибегают к изготовлению “сетчатых” подшипников с заполнением углублений “сетки”, образованной из твердого материала, мягким антифрикционным металлом, например баббитом. Такая конструкция облегчает работу подшипника при попадании абразивных частиц. Испытания показали, что если чистая медь при попадании абразива дает увеличение температуры подшипника на 1800 °С в минуту (получено путем интерполяции), то “сетчатый” подшипник с углублениями, заполненными баббитом при тех же условиях испытаний, дал увеличение температуры всего на 36 °С в минуту. Различные подшипниковые материалы обладают разной работоспособностью при смазке, содержащей абразив. Наиболее чувствительными являются медь и свинцовистая бронза. Мягкие покрытия на твердых подшипниковых материалах увеличивают работоспособность подшипника при смазке, содержащей абразив.

Как уже упоминалось, при эксплуатации двигателей в верхний слой материала подшипника впрессовываются твердые частицы, оказывающие влияние на его работоспособность на протяжении всего ресурса. В практике ремонта мощных тяжелонагруженных авиационных поршневых двигателей с бронзовыми подшипниками естественно возникает вопрос о том, насколько снижаются антифрикционные свойства подшипников за период их эксплуатации и не может ли вследствие снижения антифрикционных свойств произойти заедание или выход их из строя при повторном использовании. В связи с этим были проведены испытания образцов из вкладышей подшипников, залитых свинцовистой бронзой, бывших в эксплуатации (проработавших более 300 ч),и новых вкладышей. Исследованию подвергались образцы вкладышей со свинцовым покрытием и без него в условиях граничной смазки (фитильная подача смазки). Поверхности трения образцов, вырезанных из вкладышей, бывших в эксплуатации, не повреждалась. Поверхности стальных образцов, вырезанных из материала коленчатого вала, зачищались наждачной шкуркой № 400 и промывались бензином. Один и тот же режим зачистки сохранял постоянную величину шероховатости рабочей поверхности стального контртела.

Химический анализ поверхностей трения вкладышей из свинцовистой бронзы, проработавших длительное время на двигателе, проводили послойно. С рабочей поверхности двенадцати вкладышей острым шабером снимали тонкий слой, который подвергали химическому анализу на содержание железа и алюминия. Затем снимали второй слой и также определяли содержание железа и алюминия.

Проведенные исследования позволили сделать следующие выводы.

1. Коэффициенты трения образцов из вкладышей (свинцовистая бронза), выработавших ресурс, при трении по стали выше (на 25-- 30 %) по сравнению с образцами из новых вкладышей как освинцованных, так и не освинцованных.

2. Период приработки образцов из вкладышей, выработавших ресурс, больше (на 25--30 %) по сравнению с образцами из новых освинцованных и не освинцованных вкладышей.

3. При резком увеличении нагрузки (в период приработки) заедание образцов из вкладышей, выработавших ресурс, происходит при более низкой нагрузке, чем образцов из новых освинцованных и не освинцованных вкладышей.

4. Химический состав верхнего слоя свинцовистой бронзы вкладышей, выработавших ресурс, отличается от химического состава новых вкладышей; в нем содержится до 2,37 % железа и до 2,5 % алюминия. По техническим условиям допускается в новых вкладышах железа не более 0,3 % и алюминия 0,02 %.

Выполненные исследования позволили скорректировать режимы приработки двигателей, прошедших капитальный ремонт, с вкладышами коленчатого вала, установленными повторно.

Размещено на Allbest.ru