Смазочных материалов на машине трения СМТ

Федеральное агентство по образованию

Государственное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«МАТИ» - Российский государственный

технологический Университет им. К.Э.Циолковского

_____________________________________________________________________________________________

Кафедра «Технология производства двигателей

летательных аппаратов»

ИССЛЕДОВАНИЕ АНТИФРИКЦИОННЫХ СВОЙСТВ

СМАЗОЧНЫХ МАТЕРИАЛОВ НА МАШИНЕ ТРЕНИЯ СМТ

Методические указания к лабораторной работе № 6

по курсу " Триботехника"

Составители: П.Н. Хопин

А.Г. Бойцов

Москва 2007

ВВЕДЕНИЕ

Данные методические указания предназначены для проведения лабораторных занятий по курсу «Триботехника» для студентов дневной и вечерней форм обучения.

1. ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ

Различаются следующие режимы трения.

Сухое трение - когда на поверхностях нет смазки, они покрыты только окисными плёнками и адсорбированными плёнками воды и газа (тормоза, фрикционные передачи, узлы трения текстильной, пищевой, химической промышленности, где смазка во избежании порчи продукции либо по соображениям безопасности недопустима).

Граничное (полужидкостное) трение возникает в случае, когда поверхности разделены слоем смазки малой толщины (0, 1мкм и менее), т.е. слой смазки не полностью разделяет трущиеся поверхности, и выступы соприкасаются. Граничной (разделительный) слой из окислов, воды, адсорбированных газов, масел и загрязнений существенно уменьшает трение и износ (особенно это относится к граничным слоям жирных кислот, смол и других поверхностно-активных веществ - ПАВ). Этот режим наблюдается при малых скоростях трения в жидкостных подшипниках, при пуске, остановке, в клапанах и др.

Жидкостное (гидродинамическое) трение характеризуется тем, что трущиеся поверхности разделены слоем смазочной жидкости, находящейся под давлением или захватываемой поверхностями при больших скоростях перемещения. Жидкостное трение зачастую невозможно по ряду причин. Например, оно неприменимо при низких, криогенных и высоких температурах, в условиях вакуума и в некоторых других случаях.

При газодинамическом трении поверхности разделены слоем газа под давлением, и трение, по существу, является внутренним трением газа (узлы, работающие при больших скоростях, в требующие высокой точности перемещений - в приборах и пр.).

Диапазоны значений коэффициентов трения для различных режимов представлены в табл. 1:

Таблица 1

Значения коэффициентов трения

2. ВИДЫ СМАЗОЧНЫХ МАТЕРИАЛОВ

Смазочные материалы (СМ) - продукты органического и неорганического происхождения, которые вводят между поверхностями трущихся деталей для уменьшения потерь на трение, предотвращения заедания, снижения износа. Это достигается тем, что внутреннее трение в СМ существенно меньше, чем внешнее трение несмазанных поверхностей (рис.1):

3 2

Кроме того СМ защищают поверхности трение от коррозии, оказывают демпфирующее действие.

Классификация смазок представлена на рис.2:

			СМАЗКИ
ЖИДКИЕ		КОНСИСТЕНТНЫЕ (пластичные)		ТВЁРДЫЕ

Рис.2. Классификация смазочных материалов

2.1. ЖИДКИЕ СМАЗКИ

К жидким смазкам относятся все виды масел. Важнейшими физическими характеристиками масла являются коэффициент вязкости h, который зависит от температуры и давления, а также маслянистость, которая оценивается по величине fтр. (чем ниже fтр., чем выше маслянистость).

Классификация жидких смазок представлена на рис.3:

	Жидкие смазки
Растительные и животные		Минеральные		Синтетические

Рис.3. Классификация жидких смазок

По смазывающим свойствам жидкие смазки в порядке снижения их характеристик располагаются в последовательности:

- растительные (+++) ®минеральные (++) ® синтетические (+).

Растительные масла имеют активные радикалы, которые обусловливают сильную адгезию к металлам. Жировые (растительные) масла состоят из глицеридов (сложные эфиры глицерина) и жирных кислот. Их свойства лучше, чем у нефтяных, но они быстрее окисляются при высоких температурах. В настоящее время применяются в качестве присадок к нефтяным маслам для улучшения их антифрикционных характеристик.

Минеральные масла получают из нефти, в основе они имеют углеводородные цепи. Из всех смазочных материалов они имеют наибольшее значение. Исходным продуктом для их получения является мазут.

По назначению они подразделяются на:

n индустриальные;

n трансмиссионные;

n цилиндровые;

n моторные;

n авиационные;

n автолы и др.

Синтетические масла получают синтезом из простейших углеводородов (этилен, сложные эфиры и др.). Отличаются способностью работать при особо высоких и низких температурах и вследствие этого применяются в реактивной авиации (при перепадах температур от -60 до +300°С).

Синтетические масла подразделяются на 4 группы (рис.4):

Рис.4. Разновидности синтетических масел

Эфиры применяются для смазки авиационных приборов (для температур от -60 до +120°С), с использованием противоокислительных присадок до +200°С,

Гликоли используются при температурах от -60 до +100°С., склонны к окислению, их вязкость мало зависит от температуры.

Силиконы изготавливают на основе кремния. Их вязкость мало зависит от температуры в широком диапазоне температур от -60 до +250°С. Недостаток - плохая смазывающая способность, поэтому применяются для смазки узлов трения при низких и средних нагрузках, а также как гидравлические, амортизационные и др. жидкости.

Фторуглеродистые масла отличаются высокой термоокислительной стабильностью, значительно превосходя все другие синтетические масла. Их недостаток - сильная зависимость вязкости от температуры и высокая стоимость. Применяются при граничном трении в условиях высоких давлений.

Существенно повысить эффективность смазки можно введением различных присадок - это различные химические соединения, составляющие от 0, 002 до 5 %%, но резко улучшающие свойства масел. Например, глицерин, лауриновая, олеиновая, стеари6новая кислоты и др. Полезно введение в неактивную смазку (касторовое, вазелиновое масло) ПАВ, которые пластифицируют поверхностный слой металла, создавая положительный градиент механических свойств.

1.2. КОНСИСТЕНТНЫЕ СМАЗКИ

Консистентные смазки (КС) - это минеральные масла, загущенные солями высших жирных кислот - мылами. В зависимости от состава мыла КС подразделяются на:

n кальциевые (солидолы);

n натриевые (консталины);

n смешанные (кальций - натриевые);

n с металлической основой, загущенные алюминиевыми, магниевыми и др. мылами.

Солидолы содержат свободную и связанную воду, в воде не растворятся. Их применяют во влажной среде, но они не могут работать при Т> 55°С без пополнения. При плавлении теряют свои свойства.

Консталины плавятся при Т=100-200°С и, застывая, восстанавливают свои свойства. Но о6ни легко растворяются в воде, особенно при повышенной Т. Образующие вещества корродируют металлы.

Кальциево-натриевые смазки применяют при повышенной Т и небольшой влажности. Их свойства промежуточные между двумя названными.

Литиевые смазки (литолы) 0- практически нерастворимы в воде, обладают высокой загущающей способностью. имеют высокие эксплуатационные свойства. Используемый для их получения литий является отходом ядерной энергетики. Литиевая смазки литол-24 с 1973г. в России рекомендована как единая смазка для отечественных автомобилей.

КС применяются в шариковых и роликовых подшипниках, зубчатых и червячных передачах и пр. В обычных условиях КС ведут себя как тв1рдое тело. При приложении нагрузки смазка она теряет форму и начинает течь подобно маслу. При снятии нагрузки - застывает и прочно удерживается на поверхности.

Преимущества КС:

n имеют широкий температурный диапазон применения;

n обладают лучшей, чем масло адгезией к металлу;

n не разбрызгиваются;

n лучше, чем масла работают при малых скоростях V и высоких давления Р.

Недостатки КС:

n худшая работа при низких Т;

n трудности введения и распределения в зазоре и замены.

2.3. ТВЁРДЫЕ СМАЗКИ (ТС)

В качестве ТС используются графит, дисульфид молибдена или молибденит (МоS₂), дисульфид вольфрама, диселениды ниобия, тантала, дифториды кальция и др. Эти вещества обладают смазочными свойствами благодаря слоистой структуре кристаллической решётки. Они добываются, как полезные ископаемые, а также могут быть легко синтезированы.

Молибденит сохраняет низкий fтр. в высоком вакууме как при низких (от -70°С), так и при высоких температурах (до 700°С). Стоек в условиях радиации. Поэтому он входит в число композиций, применяемых в космической, криогенной, ядерной технике.

Графит менее универсален. Он хорошо работает на воздухе, но теряет работоспособность в вакууме, т.к. для нормального его функционирования необходимы пары воды (например, из воздуха). Графит термопрочен, обладает высокой тепло- и электропроводностью (применяется для электроконтактов, считается хорошей высокотемпературной смазкой для нормальной атмосферы).

ТС могут наноситься на поверхность натиранием (ротапринтный метод), суспензионным напылением в составе композиции с различного рода смолами (эпоксидными и др.): типа ВНИИ НП 212, 213, ВАП-2 и др. Имеются способы, связанные с химической обработкой основы, вакуумным нанесением и др.

В качестве ТС применяются мягкие металлические покрытия:

литий; свинец; кадмий; серебро и др.

Поведение таких плёнок напоминает поведение смазочных масел: они облегчают приработку, снижают трение в условиях вакуума, защищают основной металл и пр. Твёрдые смазочные металлические плёнки применяются там, где масла применяться не могут: в кислородных системах, при волочении, в условиях недоступности узла, при большом перепаде Т, при больших нагрузках. Так, при холодной обработке стальных труб на станах их покрывают слоем свинца.

3. АНТИФРИКЦИОННЫЕ СВОЙСТВА

СМАЗОЧНЫХ МАТЕРИАЛОВ

Чтобыразличить режимы трения используют скоростную зависимость fтр., которую часто называют диаграммой Штрибека - Герси (рис.5):

0, 3 0, 2

0, 1 0 0, 01 0, 1 1 10 V, м/с

При жидкостной смазке индентор и контртело разделены слоем жидкости (рис.1б). При относительном движении твёрдых тел в соответствии с уравнением Рейнольдса возникает гидродинамическая подъёмная сила, что соответствует оптимальному режиму трения, например, для подшипника скольжения.

При меньшей V или большей нормальной силе N или температуре окружающей среды Т пара может попасть в область полужидкостной смазки (зона 3 на рис.5), когда появляются небольшие зоны непосредственного контакта обоих тел.

При дальнейшем изменении указанных выше условий трение переходит в область граничной смазки (зона 2), которая характеризуется ещё большей фактической площадью контакта (ФПК).

С увеличением N наблюдается переход в область внутреннего трения (зона 1). Градиент сдвиговой прочности становится отрицательным, и система начинает быстро разрушаться.

Принципиальная зависимость fтр. от V для масел и пластичных смазок показана на рис.6:

fтр.

0, 2

0, 1

В

0, 1 0, 2 0, 3 V, м/с

Для жидких масел с увеличением скорости скольжения fтр. падает в связи с уменьшением времени существования фрикционных связей и ФПК. Для пластичных смазок обратная зависимость объясняется только снижением вязкости. В области высоких скоростей fтр. слабо возрастает увеличением V для кривых обоих типов.

Принципиальная зависимость fтр.= f(N) показана на рис.7:

fтр.

fдеф

.

fадг.

N

Некоторые значения fтр.:

n подшипник качения - 0, 0025;

n гидродинамический радиальный подшипник - 0, 005;

n граничная смазка - 0, 020-0, 1;

n трение фторопласта - ----- " -------;

n трение при резании - 1, 0.

Типичные значения fтр. для твёрдых смазочных покрытий приведены в табл.2:

Таблица 2

Значения fтр. для ТСП

4. ИССЛЕДОВАНИЕ АНТИФРИКЦИОННЫХ

ХАРАКТЕРИСТИК НА МАШИНЕ ТРЕНИЯ СМТ

Исследования проводятся по роликовой схеме трения, для которой (рис.9):

N

V

d

fтр. = Fтр. / N = 2Mтр. / d× N; (4.1)

V = , [м/с] (4.2)

где d = (мм); n= (об/мин.)

5. ЗАДАНИЕ

1. Провести испытание жидкой смазки:

1.1. Для определения зависимости fтр. = f (N)

при n = 100 об/мин.. (или при другом n, заданном преподавателем) с постепенным ступенчатым увеличением нагрузки;

- построить график fтр. = f (N);

- сделать выводы.

1.2. Для определения зависимости fтр. = f (V)

при N = (задаётся преподавателем) с постепенным ступенчатым увеличением скорости:

^х - число делений на миллиамперметре для измерения N (см. тарировочный график для N из л.р. №5)

1.2. построить график fтр. = f (V);

1.3. сделать выводы.

2. Провести испытание консистентной смазки (аналогично п.1).

3. Провести испытание пары трения " металл-металл":

3.1. определить значение fтр. на заданных преподавателем режимах.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1. Дать определение сухого, граничного, жидкостного и газодинамического трения?

2. Назвать виды смазочных материалов?

3. Классификация жидких смазок и их антифрикционные характеристики?

4. Дать определение и характеристики отдельных видов жидких смазок?

5. Что такое консистентные смазки? Их преимущества и недостатки?

6. Что такое твёрдые смазки? Их преимущества и недостатки?

7. Основные антифрикционные характеристики смазочных материалов?

8. Диаграмма Штрибека - Герси?

ЛИТЕРАТУРА

1. Комбалов В.С. Методы и средства испытаний на трение и износ конструкционных и смазочных материалов. Справочник. М., Машиностроение, 2007, 230с.

2. Трение, изнашивание и смазка. Справочник под ред. И.В.Крагельского и В.В.Алисина. М., Машиностроение. 1978. Т.1, 2.

3. Основы трибологии. Под ред А.В.Чичинадзе. М. Наука и техника. 1995.777с.

ПРИЛОЖЕНИЕ 1

1. Исследование антифрикционных свойств жидких смазок:

1.1. Зависимость fтр. = f (N):

тип жидкой смазки: ________________

-n = (об/мин.) (например, при 100 об/мин.);

- число делений прибора для измерения n- n_V [ ]= (делений);

- диаметр образца d= (мм);

-V= (м/с) – по ф.(2).

^х - число делений на миллиамперметре для измерения N (см. тарировочный график для N из л.р. №5);

^хх – число делений на ленте самописца по графику n _Мтр.= f(Мтр.) – см. отчёт по лаб. работе №5; fтр.

- построить график fтр. = f (N).

N

рис.1.

1.2. Зависимость fтр. = f (V):

- N = (кг) (задаётся преподавателем);

- число делений прибора для измерения N- n_N [ ]= (делений);

^х - число делений на миллиамперметре для измерения n (см. тарировочный график для n из л.р. №5);

-построить график fтр. = f (V). fтр.

V

рис.2.

2. Исследование антифрикционных свойств консистентных смазок:

2.1. Зависимость fтр. = f (N):

тип консистентной смазки: ________________

-n = (об/мин.) (например, при 100 об/мин.);

- число делений прибора для измерения n- n_V [ ]= (делений);

-V= (м/с) – по ф.(2).

- построить график fтр. = f (N) на рис.1 (см.п.1.1).

2.2. Зависимость fтр. = f (V):

- N = (кг) (задаётся преподавателем);

- число делений прибора для измерения N- n_N [ ]= (делений);

^х - число делений на миллиамперметре для измерения n (см. тарировочный график для n из л.р. №5)

-построить график fтр. = f (V) на рис.2 (см. п.1.2).