Общие понятия о трении и износе

Общие понятия о трении и износе.

Трибология – это наука, изучающая взаимодействие поверхностей, перемещающихся друг относительно друга, практическое использование этого взаимодействия и его осуществление.

Рисунок – поверхностные слои смазанной металлической детали.

Зона деформированного металла отличается по своим физическим свойствам от качества первичной объемной структуры металла детали. Оксидная пленка образуется из окислов металла, образующихся  при химическом взаимодействии с кислородом воздуха. В зависимости от различных условий на поверхности оксидной пленки находятся адсорбционные слои газов, воды, молекул масла.

Рисунок виды трения

По ГОСТ 23.002-78 «Обеспечение износостойкости  изделий. Трение изнашивание и смазка. Термины и определения» по характеру взаимоперемещения трущихся деталей различают:

Трение покоя – это трение двух тел при микроперемещениях до перехода к относительному движению.

Трение движения – это  трение двух тел, находящихся в относительном движении.

Трение скольжения – это  трение, возникающее при различных скоростях перемещения соприкасающихся поверхностей в точках касания по величине и направлению.

Трение качения – это  трение, возникающее при одинаковых по величине скоростях и направлениях перемещения трущихся поверхностей.

Трение с проскальзываением – это  трение, возникающее при одновременном проявлении качения и скольжения.

Рисунок виды трения по наличию смазочного материала.

Трение без смазочного материала.

Условия масляного голодания, высокие температуры, в точечных зонах контакта возможно схватывание и сваривание, в результате – натиры и задиры.

Граничное трение.

Между трущимися поверхностями тонкая пленка смазочного материала, предохраняющая их от механических и тепловых воздействий. Режим граничной смазки неустойчив. При разрушении граничной пленки наступает трение без смазочного материала.

Жидкостное трение.

Разделение трущихся поверхностей полностью жидким смазочным материалом. Смазочный слой отделяет трущиеся поверхности. Сила трения – внутреннее трение слоев смазки.

Полужидкостное трение – это трение, возникающее при недостатке смазочного материала в зазоре между трущимися поверхностями для обеспечения жидкостного трения,  в результате, поверхности касаются друг друга в условиях граничного трения.

Изнашивание – это процесс разрушения и отделения металла с поверхности твердого тела и накопления его остаточной деформации, проявляющейся в постепенном изменении размеров и формы тела при трении.

Назначение моторных масел.

Моторное масло – это масла, предназначенные для смазки и охлаждения поршневых ДВС.

Основные функции моторного масла:

1. Уменьшение трения и износа деталей двигателя.
2. Предотвращение прорыва газов из надпоршневого пространства в картер путем уплотнения лабиринтом поршневых колец и обеспечения их подвижности.
3. Охлаждение поршней, вкладышей подшипников коленчатого вала и других деталей.
4. Защита деталей двигателя от коррозии при работе и во время длительной стоянки.
5. Предотвращение образования нагара и лакообразных отложений, нарушающих теплоотдачу от поршней и обеспечение подвижности поршневых колец.
6. Нейтрализация кислот, образующихся при окислении масла и сгорания топлива.
7. Обеспечение быстрой подачи масла под давлением в смазываемые узлы при холодном пуске двигателя.
8. Предотвращение выпадения осадков в картере, маслопроводах, на сетке маслоприемника, под крышками ГРМ и привода агрегатов.
9. Обеспечение малой вспениваемости при высокой и низкой температурах.
10. Обеспечение малой летучести и низкого расхода на угар (экологичность)

Моторное масло должно быть совместимо с материалом уплотнений и катализаторами нейтрализатора отработавших газов, не должны оказывать отрицательного воздействия на работоспособность свечей зажигания и вызывать преждевременное воспламение рабочей смеси из-за зольных отложений в камерах сгорания.

Состав масел

Современное моторное масло состоит базового масла и присадок до 25%.

Базовое масло может быть различных видов:

1. Минеральное
2. Синтетическое
3. Частично синтетическое

Минеральные базовые масла – это масла, полученные путем очистки от нежелательных веществ соответствующих фракций нефти. Различают дистиллятные и остаточные фракции минеральных масел. Первые перегоняются при вакуумном разделении мазута на фракции, вторые – это остаток от перегонки, самые вязкие фракции. Дистиллятные фракции служат основой зимних и внесезонных масел, остаточные входят в состав летних масел в смеси с дистиллятными.

Синтетические базовые масла получают целенаправленными химическими реакциями, в результате которых образуются органические соединения с желательными свойствами. Это могут быть углеводородные жидкости (полиальфаолефины, алкилбензолы) или сложные эфиры. Они более дорогостоящие, но также обладают и лучшими свойствами:

      низкой температурой застывания (улучшенными характеристиками запуска при низких температурах);

      химической стабильностью (стойкостью к окислению, парафинизации и другим химическим процессам);

      лучшими вязкостно-температурными свойствами;

      низкой испаряемостью;

      более низким расходом масла (большими интервалами между заменами).

Частично синтетические масла получают путем смешивания синтетических и минеральных базовых масел (обычная пропорция составляет от 70 до 80% минерального и от 20 до 30% синтетического масла).

Присадки – это синтетические добавки к базовому маслу, придающие ему необходимые свойства, или усиливающие природные свойства базового масла.

В состав масла вводят следующие виды присадок:

1. Вязкостные;
2. Противоизносные;
3. Антиокислительные;
4. Моющие;
5. Дисперсные;
6. Антикоррозийные;
7. Антифризные;
8. Противопенные;
9. Противозадирные

Вязкостные присадки придают маслу:

      необходимую текучесть при низких температурах, понижая температуру застывания до уровня -15 и -45°C, в зависимости от необходимости;

      вязкость при высоких температурах (чтобы предотвратить контакт между движущимися частями).

Вязкостные присадки состоят в основном из:

      сополимеры олефинов;

      полиметакрилаты;

      полиизобутилены;

      стирольные полиэфиры;

      гидрированные радиальные полиизопрены и др.

Противоизносные присадки увеличивают противоизносное действие масла в отношении тех деталей двигателя автомобиля, которые подвергаются смазке. Данные присадки образуют защитную пленку в результате прямого или опосредствованного контакта их активных ингредиентов с металлической поверхностью. Большинство противоизносных присадок представляют собой алкилдифиофосфаты цинка или другого вещества из группы фосфористых производных.

Антиокислительные присадки устраняют, или по крайней мере замедлеяют, окисление масла путем взаимодействия с первичными продуктами реакции окисления образуя неактивные соединения, а также увеличивают срок службы масла. В качестве антиоксидантов используются заменители фенола ароматические амины и дитиофосфаты, применяемые в качестве веществ, повышающих износостойкость.

Моющие присадки (детергенты) предотвращают накопление примесей и отложений на деталях двигателя, подвергающихся наибольшему нагреванию, таких, как канавки цилиндров. Они особенно полезны для внутренних поверхностей двигателя. Их воздействие помогает уменьшить образование углеродистых осадков и окисленных смесей, а также предотвращает накопление загрязнений и смолистого налета на металлических поверхностях. Моющие присадки состоят в основном из солей металлов на основе кальция или магния из алкиральной или алкило-салициловой группы.

Дисперсные присадки (дисперсанты) сохраняют в виде суспензии все твердые примеси, которые образуются в результате работы двигателя автомобиля: несгоревшие углеводороды, смолы, грязь, сажу и примеси, полученные в результате применения моющих присадок. Предотвращают скопление твердых примесей, уменьшают риск образования примесей (грязи) в непрогреваемых частях двигателя автомобиля (например, у коленвала). Дисперсные присадки обычно содержат основные компоненты группы алкениловых сукценимидов, янтарных эфиров или их производных.

Антикоррозийные присадки препятствуют образованию коррозии на металлических частях возникающей путем комбинированного воздействия воды, кислорода и определенных окислов, образующихся в процессе окисления. Они образуют защитную пленку при попадании на поверхность, которую надо предохранить от коррозии. Антикоррозийные присадки - это обычно щелочные или оксидно-щелочные сульфаты, нейтральные или основные (соли Na, Mg, Ca), жирные кислоты или амины, акенилсукциновые кислоты и их производные, бензотриазолы, толитриазолы и т.д.

Антифризные присадки сохраниют текучесть масел при низких температурах (от –15оС до – 45оС). Они препятствуют образованию кристаллов парафина в маслах при низкой температуре. Антифризные присадки изменяют и уменьшают процесс кристаллизации парафинов, содержащихся в маслах на минеральной основе. Они содержат: полиметилметакрилаты, малеат-стирольные сополимеры, нафталиновые парафины, винилфумаратный ацетат полиэфира.

Противопенные присадки предотвращают смешивание большого количества воздуха с маслом. Масла могут пениться в результате наличия других присадок, а также из-за конструкции системы смазки, что может вызвать неравномерный поток смазки в результате смешивания воздуха и масла, что ведет к образованию пузырей.

Моющие присадки оказывают на масла такое же действие, как и мыло на воду: они очищают двигатель, но способствуют образованию пены. В состав противопенных присадок входят силиконовые масла (акиловые акрилаты присутствуют в маслах в очень небольших количествах).

Противозадирные присадки уменьшают вращающий момент трения и таким образом получают экономию энергии, а также предохраняют поверхности от тяжелых нагрузок. Они придают смазочным материалам особые скользящие свойства, которые чрезвычайно подходят для коробки передач и трущихся поверхностей, работающих в масле (валов, ручной и автоматической коробки скоростей, тормозов и т.д.) В настоящее время проводятся обширные исследования в области разработок противозадирных присадок. Самые сильнодействующие присадки, помогающие преодолевать избыточное давление, основаны на органо-металлических молибденовых производных, производных жирных кислот, составных веществ жирных кислот, фосфоросульфарированных молекулах, бораттах и т.д.

Условия работы масла в двигателе

Масло в автомобильном двигателе работает в тяжелых условиях: в температурном диапазоне от 50 до 2500оС, при большом давлении и нагрузках, доходящих до 100 Мпа. В картерной части двигателя масло находится в виде мельчайший капель, образуя масляный туман. Большая часть масла контактирует с воздухом, подвергается воздействию газов прорывающихся из камеры сгорания в картер, а также вступает в контакт с различными металлами, водой и разбавляется несгоревшим топливом. Масло претерпевает глубокие химические изменения, подвергается окислению и загрязнению различными механическими примесями. Образование воды идет интенсивно при низких температурах, когда водные пары соприкасаются с холодными стенками картера.

Двигатель в зависимости от условий работы масла можно разбить на три зоны

Рисунок

Высокотемпературная зона.

Масло, попадая в нее, частично сгорает, и претерпевает глубокие химические изменения. Продукты сгорания осаждаются на деталях двигателя в виде нагаров, кокса и лаков. К нагарам относятся отложения, появляющиеся в местах контактирующих с зоной горения (на внутренней поверхности головки цилиндров, клапанах, над первым компрессионным кольцом и днище поршня). Нагары усиливают абразивное действие. Они образуются не только за счет химических преобразований масла, но за счет несгоревшего топлива. Нагары бывают сухими и маслянистыми.

Сухой нагар – это твердая углеродистая масса с шероховатой поверхностью, чаще черного цвета, образующаяся в камере сгорания, где температура достигает более 2000оС. При работе на этилированном бензине образуется нагар, содержащий до 50% соединения свинца. При работе на неэтилированном бензине образуется нагар, который содержит углерод – до 75%, кислород – до 20%, водород – до 5%.