Смазочные материалы систем смазки

Основная задача смазочных материалов в машинах — создать пленку, которая разделяет поверхности трения и тем самым снижает или вовсе устраняет прямое соприкосновение деталей. Это значительно уменьшает коэффициент трения и связанные с ним потери энергии. Например, при обычном смазывании коэффициент находится в пределах 0,1–0,2, тогда как при полном жидкостном режиме, когда поверхности полностью изолированы смазкой, он снижается до 0,002–0,01. Конкретное значение зависит от свойств масла и условий работы узла.

Помимо этого, циркуляция смазки в зазорах помогает эффективно отводить тепло, поддерживая оптимальный температурный режим и стабильность работы пары трения. В отличие от этого, сухое трение сопровождается ускоренным износом и разрушением деталей, поэтому его всегда стараются избежать.

В эксплуатационной документации на машины и оборудование обязательно указываются тип и марка рекомендуемого смазочного материала. Современная промышленность выпускает более 300 разновидностей смазок, и их ассортимент продолжает расширяться.

Наиболее широко применяются три основных типа:

• жидкие минеральные масла;
• пластичные смазки (консистентные пасты);
• твердые смазочные материалы.

Для специфических условий эксплуатации также используют силиконовые жидкости на основе кремнийорганических соединений.

Ключевые функции смазочных материалов заключаются в следующем:

• минимизация трения и замедление процессов изнашивания деталей;
• стабилизация теплового состояния узла за счет отвода выделяющейся теплоты;
• очистка рабочей зоны от абразивных частиц и барьер от внешних загрязнений;
• антикоррозионное действие, наиболее выраженное у смазок на минеральной основе.

Основные типы смазок

Смазочные материалы представляют собой различные вещества в твердом, пластичном, жидком или газообразном состоянии, которые используются для уменьшения трения в механизмах. Они защищают детали от износа и продлевают срок службы оборудования. Сфера применения смазочных материалов исключительно широка. Грамотно подобранная смазка обеспечивает машине высокий коэффициент полезного действия, снижает износ рабочих поверхностей, продлевает срок службы узлов, повышает надежность, а также защищает детали от коррозии. Жидкие масла, кроме того, выполняют функцию теплоносителя, отводя часть тепла от нагретых элементов.

Минеральные масла

Смазочные материалы на минеральной основе применяются не только для смазывания и охлаждения, но и как теплоносители, а также в качестве рабочих жидкостей в гидравлических системах.

По химическому составу минеральные масла классифицируются в зависимости от вида исходного сырья, способа переработки и глубины очистки.

По назначению их делят на две основные группы:

Конструкционные масла – моторные, трансмиссионные, компрессорные, индустриальные, турбинные, цилиндровые, вакуумные и специальные (например, судовые, приборные, осевые и др.).

Технологические масла – применяются в процессах обработки металлов (например, как охлаждающе-смазочные жидкости при резании).

Для каждого типа масел установлены сорта в зависимости от их физико-химических характеристик (вязкости, температуры вспышки, кислотного числа и других параметров), что позволяет правильно подбирать смазку под конкретные условия эксплуатации.

Под стабильностью масел понимают их способность сохранять свойства и сопротивляться окислению при длительной работе в условиях повышенных температур. От качества масла во многом зависят долговечность и надежность работы оборудования, поэтому к нему предъявляются строгие требования: отсутствие механических примесей (например, абразивных частиц, воды), высокая чистота, а также наличие выраженных антизадирных свойств, предотвращающих заедание трущихся поверхностей.

Для повышения эксплуатационных характеристик в базовые минеральные масла вводят специальные присадки. Они могут:

• регулировать вязкость,
• повышать антикоррозионные свойства,
• снижать износ (антизадирные добавки),
• замедлять окисление,
• либо выполнять несколько функций одновременно (многофункциональные присадки).

К числу наиболее применяемых многофункциональных присадок относятся АзНИИ, ЦИАТИМ-1, ЦИАТИМ-339 и др. Их доля в составе масел обычно не превышает 5…6

Сроки эксплуатации и замены масел

• Первый запуск станков: замену проводят через 200–1000 ч работы.
• Дальнейшая эксплуатация: интервалы замены увеличиваются до 2000–5000 ч.
• Периодический контроль: не реже одного раза в полгода проводят анализ масел для определения пригодности к дальнейшей работе.

Температурные условия эксплуатации

• Оптимальные условия: +30…45 °С.
• Допустимые условия: +45…55 °С.
• Повышенные температуры: при +55…65 °С масло можно использовать, но потребуется более частая замена.

Пластичные смазки

Такие типы смазок формируются на основе минеральных масел с добавлением загустителей, мыльных (кальциевых, натриевых, литиевых, алюминиевых и прочих) или немыльных. Их основное предназначение — уменьшение трения и износа деталей, а также обеспечение защиты рабочих поверхностей от коррозии и загрязнений.

Основные свойства и функции пластичных смазок:

• обеспечивают долговременную работу подшипников и узлов трения в широком температурном диапазоне;
• обладают механической стабильностью – сохраняют исходные свойства после многократного деформирования;
• выполняют роль уплотнителя, препятствуя вытеканию смазки и проникновению влаги, пыли и абразивных частиц;
• создают надежную антикоррозионную защиту;
• способны поглощать небольшое количество загрязнений, не теряя эксплуатационных характеристик;
• пригодны для работы в условиях температур от –70 °С до +350 °С.

Важные физико-химические характеристики:

• Теплостойкость – определяется температурой каплепадения:
  • до 65 °С – низкоплавкие смазки
  • 65…100 °С – среднеплавкие,
  • свыше 100 °С – тугоплавкие.
• Прочность – способность сопротивляться сдвигу под нагрузкой.
• Консистенция – характеризуется величиной пенетрации: чем выше значение, тем мягче смазка.
• Влагостойкость и стабильность – важны для эксплуатации в условиях повышенной влажности.
• Коррозионные свойства – проверяются по воздействию смазки на металлические образцы.

Совместимость консистентных смазок в первую очередь определяется типом используемого загустителя и наличием присадок. Общая закономерность следующая:

• смазки на основе одинаковых мыл (например, литиевые с литиевыми) хорошо смешиваются между собой и не теряют эксплуатационных свойств;
• при смешивании смазок разных систем часто возникают проблемы – например, литиевые составы несовместимы с натриевыми, что может привести к разрушению структуры и потере смазочных характеристик.

Поэтому при переходе на новый тип смазки обязательно проводят полное удаление старого состава из узла.

Применение пластичных смазок в станочном оборудовании:

• В подшипниках и тихоходных зубчатых передачах, где часто наблюдается недостаточная герметизация, используют универсальные смазки.
• В большинстве узлов применяется Литол-24 – коричневая мазь с рабочим диапазоном температур от –40 °С до +130 °С.
• Для высокоскоростных шпинделей используют литиевую комплексную смазку ЛКС-2, цвет которой варьируется от светло-жёлтого до тёмно-коричневого.
• Для особо ответственных шпиндельных узлов применяются специальные составы:
  • ЦИАТИМ-221 – морозостойкая смазка,
  • ЦИАТИМ-202 – для работы при пониженных температурах и в вакууме,
  • ВНИИНП-23 – оптимальная для высокоточных шпинделей, отличается стабильностью свойств и долговечностью.

Твердые смазки

Твёрдые смазки относятся к материалам ненефтяного происхождения, которые получают синтетическим путём из органических и неорганических соединений. Наибольшее распространение получили силиконовые смазки, обладающие высокой стойкостью к старению, диэлектрическими свойствами и способностью сохранять работоспособность в широком температурном диапазоне, а также дисульфид молибдена, применяемый в виде порошков и паст с содержанием твёрдого вещества от 20 до 70 % общей массы. Этот материал отличается высокой химической стабильностью, устойчивостью к действию большинства кислот и обладает диамагнитными свойствами. Ещё одним широко используемым твёрдым смазочным материалом является графит, проявляющий особенно хорошие антифрикционные качества во влажной среде и обладающий химической стойкостью. Как правило, твёрдые смазки вводят в состав паст на основе минеральных масел либо используют в порошковой форме.

Выбор смазки для узлов трения зависит от целого ряда факторов: нагрузки и давление в зоне контакта, скорость скольжения или качения, температура работы, свойства материалов, а также условия окружающей среды (например, пыль, влага или агрессивные среды). В открытых зубчатых передачах при окружных скоростях до 4 м/с используют пластичные смазочные материалы. Если же передача закрытая и скорость вращения зубьев достигает 12–15 м/с, то применяют масляные ванны: зубья погружают в масло примерно на три четверти их высоты. Объем заливаемого масла рассчитывают по мощности, приходящейся на передачу, и он составляет примерно 0,25–0,75 литра на каждый киловатт. Если же скорость превышает 15 м/с, рационально использовать струйную или циркуляционную систему подачи масла, позволяющую снизить потери на сопротивление движению. В этих случаях вязкость масла должна быть несколько ниже и подбираться с учётом увеличенной скорости скольжения.

Таким образом, для узлов трения, работающих в тяжелых условиях с высокими скоростями, лучше всего подходят жидкие масла, подаваемые по циркуляционной системе. Если скорости умеренные, а требования к надежности не столь жесткие, используют масляные ванны. Когда же механизмы работают при малых скоростях или отсутствует достаточная герметичность, предпочтение отдают пластичным смазкам. В особых случаях, например при работе в вакууме, при очень высоких температурах или в агрессивных средах, применяют твердые смазочные материалы, которые способны функционировать там, где жидкие и пластичные смазки становятся неэффективными

Рекомендации по выбору смазочного материала в первую очередь сводятся к определению его вязкости в зависимости от контактных напряжений, окружной скорости и твёрдости рабочих поверхностей, после чего проводится экспериментальная проверка эффективности выбранной смазки в конкретном узле трения.

Виды смазывания

Наиболее распространённый способ смазывания червячных передач — это погружение червяка либо червячного колеса в масляную ванну. При выборе смазочного материала учитывают скорость относительного скольжения в зацеплении и нагрузку, действующую на зубья. Если передача работает на высоких скоростях, используют специальные масла с противозадирными присадками, которые обычно получают на основе растительных или животных жиров.

Работа подшипников качения чаще всего обеспечивается жидкими смазочными маслами. Выбор конкретного сорта зависит от условий эксплуатации: скорости вращения, уровня нагрузок, температуры окружающей среды и конструкции узла. При низких скоростях и высоких нагрузках необходимы густые масла — индустриальные марок 45 и 50, а также трансмиссионные. В условиях высоких скоростей, напротив, применяют легкие и текучие масла, уменьшающие трение: приборное МВП, индустриальные 12, 20, 30 либо трансформаторное.

При работе механизмов в особо тяжёлых режимах — например, при температурах порядка 200–300 °С, значительных нагрузках или резких изменениях температур — применение обычных масел становится недостаточным. В этих случаях используют синтетические продукты: диэфирные масла, кремнийорганические жидкости (полифенилметилсилоксаны, полиэтилсилоксаны), а также составы на основе фтора- и хлорфторуглеродов. Подобные материалы отличаются высокой стабильностью при нагреве, удобными вязкостно-температурными характеристиками, низкой температурой застывания и высокой температурой вспышки, что обеспечивает надёжность работы даже в экстремальных условиях.

Режим работы подшипников качения напрямую влияет на выбор смазочного материала и способ его подачи. В большинстве случаев применяются жидкие масла, которые легко проникают в зону трения и обеспечивают равномерное распределение. Но при ограниченном доступе или необходимости увеличения межсервисных интервалов более целесообразно использовать пластичные смазки в виде мазей и паст (например, 1-ЛЗ, ЦИАТИМ-201, 203, 221, 221С, ВНИИНП-242 и др.). Закладывают их в подшипник обычно в объёме около трети свободного пространства корпуса. При этом эксплуатационная температура должна быть на 20–30 °С ниже температуры каплепадения конкретной смазки.

В ситуациях, когда эксплуатация подшипников и узлов происходит в вакууме или при воздействии агрессивных веществ, использование жидких и пластичных смазок невозможно. В таких условиях применяют твёрдые смазочные покрытия, например графит или дисульфид молибдена (MoS₂), а также тонкие металлические плёнки из никеля, кобальта, серебра, золота и индия. Кроме того, часто используют самосмазывающиеся материалы, такие как композиции ВАМК-1, ВАМК-21 и фторопласт-4.

Для цепных передач чаще всего выбирают интенсивное смазывание, поскольку этот способ легко реализуется. В замкнутых передачах он эффективно уменьшает износ звеньев и продлевает срок эксплуатации цепей. Смазку лучше подавать с внутренней стороны цепи, поблизости от ведущей звездочки. Метод нанесения зависит от скорости движения: при Vc<2 м/с — вручную, до 4 м/с — капельно, до 8 м/с — методом окунания, до 12 м/с — поливом, до 15 м/с — с циркуляцией или с помощью струи от насоса (для скоростей до 12 м/с). Для легконагруженных цепей применяют пластичные смазки с точкой каплепадения 50–100 °С.

Когда жидкие и густые смазки использовать нельзя, в цепных передачах применяют твёрдые материалы, такие как графит или дисульфид молибдена в порошке. Из жидких масел чаще выбирают чистые нефтяные составы индустриальных марок 20, 30, 45 либо лёгкое цилиндровое масло 11. Пластичные смазки подбирают в зависимости от эксплуатационных условий: солидолы УС-1 и УС-2 применяются во влажной среде, а консталиновые — в сухих условиях при высоких температурах.

В многошпиндельных редукторах и головках технологических машин часто используют циркуляционную смазку, когда масло подаётся прямо в зацепление зубчатых колёс — это особенно важно при высоких окружных скоростях, превышающих 15 м/с.

Рис. ZSK.43.1. Смазки

В косозубых колесах смазочный материал подается к зоне, где зубья входят в зацепление, что способствует равномерному распределению смазки и уменьшению износа. В подшипниках качения подача осуществляется с внешней стороны, чтобы смазка легко достигала зоны трения. В упорных подшипниках используют специальные канавки и выемки, через которые смазка подводится к рабочим поверхностям, поскольку при малых зазорах прокачивание масла через подшипник обычно невозможно.

В зубчатых и червячных передачах смазку обычно подают методом погружения или разбрызгивания при окружных скоростях до 15 м/с для колес и до 10 м/с для червяков. На рисунке ZSK.43.2 показано, каким должен быть уровень масла при разбрызгивании, а рис. ZSK.43.3 иллюстрирует правильное размещение маслозаборника, чтобы избежать попадания осадка.

Жидкие масла могут использоваться при нагреве опор до 120 °C, для некоторых специальных сортов допустимо повышение температуры до 150–160 °C. Если температура узла превышает эти значения, рекомендуется переходить на твёрдые смазочные материалы, которые лучше выдерживают тепловую нагрузку.

В механизмах с высокой скоростью вращения масло нужно доливать каждые 3–4 месяца, а полностью заменять примерно раз в год. Пластичные смазки применяют только в неответственных передачах с удобным доступом, чтобы облегчить их нанесение и замену.

Рис. ZSK.43.2. Уровни жидкости при смазке разбрызгиванием: а – цилиндрическая зубчатая передача; б – коническая зубчатая передача; в – шариковый подшипник

Рис. ZSK.43.3. Расположение подшипникового узла впадения осадков из смазки: а – неравномерное; б - рекомендуемое

В подшипниках пластичные смазки используют при температурах до 100 °C и скоростях скольжения до 10 м/с. При проектировании механизмов важно учитывать реакцию густых смазок на внешние факторы: натриевые смазки не подходят для контакта с водой или водными эмульсиями, так как они быстро смываются. Для влажной среды предпочтительны солидолы, устойчивые к влаге.

Использование комбинированных методов смазывания, таких как масляный туман, позволяет эксплуатировать подшипники при скоростях до 15 м/с, а иногда и до 30 м/с. При этом оптимальная подача масла для подшипников качения составляет 1–2 капли в минуту при частоте вращения около 10 000 об/мин.