Сравнительные экспресс-испытания смазочных материалов на термостойкость по методике кафедры МТ-13 .....

Сравнительные экспресс-испытания смазочных материалов на термостойкость по методике кафедры МТ-13 «Технологии обработки материалов» МГТУ им. Н.Э. Баумана

Смазочные материалы широко используются в технике с целью уменьшения трения на контактирующих поверхностях узлов машин и механизмов. Наиболее часто смазочные материалы применяют в движущихся механизмах, к которым относятся двигатели, подшипники и редукторы, а также в механической обработке конструкционных материалов и композитов при точении, фрезеровании, шлифовании и т.п.
 
В зависимости от назначения и условий работы смазочные материалы подразделяются
на твердые, полутвердые, полужидкие, жидкие и газообразные. Классификация этих материалов приведена на рис. 1.
 
Например, дисульфид молибдена наносят на трущиеся детали в виде порошка, который втирается в поверхность. Покрытия, полученные из порошка, имеют толщину около 1 мкм и имеют недолгий срок службы. В подшипниках качения такие покрытия применяют совместно с самосмазывающимися материалами сепаратора, их наносят на дорожки качения, а иногда и на шары.
 
В зависимости от характеристик трущейся пары, таких как шероховатость и волнистость поверхности, а также микрогеометрические отклонения и отклонения от взаимного положения осей деталей, смазочные материалы могут быть жидкими либо твердыми [2]. По материалу основы они делятся на несколько типов (рис. 2).
 
Все жидкие смазочные материалы распределяются по классам вязкости. Вязкость – явление переноса, свойство текучих тел (жидкостей и газов) оказывать сопротивление перемещению одной их части относительно другой [3], это одна из наиболее важных характеристик моторных масел. В основу российской системы обозначений моторных масел положены сведения о принадлежности масла к одному из классов вязкости и группе
эксплуатационных свойств согласно ГОСТ [4]. Наиболее полное описание соответствия вязкостно-температурных свойств масел требованиям двигателей содержится в общепринятой на международном уровне классификации стандарта SAE J300 (Society of Automotive Engineers – Общество автомобильных инженеров) для моторных и трансмиссионных масел. Для двигателя, равно как и для любого другого механизма, необходимо применять масла с оптимальной вязкостью, величина которой зависит от конструкции узла трения, режима работы, срока службы и температуры окружающей среды. Существует аналогичная классификация для индустриальных масел ISO VG (viscosity grade) – международная система градации жидких смазочных материалов согласно классам вязкости.
 
Жидкие смазочные материалы имеют деление на группы по эксплуатационным свойствам. К таким группам относят:
1. API, создана в 1969 году Американским институтом топлива (American Petroleum Institute) – классификация по качеству моторных масел.
2. ACEA, создана Ассоциацией европейских производителей автомобилей (Association des Constructeurs Europeens de L’Automobile) – для моторных и трансмиссионных масел.
3. ISO, создана Международной организацией по стандартизации (International Organization for Standardization) – для индустриальных масел. По назначению все смазочные материалы так- же делятся на несколько групп (рис. 3).
 
Смазочные материалы проявляют ряд особенностей в процессе эксплуатации. При пополнении уровня твердых смазочных материалов возникают трудности конструктивного и эксплуатационного характера. Твердые смазочные материалы отличаются более низким отводом теплоты от поверхностей трения и малой долговечностью по сравнению с жидкими маслами. Смазочные масла имеют ряд преимуществ и недостатков по сравнению с пластичными смазочными материалами.
К положительным свойствам смазочных масел относится высокая стабильность, более низкий коэффициент внутреннего трения, высокая работоспособность при высоких скоростях скольжения, возможность фильтрации, простота добавки и смены, а также охлаждающее действие. В качестве недостатков смазочных масел отмечают повышенные утечки через зазоры в уплотнениях корпусов и соединений маслопроводов и повышенную пожароопасность. Пластичные смазочные материалы имеют хорошую работоспособность при малых скоростях скольжения и высоких давлениях, при действии ударных нагрузок, при частых остановках и пусках и хорошее заполнение зазоров в узлах трения [5].
 
Выбор смазочных материалов проводится в основном для вновь проектируемых машин
и машин после модернизации. Зависит он от многих условий, в том числе от рабочей нагрузки в узле трения, скорости, температуры саморазогрева смазочного материала и конструкции. При выборе смазочных материалов для узлов трения ключевыми факторами являются стендовые и эксплуатационные испытания. Стендовые испытания бывают двух видов: поузловые испытания машины или агрегата в составе технологического процесса для проверки правильности сборки и режимов работы и исследовательские испытания в лабораторных или близких к ним условиях. Стендовые испытания проводятся таким образом, чтобы характер изнашивания трущихся поверхностей был максимально приближен к характеру изнашивания деталей при длительной эксплуатации. Испытания на износостойкость поверхностей трения проводятся с добавлением масел, пластичных смазок и СОТС. Кафедра «Технологии обработки материалов» МТ-13 МГТУ им. Н.Э. Баумана провела ряд исследований смазочных материалов согласно методике № 01-13-0Д-2011 экспериментальной оценки термостойкости СОТС, жидких и пластичных
смазочных материалов [6]. Сущность методики заключается в триботехнических испытаниях сопряжений в соответствии с патентом № 2378637, при которых регистрируется температура саморазогрева окружающего их смазочного материала, по ее величине оценивают его температурную стойкость. Методика позволяет попутно сделать
оценку пятна контакта, линейного, объемного и весового износа испытываемых образцов
в смазочной среде.
 
Объектом испытаний были масла типа Liqu Moly, Shell Helix, Castrol SLX Prof, Dexelra Ultra, пластичные смазочные материалы с наполнителем типа Буксол, Атланта, фторированный графит, двойная соль меди, фторопласт и СОТС Shell, Lenox, Автокат-78.
 
Часто стендовые испытания проводятся в ускоренном режиме, что негативно сказывается на результате. Для того чтобы избежать большого расхождения в полученных данных, было проведено большое число однотипных испытаний масел при равных условиях и методах обработки данных.
 
Подробные результаты таких исследований представлены в статье [7]. Испытания проводятся на машине трения Айшингера (рис. 4) [8] по схеме «ролик – ролик» (рис. 5).
 
Выбор такой схемы испытаний обусловлен тем, что контакт «ролик – ролик» максимально
приближен к схеме «колодка – ролик», которая в свою очередь имитирует реальные условия в трибосопряжениях подшипников скольжения, обеспечивая оптимальный контакт трущихся тел.
 
Испытания масел
 
Рассмотрим ключевые положения методики испытаний на нескольких марках масел одинаковой вязкости и SAE (классы вязкости трансмиссионных масел).
 
Испытания, проведенные в МГАУ им. В.П. Горячкина и в МГТУ им. Н.Э. Баумана, показали, что минимальное время, при котором начиналось дымление некоторых композиций, составило двадцать минут. Поэтому период испытания был выбран
равным двадцати минутам с добавлением времени приработки пары трения «ролик – ролик» и «колодка – ролик».
 
Для масел нагрузка на контакт при сроке испытаний двадцать минут с двумя грузами составляет 280 Н и одна минута добавляется на приработку с одним грузом (140 Н).
 
Результаты испытаний показывают, что наибольшая температура саморазогрева у масла Castrol SLX Prof, а наибольший износ у масла Dexelra Ultra (рис. 6).
 
Испытания пластичных смазочных материалов с наполнителем типа Буксол, Атланта, фторированный графит, двойная соль меди, фторопласт также проводятся по схеме «ролик – ролик» (рис. 4). Особенностью таких испытаний является необходимость обеспечения постоянного нахождения смазочного материала в зоне трения между роликами. В связи с этим время испытаний составляет двадцать одну минуту, но, в отличие от испытаний масел, нагрузка составила ноль грузов на этапе приработки и один груз в течение двадцати минут. Чем гуще смазочный материал, тем меньше нагрузка на контакт, а время выбирается в зависимости от основы материала. Тем не менее, испытать пластичный смазочный материал возможно и в течение двадцати одной минуты с двумя грузами в случае особо жидких пластичных смазочных материалов. Результаты испытаний приведены в табл. 2.
 
Результаты испытаний показывают, что наибольшая температура саморазогрева – у фторированного графита, но это не означает, что и износ этого материала будет максимальным по сравнению с остальными. Наибольшей износостойкостью обладает фторопласт, у него же минимальная температура саморазогрева.
 
Испытания СОТС
 
Применение СОТС в процессах механической обработки сопряжено с кратковременным нахождением инструмента в контакте с обрабатываемой поверхностью, поэтому в данном случае выбрана схема испытаний «ролик – ролик» (рис. 5), а время испытаний – одна минута, включая пятнадцать секунд приработки с одним грузом и основной цикл трения с
двумя грузами. Испытания показали, что увеличение времени испытаний и нагрузки нецелесообразны т.к. это вызовет большое расхождение с реальными условиями осуществления процесса трения.
 
Результаты испытаний показывают, что наибольшая температура саморазогрева наблюдается у СОТС Shell, а износ – у СОТС Lenox.
 
Проведение испытаний смазочных материа лов позволяет определить тип и вид смазочного материала, который необходимо использовать в узлах машин и механизмов. От современного технолога, проектирующего технологический процесс, связанный, например, с пластическим деформированием металла, требуется уже на стадии предварительного проектирования выбрать наиболее оптимальный вариант технологии, конструкцию инструмента, параметры оборудования, а при дальнейшей промышленной
реализации быстро и с малыми затратами уточнить наиболее рациональные параметры процесса, обеспечивающие эффективное получение изделий, удовлетворяющих всем предъявляемым требованиям [1]. В вопросе выбора смазочных материалов технолог может опираться на одну из трех методик экспресс-испытаний, разработанных в МГТУ им. Н.Э. Баумана и подходящих как для масел, так и для пластичных смазочных материалов и СОТС.