книги / Основные свойства эксплуатационных материалов для транспортных и транспортно-технологических машин

дуктов сгорания в атмосферных выбросах. Иными словами, энергосберегающие масла решают и экономические (расход топлива, расход масла), и экологические проблемы (содержание вредных веществ в атмосферных выбросах ниже).

Трение изнашивает двигатель и снижает его мощность. Наибольшие потери энергии на преодоление сопротивления трения в двигателях относятся к трем группам: цилиндрпоршень, коренные и шатунные подшипники коленчатого вала, механизм газораспределения. Кроме того, трение и метод смазки данных узлов различаются.

Рис. 3.6. Различные режимы смазки: а – гидродинамический; б – граничный

При движении поршня с малой скоростью вблизи верхней мертвой точки между поршневыми кольцами и стенкой цилиндра не образуется масляная пленка. Имеет место граничный режим смазки. В такой ситуации вязкости масляной пленки недостаточно, чтобы полностью разделить поверхности. На большей части хода поршня, где его скорость велика, имеет место гидродинамический режим смазки, и сила трения зависит в основном от вязкости масла. Тот же режим смазки в подшипниках коленчатого вала, и потери на трение здесь также определяются вязкостью масла. В механизме газораспределения наиболее тяжело нагруженные детали работают в режиме эластогидродинамической смазки. Здесь потери на трение связаны со свойствами масла при очень высоком давлении.

81

Граничный режим получается вследствие значительных нагрузок и небольших скоростей перемещения деталей. В такой ситуации вязкости масляной пленки недостаточно, чтобы полностью разделить поверхности. Снижение потерь в этом случае осуществляют модификаторы трения. Они могут быть двух типов – твердые и жидкие. Первые представляют собой твердые смазывающие вещества, тонко диспергированные (измельченные) в масле. За счет адгезии (сцепления) они связываются с поверхностями металла и уменьшают величину трения. Жидкие модификаторы трения – химические соединения, часть молекул которых «прилипает» (адсорбируется) к поверхности металла, а их молекулярный «хвост» образует «ворс», который «наклоняется» в направлении движения деталей. Таким образом, модификатор не дает соприкасаться металлическим поверхностям и уменьшает потери на трение по сравнению с «обычным» маслом. Граничный режим возникает, когда поршень движется вблизи верхней и нижней мертвой точки.

Гидродинамический режим возникает при значительных скоростях перемещения деталей относительно друг друга. Их поверхности полностью разделены слоем масла, поэтому потери мощности зависят от трения между его слоями, т.е. от вязкости. Такой режим возникает в подшипниках коленчатого вала, в паре цилиндр-поршень, когда последний движется в середине своего хода (рис. 3.6). Для экономии топлива энергосберегающие масла имеют меньшую вязкость, чем обычные, в таких условиях.

1.Энергосберегающие масла отличаются меньшей вязкостью. Она, конечно, снижена в разумных пределах, но и этого достаточно, чтобы уменьшить потери на трение при гидродинамическом режиме смазки.

2.Энергосберегающие масла содержат загущающие присадки. Поэтому их вязкость зависит не только от температуры, но и от скорости перемещения слоев масла в масляной пленке. При быстром движении вязкость масла временно снижается, а при замедлении снова возрастает. Время падения и возрастания вязкости очень мало и практически совпадает с изменением

82

скорости движения поршня или частоты вращения коленчатого вала. Величина временного снижения вязкости больше при низкой температуре масла, т.е. когда его вязкость избыточна.

3. Другое отличие энергосберегающих масел – наличие в их составе присадок – модификаторов трения. Действие этих присадок проявляется при граничном режиме смазки. Они образуют на поверхностях трущихся деталей своеобразный мягкий «ворс», легко деформирующийся в направлении движения. При этом коэффициент трения значительно снижается.

Экономия топлива при эксплуатации. В технически исправ-

ном автомобиле использование энергосберегающего масла уменьшает расход топлива на 3–5,5 % в городском режиме (короткие поездки) и на 2–3 % при езде по автотрассам на большие расстояния. Таковы среднегодовые цифры. В зимнее время года экономия топлива будет несколько выше указанных среднегодовых значений. Кроме того, если параллельно в элементах трансмиссии применять энергосберегающее трансмиссионное масло, можно уменьшить расходтоплива дополнительно на1,5–2,0 %.

Экономия топлива достигается за счет снижения вязкости. Чтобы показать, как влияет вязкость масла на экономию топлива, приведём графическую зависимость изменения вязкости от температуры. Возьмем два масла, 1 и 2, и предположим, что они имеют одинаковую вязкость в заданной точке (рис. 3.7). Параметр вязкости определен производителем двигателя, и при нем гарантируется максимальная защита двигателя от износа. Индекс вязкости масла – это изменение вязкости масла в зависимости от его температуры. Чем меньше меняется вязкость масла с изменением температуры, тем выше индекс. Обратите внимание, что вязкость и индекс вязкости – понятия разные. На графике вязкость 1-го масла с изменением температуры меняется не так сильно, как вязкость 2-го. Мы можем заключить, что у 1-го индекс вязкости выше, чем у 2-го. Вязкости 1-го и 2-го масел в контрольной точке равны, таким образом, и способности каждого из масел защищать детали от износа в этот момент тоже одинаковы.

83

При более низкой температуре 1-е масло имеет меньшую вязкость, чем 2-е, что в результате приводит к меньшим потерям на трение. Другими словами, масло с высоким индексом вязкости

имеетлучшиехарактеристики топливной экономичности.

Рис. 3.7. Зависимость вязкости масла от температуры

Техника, которая может получить реальную экономию топлива при использовании энергосберегающих масел, это, прежде всего, силовые агрегаты, выполняющие нормы Euro 4 и Euro 5. Однако если мотор отвечает экологическому стандарту Euro 3, но при этом изготовлен по современным технологиям (которые реализованы при производстве агрегатов Euro 4 и Euro 5), то заправленный энергосберегающим маслом, он позволит снизить расход топлива на один-два процента. Общая же рекомендация к применению энергосберегающих масел выглядит так. Для достижения ощутимой экономии топлива их следует применять в моторах не старше трех лет, которые соответствуют экологическому классу не ниже Euro 4.

Если приводить реальные примеры применения энергосберегающих масел, то стоит рассмотреть опыт крупной голландской компании Connexxion TSN, осуществляющей автобусные

84

перевозки по стране. Тестирование проводилось на 28 автобусах

Volvo 8700BLE с двигателями Volvo DH12D340 (Euro 3) и ЛКП производства Voith. Автобусы совершали один и тот же комбинированный маршрут трасса-город в течение восьми месяцев. Показания по расходу топлива и пробегу снимали специальной электронной системой. В моторы и трансмиссию девяти из 28 автобусов были залиты полностью синтетические масла

Rimula R6 ME 5W-30 вместо Rimula R4 15W-40 и Spirax ASX 75W-90 вместо Spirax A 80W-90 соответственно. Документально зафиксированная средняя экономия топлива составила 2,5 %.

И не стоит забывать, что кроме экономии топлива применение самых современных синтетических смазочных материалов позволит снизить издержки на обслуживание техники за счет увеличенных в два и более раз интервалов обслуживания.

Маркировка энергосберегающих масел. В маркировке та-

ких масел, сертифицированных по классификации API (Американский институт нефти), вслед за определением класса вязкости по SAE и категории по условиям применения ставится две буквы ЕС (Energy Conserving),скажем,SA-E5W-30,API SL/CG- 4(EC). В европейской классификации моторных масел энергосберегающие масла помещены в отдельные категории, обозначаемые А1-02, А5-02, В1-02 и В5-02. Первые две – масла для бензиновых двигателей, последние две – масла для дизелей легковых автомобилей.

Все масла, обозначаемые GF-I, GF-2 и GF-3 по международной классификации ILSAC, разработанной совместно американскими и японскими автопроизводителями, относятся к энергосберегающим.

Наличие у масла энергосберегающих свойств устанавливают путем их испытаний в двигателях по специальным стандартным методикам в сравнении с эталонными маслами. Масло признается энергосберегающим, если при работе на нем достигается заданное уменьшение расхода топлива. Например, масла категорий А1-02, А5-02, В1-02 и В5-02 в сравнении с эталонным маслом должны обеспечить уменьшение расхода топлива не менее чем на 2,5 %.

85

Энергосберегающие свойства моторных масел определяются главным образом вязкостью масла (обычно маловязкие SAE 5W-30, 10W-30 и др.) и используемым пакетом присадок. Наибольшее влияние оказывают вязкостно-температурные, обеспечивающие высокий индекс вязкости и постоянство вязкостных характеристик в широком диапазоне температур, плюс противоизносные присадки, модификаторы трения.

Природа базового масла – минерального, синтетического, полусинтетического – не имеет существенного значения. К примеру, минеральное масло класса вязкости SAE 10W-30 может обладать лучшими энергосберегающими свойствами, чем полусинтетическое того же класса.

На энергосберегающий эффект оказывают влияние конструктивные особенности и состояние двигателя, условия его эксплуатации, человеческий фактор.

Помимо экономии топлива применение современных, энергосберегающих, синтетических смазочных материалов позволит снизить затраты на обслуживание техники и увеличить интервалы обслуживания.

Малозольное ЭСМ меньше загрязняет сажевый фильтр и не создает предпосылок увеличения противодавления выпускной системы, что тоже уменьшает расход топлива.

ЭСМ имеют не такой продолжительный срок службы, как продукты класса long live.

Свежее масло дает максимальный эффект экономии – 1,5– 2,5 %. К концу срока службы показатель снижается до 0,5 %

86

4.ПЛАСТИЧНЫЕ СМАЗКИ И СПЕЦИАЛЬНЫЕ ЖИДКОСТИ

4.1.Основные свойства пластичных смазок

итребования к ним

Вмашинах и механизмах имеются разнообразные узлы трения, которые не удается смазывать жидким маслом, так как

кним или невозможно или невыгодно его непрерывно подавать (подшипники, рессоры, некоторые зубчатые зацепления, шарнирные и карданные соединения и пр.). Для смазывания подобных узлов трения применяют пластичные смазки, а по старой системе индексации – консистентные.

Пластичные смазки представляют собой минеральные масла, загущенные до мазеподобного состояния. При перемешивании масла с загустителем частицы последнего поглощают масло и разбухают, образуя структурный каркас смазки. При этом в ячейках, образованных частицами разбухшего загустителя, находится жидкое масло. В таком виде смазка напоминает комок ваты, пропитанной жидкостью. Структурный каркас непрочен, при небольшой нагрузке он разрушается, и тогда смазка начинает течь, приближаясь к жидкому состоянию. Этим и обеспечивается надежное смазывание узлов трения. Но как только смазка освободится от нагрузки, она сразу как бы застывает и прочно удерживается на деталях, не стекая с них. Это свойство пластичных смазок позволяет использовать их в негерметизированных, слабо герметизированных или изношенных узлах трения.

Большинство смазок содержит 80–90 % нефтяных или синтетических масел, в которые для придания им пластичности вводят 10–20 % того или иного загустителя. Кроме того, пластичные смазки могут содержать до 5 % воды и до 10 % графита, стабилизаторы и другие вещества.

Вкачестве загустителей чаще всего применяют мыла различных металлов (натриевые, литиевые, кальциевые) и извлекаемые из нефти твердые углеводороды (парафин, церезин и их смеси).

87

Узлы трения, смазываемые пластичной смазкой, более просты в обслуживании, не так часто требуют замены масла, не требуют постоянного наблюдения за их работой.

К основным свойствам пластичных смазок относятся: водостойкость, температура каплепадения, пенетрация, коллоидная стабильность, испаряемость, предел прочности и др.

Водостойкость характеризует свойство пластичной смазки не разрушаться при соприкосновении с водой. Это свойство определяется погружением испытуемой смазки в теплую воду. Неводостойкая смесь через 10–15 мин растворяется. По этому признаку смазки делят на водостойкие и неводостойкие.

Температура каплепадения смазки определяет верхний температурный предел ее применения. Обычно считают, что смазки можно применять при температуре на 15–20 °С ниже их температур каплепадения. По температуре каплепадения, которая в основном зависит от типа загустителя, смазки делят на низкоплавкие, среднеплавкие и тугоплавкие.

Пенетрацией называется условный показатель механических свойств смазок, численно равный глубине погружения в них стандартного прибора (конуса), выраженной в десятых долях миллиметра. Эта величина характеризует консистенцию (густоту) смазки, т. е. способность смазки нести нагрузку и сопротивляться выдавливанию из подшипника. Пенетрацию определяют на специальном приборе (пенетрометре), показывающем число пенетрации. Чем выше число пенетрации, тем ниже несущая способность смазки.

Коллоидная стабильность отражает способность смазок сопротивляться выделению из них масла. Она выражается в процентах выделившегося масла от взятого для испытания количества смазки.

Испаряемость смазок выражается в процентах от взятого для испытания количества смазки. Процессы испарения и потери коллоидной стабильности приводят к повышению концентрации загустителя в смазках, нарушению их однородности и снижению пластичности смазки.

88

Предел прочности представляет собой минимальное напряжение сдвига под действием инерционных сил, при котором начинается течение смазки из-за наступающего разрушения ее каркаса, образованного загустителем. Предел прочности отражает способность смазок удерживаться на поверхности деталей при наличии сил инерции. Его определяют на специальном приборе – ротационном пластовискозиметре.

4.2.Классификация и индексация пластичных смазок

иобласть их применения

Сегодня рынок отечественных смазок насчитывает более

100видов.

Вбывшем СССР до 1979 года не существовало системы классификации и индексации смазок. В итоге смазки имели либо название, либо номер, либо рабочее обозначение предприятияизготовителя. С 1979 г. начал действовать ГОСТ 23258–78 (актуальный по настоящее время в РФ), установивший требования к названию смазки. Оно должно содержать одно слово ицифру.

Смазки классифицируют по консистенции, составу и областям применения.

По консистенции смазки бывают твердые, пластичные и полужидкие. Пластичные и полужидкие смазки являются коллоидными системами, включающими дисперсионную среду, дисперсную фазу, а также присадки и добавки. Пластичные смазки преимущественно используются в таких узлах трения, как подшипники качения и скольжения, шарниры, зубчатые, винтовые и цепные передачи, многожильные тросы. Сильнее всего влияют на эффективность использования пластичной смазки следующие условия:

– конструктивная особенность узлов трения и внешние параметры работы смазки – температура, удельная нагрузка в области трения, скорость трения;

– совместимость смазок с материалами узла трения;

– сочетаемость смазок друг с другом при их возможном смешивании.

89

Твердые смазки до отвердения находятся в виде суспензии, их дисперсионной средой является смола или иное связующее вещество и растворитель, а загустителем – дисульфид молибдена, графит, технический углерод и т.п. После отвердения (испарения растворителя) твердые смазки представляют собой золи, обладающие всеми свойствами твердых тел и характеризующиеся низким коэффициентом сухого трения.

Существует четырегруппы смазок, характеризующие состав. Мыльные смазки. При их производстве в качестве загустителя применяются соли высших карбоновых кислот (мыла). Мыльные смазки бывают обычными и комплексными (кальциевые, литиевые, бариевые, алюминиевые и натриевые). Это зависит от аниона мыла одного и того же катиона. Особняком стоит группа смазок на смешанных мылах – в них загустителем является смесь мыл: литиево-кальциевые, натриево-кальциевые и др. Первым указан катион мыла, доля которого в загустителе большая. Мыльные смазки в зависимости от применяемого для их получения жирового сырья называют условно синтетическими (анион мыла – радикал синтетических жирных кислот) или жировыми (анион мыла – радикал природных жирных кислот), на-

пример синтетические или жировые солидолы. Неорганические смазки. Загустителем для таких смазок

служат высокодисперсные неорганические вещества, термически стабильные с высокой удельной поверхностью. Это силикагелевые, бентонитовые, графитные, асбестовые и другие смазки.

Органические смазки. Загустителем являются термически стабильные, высокодисперсные органические вещества. Это полимерные, пигментные, полимочевинные, сажевые и другие смазки.

Углеводородные смазки. В процессе их производства загустителем являются высокоплавкие углеводороды (петролатум, церезин, парафин, озокерит, различные природные и синтетические воски).

В зависимости от типа их дисперсионной среды различают смазки на нефтяных и синтетических маслах.

90