Изменение свойств смазочного материала в эксплуатации

Физико-химические изменения. Смазочный материал в работе стареет, т. е. его первоначальные свойства изменяются в результате физических и химических процессов, которым он под­вергается. При эксплуатации происходит испарение преимуще­ственно легких фракций масла; оно засоряется продуктам^ окис­ления, полимеризации, конденсации и распада самого! масла, загрязняется продуктами изнашивания смазываемых поверхно­стей и пылью (минеральной, металлической или органической); в двигателях внутреннего сгорания масло, кроме того, загрязня­ется продуктами неполного сгорания топлива и жидким топли­вом. В насосах и других машинах не исключается некоторое загрязнение масла иными жидкостями.

Физико-химические изменения масел связаны прежде всего с их окислением, под которым понимают совокупность химиче­ских превращений в масле в присутствии кислорода. Окисление масла происходит в толстом слое (в масляных цистернах, ба­ках, маслопроводах, картерах), в тонком слое (на смазываемых поверхностях) и в туманоподобном виде.

При нормальной температуре и атмосферном давлении мине­ральные масла в объеме (в толстом слое) почти не окисляются, при повышении температуры окисление ускоряется: изменение физико-химических свойств масел при температуре 100°С исчис­ляется сутками, а при 250°С — минутами. Скорость окисления значительно изменяется в присутствии металлов, в особенности их окислов и металлических мыл. Свинец является наиболее сильным катализатором окисления; за ним следует медь и желе­зо. Алюминий почти не влияет на процесс окисления. Каталити­ческое действие других металлов слабое, они могут даже тор­мозить окисление. Наличие воды в масле, как показывают опы­ты Н. М. Черножукова, делает окисление более интенсивным.

Основное окисление масла происходит в тонком смазочном слое, где масло подвергается высокому давлению и наибольше­му нагреву и где сильнее сказывается каталитическое воздейст­вие металлов, а также в контакте со стенками маслопроводов. Интенсивное окисление происходит при большой поверхности соприкосновения масла с воздухом, при проточном смазывании или при смазывании погружением. Вспенивание масла способ­ствует его окислению; насыщение воздухом, повышение темпе­ратуры масла, обводнение в присутствии стали, бронзы, латуни, баббитов и их продуктов изнашивания стимулируют окисление и в объеме (в толстом слое).

В общей совокупности продуктами окисления масел являют­ся спирты, альдегиды, кетоны, кислоты, сложные эфиры, смолы, асфальтены, карбены и карбоиды.

В результате окисления масла изменяется его химический состйв; увеличивается содержание в нем исходных смолистых веществ, заново образуются другие; повышаются плотность и температура вспышки, масло приобретает более темный цвет; увеличивается вязкость, которая может намного превысить ис­ходную в связи с образованием или увеличением содержания в масле \асфальтосмолистых веществ. Повышение вязкости масла усиливает его гидродинамическое действие и повышает нагру­зочную! способность смазочного слоя. Однако при этом возра­стают потери на перемещение по маслопроводам, а при смазы­вании погружением — на размешивание. Из-за увеличения внут­реннего трения масла может повыситься его средняя температура, что усилит окисление. В быстроходных машинах, где повышение вязкости масла связано с возможностью сильного перегрева поверхностей трения, ограничивают рост вяз­кости.

В двигателях внутреннего сгорания старение масла происхо­дит более интенсивно, чем в других машинах. Масло не только окисляется и обводняется, но и загрязняется топливом и продук­тами его окисления и распада. Поэтому плотность и вязкость масла в системе могут увеличиваться, уменьшаться или оста­ваться без изменения в зависимости от степени окисления масла и степени его разжижения фракциями топлива. Кроме того, в результате окисления масла в нем образуются нафтеновые кис­лоты, химический состав которых может быть различным. Их образование отмечается увеличением кислотного числа, так как продукты окисления сами по себе оказывают каталитическое действие. Сезонные изменения температуры могут заметно влиять на интенсивность окисления масел в системах машин с высокой тепловой нагрузкой.

Образующиеся кислоты и смолы, являясь полярными соеди­нениями, улучшают смазочную способность масел в области тре­ния при граничной смазке. Смолистые и углистые вещества, как продукты полимеризации масел при их окислении, выделяются в раздробленном состоянии. В раздробленном состоянии попа­дают в масло и продукты изнашивания, а также посторонние механические частицы. Во взвешенном состоянии находится в масле вода. Поэтому работающее масло представляет собой ряд дисперсных систем с различной степенью дисперсности. Смолы диспергируются до молекул, углистые частицы дают более гру­бые дисперсные системы.

Часть смолистых веществ растворяется в масле, образуя истинные растворы; остальная часть и углистые вещества входят в коллоидный раствор или образуют суспензию (взвесь). Не ра­створяющиеся в маслах смолы, асфальтены, карбены и карбои­ды, к которым присоединяются оксикислоты, могут выпадать из масла в виде осадка; для этого требуется некоторая концентрация этих веществ. Смолистые вещества могут отлагаться и на поверхностях трения.

Причинами обводнения масла в смазочных системах являют­ся: выделение воды в результате разложения углеводородов масла в процессе старения; утечки пара через ушютнения;/утеч-ки воды через уплотнения; конденсация попавшей из атмосферы влаги в картерах, корпусах редукторов, в баках и цистернах; частичная конденсация водяного пара, входящего в состав про­дуктов сгорания и прорывающегося вместе с ними в картеры двигателя внутреннего сгорания. Наличие воды в маслр ухуд­шает его смазочные свойства, способствует в присутствии! метал­лов-катализаторов более быстрому окислению масла и создает опасность корродирования поверхностей деталей. Рабочие по­верхности некоторых деталей (например, шеек валов) при на­личии в масле пресной воды темнеют, при наличии соленой воды заметно корродируют.

Вода в масле или топливе — одна из основных причин водо­родного изнашивания деталей. Вода в масле циркуляционной системы транспортных двигателей может стать причиной серьез­ных неисправностей в зимнее время. Масляные фильтры могут оказаться закупоренными льдом, а масляный насос может пре­кратить подачу масла вследствие обмерзания сетчатых фильт­ров. Это относится в первую очередь к автомобильным двига­телям, где находящееся в нижнем картере масло подвергается интенсивному охлаждению при движении автомобиля. Этим объясняются случаи выплавления в холодную погоду подшипни­ков коленчатых валов этих двигателей. В двигателях с внутрен­ними полостями в коленчатых валах вода, попадая вместе с циркулирующим маслом во внутренние полости шатунных шеек и имея большую плотность, чем масло, сепарируется и накапли­вается здесь во время работы двигателя. Если после остановки двигателя шатунная шейка, в полости которой накопилась вода, займет положение выше коренных шеек, то вода, отстоявшись, заполнит соединительные каналы в щеках вала, где образуются при охлаждении двигателя ледяные пробки. В этом случае при пуске двигателя, если не будут приняты предварительные меры для оттаивания пробок, часть коленчатого вала окажется от­ключенной от смазочной системы.

Отложения на д еталях и в смазочн о й си ст еме. Указанные от­ложения образуются в результате старения масла, а в двигате­лях внутреннего сгорания, кроме того, из продуктов разложения и неполного окисления топлива. Эти отложения не являются пол­ностью углеродистыми, хотя и получили такое наименование. Углеродистые отложения в двигателях разделяются на три вида: нагар, лак и осадки (шлам). Для нагара характерен черный цвет, но он может быть белого, оранжевого, коричневого и дру­гих цветов, имея различную структуру — плотную, рыхлую или

пластинчатую. Нагарообразование, кроме двигателей, возможно и в других машинах.

Лак представляет собой тонкий слой твердого или клейкого углеродистого вещества от коричневого до черного цвета. Лако­вые отложения в двигателях на боковой и внутренней поверхно­стях поршня, на шатуне и поршневых пальцах объясняются тем, что масло в тончайшем слое при повышенной температуре на металлической поверхности в присутствии кислорода подвер­гается полимеризации и уплотнению. Такова же природа про­цесса лакообразования на штоках клапанов, пальцах прицепных шатунов, коренных и шатунных подшипников авиационных поршневых двигателей, а также подшипников качения турбо­реактивных двигателей. Этот процесс протекает, хотя и с мень­шей интенсивностью, в подшипниках и на шейках валов авто­тракторных, тепловозных и судовых двигателей, а также на де­талях других машин, например на бронзовых подшипниках шпинделей металлорежущих станков. При неудовлетворительной работе системы охлаждения компрессоров образуются лаковые отложения на клапанах поршневых колец цилиндров и пласти­нах ротационных компрессоров. В опытах С В. Венцеля [6] над возвратно-поступательной парой наблюдалось образование от­ложений при средней температуре металла до 70°С и масла до 50°С

Если лаковые отложения на поршне могут привести к его перегреву вследствие ухудшения условий теплоотвода и к закли­ниванию поршневых колец в канавках поршня, то отложения на рабочей поверхности подшипников можно рассматривать как положительный фактор снижения скорости изнашивания и повы­шения противозадирной стойкости сопряженной пары. По утверждению некоторых исследователей любой хорошо прира­ботавшийся подшипник обычно покрыт полимерными образова­ниями.

Шлам — это тестообразное или полутвердое вещество от светло-коричневого до черного цвета, состоящее из жидкости и нерастворимых в ней веществ, загущающих ее в эмульсию или суспензию. В смазочной системе шлам состоит из масла, нераст­воримых в нем смолистых веществ и других продуктов окисле­ния, воды и твердых частиц в масле. Шлам в картерах автомо­бильных двигателей состоит на 50—70% из масла, на 5—15% из воды, а остальное — горючее, продукты окисления масла и твер­дые частицы. В состав осадка смазочных систем паровых турбин входят масло, нерастворимые продукты окисления, вода, крем­ний, окислы железа, меди и цинка, сульфаты и хлориды. Шлам может встречаться в виде отдельных сгустков, плавающих в масле, или, в исключительных случаях, в виде больших комьев.

Шламообразование, связанное с интенсивным старением мас­ла, существенно зависит от температуры последнего. Обводнение масла, засорение его механическими "частицами, в особенности мельчайшими, являющимися эмульгаторами, частичное или полное засорение сапуна в двигателях внутреннего сгорания спо­собствуют образованию шлама. Накопившийся шлам забивает фильтры, маслоохладители и полости центрифуг, уменьшает пропускную способность масляных каналов. Забивка шламом приемника масляных насосов может полностью нарушить работу смазочной системы. При центробежной очистке масла в полостях шатунных шеек коленчатых валов отделившийся шлам освобож­дается от жидкой фазы и спрессовывается. Эти отложения мо­гут ограничить ресурс двигателя.

Отложения смолистых веществ из рабочей жидкости гидрав­лических систем на деталях прецизионных золотниковых пар могут привести к временному зависанию золотников или к пол­ному заклиниванию пары.

Пенообразование. Пена представляет собой соединение мик­роскопических пузырьков газа или пара, отделенных друг от друга пленкой жидкости толщиной около Ю^-5 см. Пена образу­ется при взбалтывании масла и выделении из его толщи нахо­дящихся в растворенном или взвешенном состоянии воздуха, паров и газов. Все жидкости способны растворять в себе газы в количестве, прямо пропорциональном давлению на поверхности контакта и зависящем от свойств жидкости и газа. Воздух, на­пример, при повышении давления на 0,1 МПа растворяется в маслах и смесях минерального происхождения в количестве до 10% объема жидкости, азот — до 13%, а углекислый газ — до 85%. При понижении давления излишек газа выделяется до на­ступления равновесия между жидкой и газовой фазами, причем процесс происходит во много раз интенсивнее растворения. Пе­нообразование может произойти при смазывании деталей погру­жением и при стоке масла в маслосборники. Другая возмож­ность пенообразования обусловлена выделением газов и паров из масла.

При взбалтывании масла, при его разбрызгивании и струй­ном смазывании высокооборотных деталей в масло заносится воздух, а в картеры двигателей прорываются газы и пары топли­ва. В некоторых подшипниках в слое масла, омывающего цап­фу, в ненагруженной зоне образуется вакуум, в результате чего в масло также подсасывается воздух.

Выделение воздуха из масла вследствие понижения давления может произойти во всасывающей полости насоса и на участках маслопровода, где повышается скорость масла или изменяется направление его движения. Выделившийся здесь или поступив­ший вместе с маслом воздух расширяется, заполняет некоторый объем и в последующем насос сжимает масляно-воздушную смесь.

С наличием нерастворимого в масле воздуха и с ценообразо­ванием связаны следующие отрицательные явления: 1) умень­шается подача масляных насосов; 2) появляется пульсация дав­ления в системе, что исключает возможность подачи масла рав­номерной струей к смазываемым поверхностям; 3) ухудшается смазывание вследствие разрыва масляной пленки на смазывае­мых поверхностях пузырьками воздуха, что может привести к опасному местному перегреву; 4) пузырьками воздуха масло уносится через зазоры, сапуны картеров или маслобаков и через стыки, что приводит к потере масла; 5) искажаются показания уровня масла в картере, что может вызвать эксплуатацию ма­шины или механизма при недостаточном смазывании; 6) ускоря­ется окисление масла.

Если исключить такие обстоятельства, как расположение масляного насоса, конструкция маслозаборника и маслопровода, то пенообразование зависит от качества масла. Моющие при­садки в маслах, обводнение и окисление масла способствуют пе-нообразованию. Достаточно ничтожного количества воды в мас­ле— менее 0,1% по массе, чтобы проявилась тенденция к цено­образованию. В коробках передач независимо от марки и но­минальной вязкости масла существует область температур, а следовательно, и рабочих вязкостей, при которых пенообразова­ние наиболее интенсивно. Это связано с влиянием температуры на образование и стойкость пены. Стойкость пены уменьшается с повышением температуры; по имеющимся данным, температура свыше 70°С вызывает быстрый распад пены. Изложенное выше позволяет объяснить причину, по которой вспенивание масла в картере двигателя происходит только спустя некоторое время после пуска, а прекращение пенообразования — после того, как будет пройден некоторый температурный интервал. Для умень­шения пенообразования применяют противопенные присадки к маслу.