книги из ГПНТБ / Цуркан И.Г. Смазочные и защитные материалы учебник

Эти кислоты получают из естественных жиров. Например, в живот­ ном сале содержится 8—25% стеариновой, 20—30% пальмитиновой, 40—60% олеиновой кислот; в растительных жирах — 2—40% паль­ митиновой, 2—8% стеариновой, 15—85% олеиновой кислот. Рици­ нолевая кислота содержится в касторовом масле.

Все кислоты в природных жирах находятся в виде глицеридов. Как известно, глицерин представляет собой трехатомный спирт

СН ,—СН—СН,

I I I “

ОН он—он.

Если в молекуле глицерина атомы водорода в гидроксильных груп­ пах ОН заместить остатком какой-либо органической кислоты, напри-

О

мер стеариновой СН3—(СН2)і0 — , то получится глицерид стеа-

О

риновой кислоты

о

II

СН2— О— С— (СНа)10 — СН3

О

II

СН — О —С— (СН2)ів— с н 3

СН2 — О— С— (СН2)16— с н 3.

II

о

В таком виде это соединение входит в состав естественных жиров. Если на глицерид подействовать водой, произойдет гидролиз, т. е. разложение или расщепление глицерида на свои составные части — жирную кислоту и глицерин:

СН2 — О— СО— (СН2)16 — С3

СН — О— СО— (СН2)1в— СН3 + ЗН20-

СН2— О— СО — (СН2)10— с н 3

40

При воздействии на жирную кислоту щелочами получают мыла. Например, с едким натром идет реакция получения натрового мыла стеариновой кислоты (стеарата натрия)

При нормальной температуре мыла высокомолекулярных жирных кислот — твердые вещества. Если поместить мыло в масло и нагревать смесь до температуры плавления мыла, получим истинный раствор. При охлаждении раствора мыло начинает кристаллизоваться. Мелкие кристаллы (волокна) равномерно распределяются по всему объему масла и за счет физического взаимодействия друг с другом (электро­ статические силы) образуют сплошную решетку (каркас), в ячейках которой заключено масло. Полученное таким образом тело и является пластичной смазкой.

Благодаря наличию твердого каркаса пластичная смазка приобре­ тает черты твердого тела, т. е. 'обладает способностью к упругому де­ формированию. Если из объема смазки вырезать призму (на рис. 12 показана штрих-пунктирными линиями), нижнюю грань зафиксировать в неподвижном состоянии, а к верхней части прикладывать растяги­ вающую (нормальную) силу N (рис. 12, а) или боковую (танген­ циальную) силу F (рис. 12, б), то призма_начнет деформироваться, как показано сплошными линиями. При некоторых значениях силы деформация будет соответствовать закону Гука о прямой пропорцио­ нальности между силой и деформацией. В этом случае напряжение а, возникающее в смазке при растяжении и равное отношению силы N к площади поперечного сечения призмы, будет равно

мация, равная отноше­ нию приращения дли­ ны образца АI к его первоначальной длине.

Абсолютная деформация А/, при которой еще имеет место упругое деформирование смазки, может составлять 3—7%, в то время как для сталей оно равно очень небольшим долям про­ цента.

Аналогично напряжение т в смазке при сдвиге будет равно

41

где G — модуль упругости при сдвиге;

у — относительная деформация, равная тангенсу угла сдвига а. Если действующая на смазку сила и вызываемые ею напряжения окажутся больше некоторой величины, закон пропорциональности между напряжением и деформацией нарушится, т. е. появятся оста­ точные (необратимые) деформации. В этой области деформирования смазка ведет себя как пластический материал, которому можно при­

дать любую форму.

При дальнейшем увеличении силы напряжения в смазке могут достичь критической величины, называемой пределом прочности смаз­ ки при растяжении сгпч или при сдвиге тпч. Выше этих напряжений смазка начинает течь.

Важной особенностью поведения смазки на режимах течения яв­ ляется то, что ее коэффициент внутреннего трения зависит от градиента скорости сдвига в отличие от жидких масел, вязкость которых не за­ висит от скорости деформирования. Это объясняется наличием волокон мыла в смазке. При течении структурные элементы, образованные волокнами, разрушаются тем в большей степени, чем выше скорость течения. Поэтому коэффициент внутреннего трения смазки умень­ шается с увеличением градиента скорости сдвига.

Кроме того, волокна мыла способны ориентироваться по потоку, т. е. располагаться параллельно направлению течения. Чем выше ско­ рость, тем больше проявляется эффект ориентации. Это также приво­ дит к понижению коэффициента внутреннего трения смазки с ростом скорости течения.

Следовательно, для пластичной смазки не существует такой констан­ ты объемно-механических свойств, какой является вязкость для жид­ ких масел. Для характеристик пластичных смазок приходится пользо­ ваться понятием э ф ф е к т и в н о й (кажущейся) вязкости. Под эффективной вязкостью подразумевается вязкость такой жидкости, которая бы оказывала такое же сопротивление при течении в данном скоростном режиме деформирования, как и данная смазка. При ис­ пользовании величины эффективной вязкости пластичной смазки ука­ зывается не только температура, но и градиент скорости сдвига, при которых эта вязкость получена.

Еще одной особенностью пластичных смазок является изменчивость их механических свойств в процессе эксплуатации, обусловленная разрушением мыльных волокон. Глубина и характер этого разрушения зависят от интенсивности деформирования (градиента скорости сдвига) и от продолжительности механического воздействия на смазку.

Если приостановить механическое воздействие и дать смазке от­ дохнуть, то благодаря силам взаимодействия между отдельными волок­ нами или группами волокон будет происходить восстановление струк­ тур, что поведет к некоторому увеличению предела прочности и эф­ фективной вязкости смазки в процессе отдыха. Те структуры, которые способны восстанавливаться, называют т и к с о т р о п н ы м и , а не способные к восстановлению — конденсационными.

Наиболее полные возможности для оценки механических характе­ ристик пластичных смазок дают ротационные пластовискозиметры

42

зиметре изобразить в виде зависимости напряжения (отношение силы F к площади боковой поверхности цилиндра) от продолжительности деформирования смазки, получим график (рис. 13). Вначале напряже­ ние в смазке т быстро увеличивается до максимального значения, пред­ ставляющего собой предел прочности смазки тгпч. С этого момента смаз­ ка начинает течь. В процессе течения благодаря разрушению конденса­ ционных и тиксотропных связей напряжение падает до некоторого установившегося значения туст. Это свидетельствует о том, что достиг­ нут стационарный режим течения смазки, при котором скорость разру­ шения тиксотропных связей становится равной скорости их восста­ новления. По величине туст можно вычислить эффективную вязкость смазки при данных температуре t и градиенте скорости D [градиент рассчитывается по формуле (7)]:

скольких минут. Если после достижения этого режима остановить внут­ ренний цилиндр, напряжение в смазке упадет до нуля. В процессе отдыха смазки идет только восстановление тиксотропных связей. Поэтому измеряемый при новом пуске прибора предел прочности т„ч смазки будет зависеть от продолжительности отдыха Т„.

Для определения предела прочности смазок на сдвиг используют пластометр К-2 (рис. 14).

Испытуемую смазку 2 заправляют в капилляр 7, состоящий из двух разъемных по оси частей. На внутренней поверхности капилля­ ра имеется нарезка, чтобы смазка не скользила по ней. При нагреве рабочая жидкость 3 расширяется и' стремится вытолкнуть смазку из капилляра. Достигнув критического давления, соответствующего пределу прочности смазки, происходит ее сдвиг, и давление падает. По максимальному давлению судят о пределе прочности.

43

У

Эффективная вязкость определяется обычно в диапазоне изменения градиента скорости сдвига от нескольких единиц до нескольких ты­ сяч сек-1. Часто в технические условия на пластичные смазки вносятся величины эффективной вязкости при 10 или 100 сек-1.

Как видно из изложенного выше, пластичные смазки являются веществами механически нестабильными. В процессе эксплуатации они могут существенно разжижаться и вытекать из узла трения, по­ этому важно иметь представление о степени их механической стабиль­ ности. Обычно для этих целей пользуются величиной коэффициента механической стабильности, представляющего собой отношение пре­ дела прочности смазки после разрушения ее определенным лаборатор­ ным способом к пределу прочности исходной смазки.

На механические характеристики пластичных смазок большое влия­ ние оказывают тип и концентрация мыльного загустителя, качество жидкой основы, например вязкость масла, а также присутствие по­ верхностно-активных веществ (присадок, кислот и т. д.). Большое значение имеет и технология изготовления смазки (скорость и равно­ мерность охлаждения при кристаллизации мыла, режим гомогениза­ ции, т. е. перетира смазки после охлаждения и т. д.).

Большое распространение для оценки вязкостных свойств плас­ тичных смазок получили автоматические капиллярные вискозиметры АКВ-2 и АКВ-4 (рис. 15). С их помощью можно получить зависимость вязкости смазки от скорости деформации в течение одного испытания. В этих приборах смазка продавливается через капилляр с переменной скоростью при помощи пружины.

Рис. 14

Рис. 14. Пластометр К-2

Рис. 15. Схема вискозиметра АК.В-4:

1 — капилляр; 2 — смазка; 3 — шток; 4 — вращающийся барабан-самописец; 5 — пружина

44

До настоящего времени в стандартах на пластичные смазки фигури­

2. Физико-хлмические характеристики пластичных смазок

Пластичная смазка представляет собой коллоидную систему, для которой характерно выделение жидкого масла, приводящая к изме­ нению ее свойств. Особенно это проявляется при хранении в крупной таре, так как часть смазки находится под давлением вышележащих слоев. Выделение небольшого количества масла является полезным, так как обеспечивает лучшее смазывание трущихся деталей. Однако чрезмерное выделение масла приводит к ухудшению товарного вида смазки, вытеканию и загрязнению территории, где хранится и приме­ няется смазка. Возможны случаи недопустимого изменения эксплуа­ тационных свойств смазки, ее затвердения.

Способность пластичной смазки удерживать в себе масло характе­ ризуется ее коллоидной стабильностью. Этот показатель определяют на приборе КСА (рис. 16). Метод оценки заключается в механическом отлрессовывании масла под нагрузкой 1 кГ из определенного объема смазки, помещенного над слоями фильтровальной бумаги, при ком­ натной температуре в течение 30 мин. Коллоидную стабильность выражают в процентах отпрессованного масла.

На величину коллоидной стабильности влияют: тип и концентра­ ция загустителя (чем больше загустителя, тем лучше коллоидная стабильность), размеры частиц загустителя (при уменьшении размеров масло удерживается лучше), проч­ ность связей между частицами загус­ тителя. На размеры частиц загусти­ теля и прочность связей между ними в свою очередь влияют технология из­ готовления смазки, наличие щелочей или кислот, вязкость жидкой фазы.

Чем выше вязкость масла, тем хуже идет кристаллизация и затрудняется взаимодействие частиц между собой. С другой стороны, слишком малая вязкость масла способствует более легкому его выделению из смазки. Поэтому для каждого типа смазки

45

Для получения смазок, стойких против окисления, применяют антиокислительные присадки. При подборе типа и концентрации присадки учитывают стойкость самой присадки к действию повышен­ ных температур в процессе изготовления смазки (170—210° С). При­ садка не должна оказывать существенного влияния на коллоидную стабильность и механические характеристики смазки.

Температурный диапазон работоспособности пластичной смазки во многом определяется температурой ее плавления, выше которой она становится жидкой. Температуру плавления смазки условно принимают по температуре каплепадения, т. е. минимальной температуре, при ко­ торой падает первая капля смазки, нагреваемой в определенных усло­ виях. Обычно считают, что температура каплепадения должна быть на 15—20° С выше максимальной рабочей температуры узла трения.

Некоторые мыла, применяемые в качестве загустителей смазок, являются гигроскопичными и растворимыми в воде. К таким относят­ ся, например, натриевые мыла высокомолекулярных жирных кислот. Поэтому смазки характеризуют по водостойкости, погружая их в нагретую воду. Если при этом происходит помутнение воды— смаз­ ка неводостойкая. Гигроскопичность смазок оценивают, помещая их на пластинках в эксикатор над слоем воды (рис. 17). Оценку ведут по увеличению веса смазки за счет поглощенной воды.

В эксплуатационных условиях смазки, не стойкие к воздействию влаги, могут разрушаться, перестают защищать металлические по­ верхности от коррозии, твердеть и т. д.

Особое место по отношению к влаге занимают смазки, приготов­ ленные на комплексных кальциевых мылах. Эти смазки готовятся

сприменением мыл высокомолекулярных жирных кислот (стеариновой)

инизкомолекулярной уксусной кислоты, кальциевая соль которой

(ацетат кальция) придает смазке гигроскопичность. Комплексные кальциевые смазки совершенно не растворимы в воде, но поглощаемая

46

Антикоррозионные свойства смазок оценивают, погружая металли­ ческие пластины в смазку и осматривая их поверхность после выдержки в течение определенного времени при повышенной температуре. Наи­ более чувствительны к коррозии медь и ее сплавы, пластины из кото­ рых чаще всего применяют для испытания смазок. Браковочным при­ знаком при^оценке антикоррозионных свойств смазбк является изме­ нение цвета"пластины, появление на ней коррозионных точек и пятен. Небольшое изменение цвета не служит браковочным признаком.

Особенностью пластичных смазок по сравнению с жидкими масла­ ми является то, что попадающие в них при эксплуатации пыль и про­ дукты износа трущихся деталей не имеют возможности оседать в нера­ бочей части узла трения и вместе со смазкой могут поступать в зоны трения. Поэтому содержание в работающей смазке таких элементов, как кремний, железо и медь, является важной характеристикой рабо­ тоспособности смазки. Метод такого анализа рассмотрен -в главе V.

3. Способы изготовления пластичных смазок

Производство пластичных смазок включает: а) приготовление мыла или концентрата мыла в масле; б) диспергирование мыла в мас­ ле и удаление воды; в) охлаждение смазки, т. е. кристаллизацию системы; г) отделочные операции.

Мыло чаще всего получают омылением жиров или жирных кислот

вприсутствии части минерального масла, входящего в состав смазки

вкачестве жидкой фазы. Омыление ведут в варочном аппарате откры­ того типа (обогреваемая мешалка) или под давлением в автоклаве. Затем добавляют остальную часть масла и выпаривают воду. Обычно смазку охлаждают непосредственно в варочном аппарате либо в таре, либо на противнях. Отделочные операции включают фильтрование смазки, гомогенизацию (перетирку) и расфасовку в тару.

Варочные аппараты представляют собой цилиндрические металли­ ческие резервуары с перемешивающим устройством и обогревом. На отечественных заводах наиболее распространены варочные аппа­ раты (реакторы-мешалки) объемом 3, 5, 10 и 16 м3, изготовленные из нержавеющих и углеродистых сталей и оборудованные паровыми рубашками. Давление пара в рубашке достигает 10 кГІсм2. Для пере­ мешивания в аппаратах имеются скребковые лопасти, пропеллерные, планетарные и винтовые устройства. Выбор системы перемешивающего устройства зависит от требуемой интенсивности перемешивания, вяз­ кости смеси, системы подогрева и др. -

При совершенной системе перемешивания время производства смазок сокращается на 30—80%.

В зависимости от требуемого технологического процесса конст­ рукция варочного аппарата может несколько изменяться. В аппаратах емкостью до 25—30 м3 часто применяют мешалки двойного действия, ра­ ботающие от двух электродвигателей. Одновременно в нижней части резервуара устанавливают дополнительное перемешивающее устройст­ во с самостоятельным приводом. Аппараты имеют две раздельные ру­

47

башки (верхнюю и нижнюю) для циркуляции теплоносителя и гидрав­ лическую систему привода крышки люка.

Гомогенизация смазки в простейшем случае осуществляется продавливанием ее через металлическую сетку с определенным размером ячеек. Часто для гомогенизации применяют перетирочные машины, которые снижают волокнистость или зернистость смазок и придают им однородность. Обычно они представляют собой трехвалковые вальцовочные машины. Гомогенизация происходит в результате про-

. пускания смазки между валками.

Рассмотрим в качестве примера процесс варки натриевой смазки — коисталина, применяемой для подшипников качения. В варочный аппарат при непре­ рывном перемешивании загружают омыляемое сырье и около 20% минерального масла, предусмотренного рецептурой. По достижении температуры 70—80° С в аппарат при перемешивании непрерывной струей подают расчетное количество водного раствора щелочи.

Процесс омыления проводят в течение 4 ч при 80—90° С и непрерывном пе­ ремешивании до прекращения вспенивания, а затем температуру повышают до 130—140° С для испарения избытка воды.

Вследствие интенсивного ценообразования в варочном котле температуру иногда снижают или добавляют антипенные присадки. В современных варочных аппаратах для уменьшения ценообразования применяют пеногасящие лопасти или сдувают пену струей воздуха.

После удаления избытка воды в варочный аппарат добавляют оставшееся минеральное масло и повышают температуру до 210—225° С, при которой закан­ чивают варку. В процессе варки контролируют содержание свободной щелочи. Избыток щелочи должен быть таким, чтобы после введения всех компонентов смазка имела заданную щелочность.

Структура и свойства натриевых смазок во многом определяются содержа­ нием воды в смеси компонентов в процессе варки. При значительных количе­ ствах воды в начале изготовления смазки процесс образования мыла ускоряется. Воду можно добавлять в варочный аппарат по мере ее испарения. Чрезмерное по­ вышение температуры может привести к потере той воды, которая играет роль стабилизатора и модификатора структуры смазки.

Оптимальный температурный режим варки определяется составом и каче­ ством омыляемого сырья, масла и других компонентов и соотношением между ними.

Примером производства литиевых смазок может служить приготовление смаз­ ки ЦИАТИМ-201, применяемой в ряде узлов трения подвижного состава. В ва­ рочном аппарате с системой подогрева, позволяющей вести процесс при темпе­ ратурах до 210° С, техничёский стеарин сплавляют с 20% всего количества мине­ рального масла при 80—90° С.

Затем в варочный аппарат добавляют гидроокись лития в виде водного раствора концентрации 7—8%. Процесс омыления продолжается при указанной температуре и непрерывном перемешивании 6—8 ч.

По-окончании омыления в аппарат подают вторую порцию масла и повыша­ ют температуру до 140— 150° С, при которой мыло в масле набухает в течение 2 ч при периодическом перемешивании. Затем в аппарат добавляют оставшееся мас­

Горячую смазку сливают в промежуточную тару, где она охлаждается в течение суток при комнатной температуре. Охлажденную смазку гомогенизируют на вальцовочной машине и расфасовывают в банки из белой жести.

Описанные примеры изготовления смазок осуществляются на технологиче­ ских установках периодического действия. В настоящее время начинают внедряться более прогрессивные непрерывные или полунепрерывные процессы получения пластичных смазок. Один из таких способов производства смазки для автотормозных приборов железнодорожного подвижного состава описан в п. 2

главы IV.

48

Г л а в а IV. СМАЗОЧНЫЕ МАТЕРИАЛЫ, ПРИМЕНЯЕМЫЕ

ВУЗЛАХ ТРЕНИЯ ВАГОНОВ

1.-Осевые масла и антиаварийная смазка

Буксы с подшипниками скольжения, которыми оборудовано боль­ шинство грузовых вагонов, применяются многие десятилетия без каких-либо существенных изменений конструкций самих подшипников, маслоподающих устройств, материала шейки оси и антифрикционного сплава. Условия работы этих подшипников в последнее время значи­ тельно ужесточились. Возросли скорость и протяженность движения поездов без остановок, увеличились нагрузки на ось и сократилось время, отводимое на обслуживание буксового узла на станциях. Это повлекло за собой увеличение случаев выхода из строя подшипников по аварийному перегреву, иногда приводящему к выплавлению баб­ битового слоя и повреждению шейки колесной оси.

Случаи выхода из строя подшипников, как правило, не связаны с предшествующим повышенным износом, усталостными разрушения­ ми, коррозионным износом, а вызываются развитием процесса схва­ тывания баббита со сталыо, сопровождающегося ростом температуры.

Вагонные подшипники имеют ряд присущих им особенностей, обус­ ловленных конструкцией буксового узла, системой подачи смазки, спецификой эксплуатации.

Подшипник состоит из стального корпуса с бронзовой армировкой и антифрикционного слоя из баббита марки Б КА толщиной 4— 5 мм. Баббит удерживается на корпусе имеющимися в нем продольными пазами. Угол обхвата подшипника составляет 110°, отношение длины

'к диаметру 1,6— 1,9, средняя удельная статическая нагрузка 45 кГІсмг (дополнительная динамическая нагрузка при движении вагона дости­ гает 0,7 статической), максимальная скорость скольжения 5,5 м/сек.

Измерение большого числа подшипников после длительной экс­ плуатации показало, что их диаметры совпадают с диаметрами шеек осей. Постепенно во время работы вследствие главным образом пласти­ ческой деформации и частично износа поверхность баббитового слоя приобретает тот же радиус, что и шейка оси.

Испытания показали, что процесс приработки подшипников, по­

ставленных с диаметральным зазором 2'мм (при диаметре шейки оси 145 мм), протекает при более низких температурах нагрева, чем у подшипников, поставленных с меньшим зазором. Фактические пло­ щади поверхностей трения после равного числа часов работы оказа­ лись по величине одинаковыми у подшипников, поставленных с раз­ ным зазором, но по форме и месторасположению разными. Это можно объяснить тем, что между баббитовым слоем и корпусом подшипника при заливке образуются зазоры (пустоты), достигающие 0,2—0,8 мм, вследствие большой разницы коэффициентов линейного расширения стали и баббита. Поэтому в начальном периоде работы подшипники, поставленные с малым зазором, соприкасаются с шейкой оси отдель­ ными рассредоточенными участками с разрывами сплошности масля­

49