Курс лекции. Курс лекций по дисциплине эксплуатационные материалы
 Скачать 1.88 Mb.
|
|
Смазывающие свойства Под смазывающими свойствами масла понимают его способность препятствовать износу узлов трения, за счёт образования на трущихся поверхностях прочной плёнки, исключающей непосредственный контакт трущихся деталей. Различают плёнки химического происхождения (хемосорбция) и физического (адсорбция). Создание смазочных плёнок силами адсорбции обуславливается наличием в смазочных материалах поверхностно-активных веществ (ПАВ), несущих электрический заряд. Они обладают способностью образовывать на поверхностях раздела жидкость - твёрдое тело достаточно прочные слои ориентированных молекул. Механизм образования таких слоёв 1 - жидкость; 2 - граничная фаза; 3 - адсорбированный монослой; 4 - химические соединения (хемосорбированная граничная плёнка); 5 - зона деформированного металла; 6 - металл. 40 Хемосорбированные плёнки являются результатом химических реакций химически - активных веществ, содержащихся в масле с металлом смазываемых деталей. Как адсорбированные, так и хемосорбированные плёнки, обладая некоторой прочностью и стойкостью, защищают поверхности трения от механических и тепловых воздействий, препятствуют взаимной адгезии (микросвариванию) трущихся поверхностей. Граничные слои с повышением температуры ослабляются, а при достижении критических значений разрушаются, что способствует задиру и заклиниванью подвижного сопряжения. Поверхностно активные (ПАВ) и химически активные вещества (ХАВ) являются основными компонентами противоизносных и противозадирных присадок. От их состава во многом зависит структура, прочность, критическая температура работоспособности граничных слоёв. Противоокислительные и диспергирующие свойства Срок работы масел в двигателях зависит от их стабильности, под которой понимают способность масел сохранять свои первоначальные свойства и противостоять внешнему воздействию при нормальных температурах. В основном на стабильность масел, применяемых в ДВС, оказывают влияние следующие факторы: химический состав масел, температурные условия, длительность окисления, каталитическое действие металлов и продуктов окисления, присутствие воды и механических примесей, поверхность окисления. Ускоряет окисление повышенное давление воздуха. По условиям химического превращения масла в двигателе выделяют три зоны - камера сгорания, поршневая группа, картер двигателя. Отложения, образующиеся в двигателе в результате превращения углеводородов, также принято подразделять на три группы: нагары, лаки и осадки. Нагары - твёрдые углеродистые вещества (продукты глубокого окисления углеводородов), откладываются на стенках камеры сгорания, клапанах, свечах, днище поршня и на верхнем пояске боковой поверхности поршня. Количество образующегося нагара зависит от качества топлива, масла, его расхода, а предельная толщина от теплового режима работы двигателя. Чем холоднее стенки камеры сгорания, тем больший слой нагара на них формируется. Отрицательные последствия нагарообразования: ухудшается охлаждение камеры сгорания, уменьшается её объём; 41 появляется возможность преждевременного воспламенения смеси; происходит абразивный износ поверхностей трения. Лаковые отложения представляют собой богатые углеродом вещества, формирующиеся в виде отложений на поршне - в зоне колец, на юбке и на внутренних стенках. На процесс лакообразования влияют температура, количество и качество поступающего масла, техническое состояние поршневой группы двигателя. Наличие лаковых отложений значительно затрудняет работу двигателя: пригорают (теряют подвижность) поршневые кольца; затрудняется отвод тепла от деталей из-за теплоизоляционного действия лаковой плёнки; пригорают сепараторы подшипников качения. На механизм лакообразования влияют такие свойства масла, как термоокислительная стабильность и моющие свойства. Чтобы замедлить реакции окисления и уменьшить образование отложений в двигателе, в масло вводят антиокислительные присадки, действие которых основано на торможении образования активных радикалов в начальной стадии процесса окисления и разложении уже образовавшихся перекисей, переводе их в устойчивое к окислению состояние. Под моющими (детергенно-диспергирующими) свойствами понимают способность масла противостоять лакообразованию на горячих поверхностях за счёт предотвращения слипания и окисления углеродистых частиц, удержания их в состоянии устойчивой суспензии. Для улучшения моющих свойств масел в них вводят моющие присадки. Применяют два типа моющих присадок - зольные и беззольные. Масла с зольными присадками, сгорая, образуют золу, прилипающую к поверхности деталей. Беззольные моющие присадки не дают золу. Осадки - это мазеобразные сгустки, откладывающиеся на стенках поддона картера, крышки клапанной коробки, фильтрах, в шейках коленчатого вала, маслопроводах и других деталях двигателя. Отложение осадков в маслопроводах может привести к прекращению подачи масла к трущимся поверхностям. Осадки состоят из масла, воды, продуктов их окисления (оксикислот, карбенов, карбоидов, асфальтенов), а также механических примесей различного происхождения. Образование осадков происходит при пониженном тепловом режиме работы двигателя, когда ухудшается процесс сгорания топлива и возрастает попадание в картер продуктов его неполного сгорания. Низкая эффективность системы вентиляции картера - причины наиболее интенсивного протекания этого процесса. Чтобы моторные масла эффективно препятствовали образованию осадков, они должны сохранять 42 высокие диспергирующие свойства на протяжении длительного периода эксплуатации. Защитные и коррозионные свойства Проблемы защиты металлов от коррозии возникают при изготовлении, эксплуатации и хранении автомобилей. Роль масла в этом случае двояка: с одной стороны, оно защищает поверхности деталей от агрессивного влияния внешней среды, а с другой стороны, само вызывает коррозию из за присутствия в нём веществ, обладающих коррозионным действием. Коррозионные свойства масел зависят от наличия в них органических кислот, перекисей и других продуктов окисления, сернистых соединений, неорганических кислот, щелочей и воды. Коррозионность свежего масла по сравнению с резко возрастающей в процессе эксплуатации коррозионностью работавшего масла незначительна. В процессе использования масла содержание кислот в нём возрастает в 3 - 5 раз, что зависит от химической стабильности масла, содержания антиокислителей и условий его работы. Коррозионное действие масел связано также с содержанием в них сернистых соединений в виде сульфидов, компонентов остаточной серы и других веществ, видоизменение которых при высоких температурах приводит к появлению сероводорода, меркаптанов и других более активных продуктов. Содержание сернистых соединений в масле в процессе эксплуатации увеличивается, особенно, при работе двигателя на топливе с большим содержанием серы. Протеканию коррозии в определённой мере способствует вода, являющаяся средой для электрохимических процессов и катализатором процесса окисления масла. Защитные свойства масел обуславливаются созданием барьера - защитного слоя на пути агрессивных продуктов к металлическим поверхностям. Нижний слой представляет собой результат взаимодействия химических компонентов масла с металлом, средний - адсорбции поверхностно-активных веществ. Верхний слой - объёмный слой масла не защищает в необходимой мере металлические поверхности от проникновения влаги и газов. Поэтому основным барьером на их пути служат поверхностно-активные и химически активные вещества - ингибиторы коррозии, способствующие образованию на металлических поверхностях адсорбированных или химических плёнок. Коррозионные процессы в двигателях подавляют следующими способами: нейтрализацией кислых продуктов; замедлением процессов окисления; созданием на металле защитной плёнки. 43 Особенности синтетических смазочных материалов Синтетические масла - масла полученные методами синтезирования из соединений на основе диэфиров и других химических соединений (полиалкенгликоли, полисилоксаны, фторуглероды, хлоруглероды). Основной способ их производства - каталитические процессы этерификации. Практическое применение в качестве смазочных масел получили полимеры с метильными радикалами. Одно из основных преимуществ синтетических масел - это их значительно более высокий индекс вязкости, чем у нефтяных масел даже лучших сортов. Лучшая вязкостно - температурная характеристика в зоне отрицательных температур, а также более низкая температура потери подвижности обеспечивают благоприятный пусковой режим при более низких температурах. У синтетических масел меньшая склонность к образованию низкотемпературных отложений, что способствует нормальной эксплуатации двигателей в районах севера. В то же время высокие показатели вязкости при рабочих температурах, которые обеспечивают условия гидродинамической смазки при более жёстких нагрузочных и тепловых режимах, термическая стабильность, низкая испаряемость и малая склонность к образованию высокотемпературных отложений дают возможность применять синтетические масла в высоконагруженных теплонапряжённых агрегатах и при эксплуатации автомобиля в условиях жаркого климата. Синтетические масла имеют в несколько раз больший срок службы, чем нефтяные, и обеспечивают хорошее состояние смазываемых агрегатов, так как характеризуются лучшими противоокислительными, диспергирующими свойствами и механической стабильностью, равными или лучшими противоизносными и противозадирными свойствами. Большой срок службы синтетических масел до замены на 30 - 40 % сокращает расход масла. Для улучшения свойств в синтетические масла возможно введение композиции присадок. Их можно смешивать в промышленных условиях с минеральными (на синтетическую основу приходится, как правило, 30 - 40 %). В среднем стоимость синтетических масел в 2 - 3 раза выше нефтяных. Тем не менее они перспективны не только с эксплуатационной точки зрения, но и с экономической, так как обладают, как уже отмечалось, большим сроком службы до замены, и позволяют снизить затраты на ремонт. Особенности работы масла в гидромеханических передачах Поскольку гидромеханическая передача (ГМП) включает несколько разнохарактерных узлов - гидротрансформатор, шестерённую коробку передач, сложную систему автоматического управления - к маслу, 44 работающему в ГМП, предъявляются более жёсткие требования, чем к маслу для обычных механических коробок передач. К специфичным требованиям следует отнести: высокая теплопроводность и теплоёмкость (ГМП - наиболее теплонапряжённый узел трансмиссии, температура в летний период достигает 150 0 С); повышенная плотность (с повышением плотности увеличивается мощность, передаваемая передачей); малая вязкость (с понижением вязкости уменьшаются потери на трение); высокие фрикционные свойства (необходимы для нормальной работы фрикционных дисков сцепления); высокие противоокислительные свойства и устойчивость к вспениванию; Существующие системы классификации смазочных масел. Взаимозаменяемость с зарубежными аналогами Классификации моторных масел Отечественная классификация моторных масел Отечественные моторные масла классифицированы ГОСТ 17479.1 - 85. Этот стандарт подразделяет масла на классы по вязкости и на группы по назначению и уровням эксплуатационных свойств. Стандартная марка масла сообщает потребителю эти сведения в виде следующих условных обозначений: буква М (моторное), цифра или дробь указывает классы вязкости (дробь для всесезонных масел), одна или две из первых шести букв алфавита, означают уровень эксплуатационных свойств и область применения масла. Универсальные масла обозначают буквой без индекса или двумя разными буквами с разными индексами. Масла для бензиновых двигателей имеют индекс 1, дизельные масла - индекс 2. Классы вязкости, установленные ГОСТ 17479.1 - 85, представлены в таблице 5.2, а группы по назначению и эксплуатационным свойствам в таблице 5.3. Так, например, марка М - 6 З /10В указывает, что это моторное масло всесезонное, универсальное для среднефорсированных дизелей и бензиновых двигателей, а М - 8Г 2 и М - 10Г 2 , - это дизельные сезонные масла для дизелей без наддува или с умеренным наддувом, работающие в условиях, способствующих образованию высокотемпературных отложений. В некоторых марках масел встречаются дополнительные буквенные обозначения (М - 10 Г 2 К). Такие дополнения вводят, чтобы выделить масло, относящееся формально к одной и той же группе, но содержащее различные присадки и допущенные к применению в разных объектах техники. 45 Таблица 5.2 Классы вязкости моторных масел Соответствие того или иного масла группе, обозначенной в его маркировке, проверяется классификационными моторными испытаниями, которые повторяются каждые два года для проверки качества продукции. Моторными испытаниями согласно требованиям ГОСТ 17479.1 - 85 проверяют следующие свойства масел: антиокислительные, антикоррозионные, моюще-диспергирующие при высоких рабочих температурах, противоизносные, склонность к образованию отложений при низких температурах. Моюще-диспергирующие свойства универсальных масел проверяют испытанием в бензиновом двигателе и в дизеле. Таблица 5.3 - Группы моторных масел по назначению и эксплуатационным свойствам 46 Зарубежные классификации моторных масел За рубежом наибольшее распространение получили классификации масел по стандартам SAE J - 300 и АРI. Стандарт SAE J - 300 (общество автомобильных инженеров) классифицирует масло по классам вязкости, стандарт API (американский институт нефти) по условиям применения Кроме классификаций SAE и API широкое распространение в международном масштабе получили классификации АСЕА (Ассоциация европейских производителей автомобилей) и ILSAC (Международный комитет по стандартизации и одобрению смазочных материалов). Все классификации для характеристики вязкостно-температурных свойств масел используют стандарт SAE J - 300 (иногда с небольшими уточнениями или дополнениями). Моторные масла, лицензированные в АРI, маркируют логограммой, приведённой на рисунке Рисунок - Логограмма для маркировки моторных масел В центральном круге логограммы указывают класс (классы) масла по классификации SAE J-300, приведённой в таблице 5.5. Она подразделяет масло на шесть зимних классов (0W, 5W, 10W, 15W, 20W и 25W) и пять летних (20, 30, 40, 50 и 60). Из данных таблицы 5.5 видно, что в этих рядах большим цифрам соответствует большая вязкость. Всесезонные масла обозначаются двумя классами SAE, один из которых зимний, а другой летний, например SAE 5W - 30, SAE 10W - 40 и т.п. 47 Таблица 5.5 - Современная классификация моторных масел SAE J-300 APR97 Класс по SAE Во второй колонке таблицы 5.5 для каждого класса зимнего масла указан верхний предел разрешённой динамической вязкости, измеренный при заданной температуре на специальном ротационном вискозиметре, который имитирует поведение масла при холодном пуске двигателя от стартера. Однако это лишь одна характеристика низкотемпературного поведения масла. Не менее важна его способность прокачиваться масляным насосом, быть достаточно текучим, чтобы в самом начале проворачивания вала двигателя задержка поступления масла к парам трения была минимальной. В противном случае в узлах, смазываемых под давлением, возникает сухое трение, что вызывает очень большой износ или даже заклинивание подшипников распределительного вала. Поэтому измерение вязкости, характеризующей прокачиваемость масла в процессе холодного пуска двигателя (третья слева колонка таблицы 5.5), выполняют на миниротационном вискозиметре при малой скорости течения и при температуре на 10 0 С ниже, чем для масла того же класса вязкости при определении характеристики проворачивания. Теперь рассмотрим верхнее полукольцо логограммы на рисунке 5.2. Там указан класс масла по классификации API. Эта американская классификация 48 подразделяет моторные масла по уровням эксплуатационных свойств (жёсткости условий применения) и областям применения. Введены две категории масел: "S" (Service) и "С" (Commercial). Масла категории "S" предназначены для четырёхтактных бензиновых двигателей легковых, лёгких фургонов, микроавтобусов, а категории "С" - для 2- и 4-тактных дизелей грузовых автомобилей, тракторов, строительной внедорожной техники. Универсальные масла имеют двойное обозначение, причём в последнее время первым обозначают класс категории "С", а вторым категории "S", например, CF-4/SH, СG-4/SJ и т.п. Уровни эксплуатационных свойств или степень жёсткости требований, которым соответствует масло, в каждой категории обозначают первыми буквами латинского алфавита, причём уровень свойств возрастает по мере удаления от начала алфавита. Сегодня из категории "S" исключены, как устаревшие, классы от SA до SG включительно, а в категории "С" классы от СА до СЕ включительно. В результате действующая классификация API (таблица 5.6) содержит только два класса масел для бензиновых двигателей SH и SJ, и четыре класса дизельных масел CF, CF-2, CF-4, CG-4, где цифры 2 и 4 обозначают соответственно масла для 2- и 4- тактных дизелей. В США с 1999 г. введены в эксплуатацию дизельные масла класса CH-4, отличающиеся высокой экологичностью, длительной работоспособностью, улучшенными противоизносными и диспергирующими свойствами. Как правило, масла более высокого класса API могут использоваться вместо масел более низких классов. Нижнее полукольцо логограммы (рисунок 5.2) предназначено для условного обозначения энергосберегающих масел. Если оно не заполнено, данное масло энергосберегающим не является, если в нижнем полукольце написано ENERGY CONSERVING (сокращённо EC), это масло обладает способностью экономить топливо путём снижения потерь на трение. Критерием оценки служит уменьшение расхода топлива при переходе с эталонного масла на испытываемое. Автомобилестроительные фирмы США и Японии сформулировали единые минимальные требования к моторным маслам для 4-х тактных бензиновых двигателей в классификации ILSAC, которая пока содержит два класса масел, обозначаемых GF-1 и GF-2. Они практически идентичны классам АРI SH и SJ соответственно. Основное отличие состоит в том, что масла классов GF-1 и GF-2 обязательно энергосберегающие и всесезонные, причём зимняя характеристика ограничена тремя наименее вязкими классами SAE 0W, 5W и 10W, а летний класс может быть любым. Масла, 49 сертифицированные API на соответствие требованиям классификации ILSAC, маркируют специальной эмблемой. С 1996 г. введена в действие классификация моторных масел ACEA, в которой ведущие европейские автомобильные фирмы сформулировали единые базовые требования к маслам трёх категорий ("А", "В" и "Е"). Классификация ACEA заменила ныне устаревшую европейскую классификацию ССМС. В 1998 г. опубликована новая редакция классификации ACEA, отличающаяся от первой дальнейшим ужесточением отдельных проходных критериев и введением новых классов масел. В таблице 5.7 классификация АСЕА представлена в сопоставлении с классификациями ССМС, АPI и ILSAC. Здесь можно говорить не об идентичности, а лишь примерном соответствии классов разных классификаций. В целом европейские требования более жестки, чем американские. Это относится в первую очередь к антиокислительным и противоизносным свойствам масел. Таблица 5.6 - Современная классификация моторных масел по API Категория и класс API Категория Commercial 50 В категории "Е" уровень свойств масел существенно повышается от класса Е1-96 до Е3-96 и Е4-98. Масла класса Е1-96 применяют в дизелях без наддува, класса Е2-96 - в дизелях с умеренным наддувом, в обычных условиях эксплуатации. 51 Масла класса Е3-96 предназначены для высокофорсированных дизелей с турбонаддувом, выполняющих требования норм Euro II по выбросам токсичных веществ и эксплуатируемых в тяжёлых условиях с увеличенным сроком замены масла. Автомобильные фирмы часто дополняют базовые требования классификаций особыми собственными требованиями, которые обусловлены спецификой конструкции двигателей, использованием редко применяемых конструкционных материалов и др. Такие дополнительные требования излагают в фирменных спецификациях моторных масел. |