В пособии рассмотрены основные требования к эксплуатационным материалам, производимым за рубежом и широко поставляемым в Россию
 Скачать 2.64 Mb.
|
|
1.4. Перспективы смазочных масел Постоянное совершенствование автомобилей и их двигателей, возрастание мощности, частоты вращения и нагрузок на узлы и агрегаты требует новых, более качественных смазочных масел. Поэтому ведутся поиски новых материалов. Перспективы развития смазочных масел можно ориентировочно разделить на три направления: – синтетические масла; – твёрдые смазочные материалы (покрытия); – добавки к смазочным маслам. 1. Синтетические масла. Впервые процесс получения синтетических углеводородных смазочных масел был разработан русским учёным А. М. Бутлеровым в 70-х годах 19 века. Он показал, что газообразные и лёгкие жидкие непредельные углеводороды в присутствии различных катализаторов образуют сложные молекулы углеводородов, которые могут быть составной частью смазочных масел. Однако практического применения его разработок долгое время не было. Сравнительно несложные конструкции автомобилей и их двигателей обеспечивались смазочными материалами, производимыми из нефти. Современный транспорт располагает мощными высокооборотными двигателями, имеет большие скорости и грузоподъёмность, которые требуют принципиально новых эксплуатационных материалов. Поэтому в конце прошлого века всё шире начали применять искусственные, синтетические масла. Первыми синтетическими маслами были углеводородные. Они обладают высокой термической стабильностью, низкой испаряемостью и хорошими вязкостно-температурными свойствами. Синтетические масла хорошо смешиваются с нефтяными, образуя так называемую «полусинтетику», и с различными присадками. Производятся и применяются и неуглеводородные синтетические: – диэфирные масла на основе сложных эфиров многоатомных спиртов и карбоновых кислот. Однако следует помнить, что они агрессивны по отношению к уплотнительным материалам, в качестве которых можно применять стойкие фторуглеводородные полимеры. Эти масла широко применяют для приготовления незаменяемых смазок закрытых подшипников (сцепления, крестовин карданных валов и др.); – полигликолевые масла получают из этилена и пропилена. Это высококачественные масла, но в силу высокой стоимости, они применяются в качестве добавок к моторным маслам и как составная часть тормозных жидкостей; – силиконы – полимерные кремнийорганические соединения (силоксаны, полиорганосилоксаны), содержащие чередующиеся атомы кремния и кислорода; кремний также связан с органическими радикалами. Это бесцветные, прозрачные, маслянистые жидкости различной вязкости. Они обладают высокими температурно-вязкостными свойствами. Некоторые силиконы не изменяют свойств в течение 1000–1500 часов работы. Недостаток – плохие смазывающие свойства – устраняют путём введения противоизносных присадок. Используются как основа высококачественных пластичных смазок, в качестве антипенных присадок и добавок к амортизаторным жидкостям. – фосфорорганические масла – сложные эфиры ортофосфорной кислоты. Обладают исключительно высокими смазочными свойствами и стойкостью к окислению. Образуют на поверхности деталей плёнки из фосфидов металлов, сильно удлинняя срок службы подшипников и других узлов трения. Широко используются как смазочные масла, технические и гидравлические жидкости, противоизносные и антикоррозионные присадки. Из перечисленных синтетических масел наиболее перспективными являются диэфирные масла. Свойства синтетических масел в сравнении с минеральными: – высокий индекс вязкости – 150–170 ед.; – ниже температура застывания – до минус 65 ºС; – вязкость при температурах 250…300ºС в 2–3 раза выше, чем у равновязких им при 100 ºС минеральных масел; – выше термическая стабильность; – более низкая испаряемость, т. е. лучшая физическая стабильность; – меньше склонность к образованию высокотемпературных отложений (применяемость в высокофорсированных теплонапряжённых двигателях); – большая стойкость к окислению; – срок службы до 5 и даже до 10 раз дольше, расход на угар меньше на 30–40%. Несмотря на высокую стоимость (до 3–6 раз больше, чем у минеральных) применение долгоработающих и обеспечивающих значительное увеличение межремонтного пробега синтетических масел экономически целесообразно. В некоторых механизмах минеральные масла просто не обеспечат необходимых условий работы. 2. Твёрдые смазочные материалы (покрытия) применяются для обеспече-ния работы наиболее нагруженных деталей в условиях граничной смазки при тяжёлых эксплуатационных условиях. При этом исключить граничную смазку экономически невыгодно и не всегда возможно технически. Поэтому для обеспечения достаточной долговечности деталей, узлов и агрегатов применяют различные виды твёрдых смазочных материалов (покрытий). Основу таких смазочных материалов составляют дисульфиды молибдена МoS2, графита, солей олова, кадмия, свинца, а также полимерные материалы – политетрафтор-этилен и другие. Твёрдые смазочные покрытия снижают вероятность задира высоконагруженных деталей в условиях масляного голодания, тем самым увеличивая ресурс узлов трения. Трущиеся пары покрываются прочной плёнкой дисульфида молибдена, надёжно изолируются друг от друга как при жидкой смазке, обеспечивая высокие антифрикционные условия работы узла трения. Эти плёнки прочно сцепляются с деталями, устойчивы к контактным нагрузкам, имеют большое сопротивление разрыву и легко поддаются деформации. Твёрдые смазочные покрытия на основе МoS2 выдерживают нагрузку до 30 МПа, их коэффициент трения уменьшается с повышением нагрузки и температуры. Плёнки обладают высокой химической и термической стабильностью и сочетаются со всеми видами смазок. Нетоксичны. Твёрдые смазочные покрытия на основе МoS2 наносят на высоконагруженные детали газораспределительного механизма, карданных валов, агрегаты трансмиссии и другие. Практикуется нанесение таких покрытий и на юбки поршней. Ресурс работы деталей с покрытиями МoS2 возрастает на 30–50%, выше надёжность их работы. Для поддержания защитного слоя в смазочные масла вводят присадки, содержащие дисульфид молибдена. Рекомендуемая толщина плёнки 5–15 мкм, более толстый слой подвержен растрескиванию и скалыванию при высоких нагрузках. В последние годы всё более широкое применение находят твёрдые смазочные полимерные материалы, например на основе политетрафторэтилена или тефлона. Эти покрытия рекомендуются для всех двигателей. Политетрафторэтилен добавляют в горячее, свежее масло работающего двигателя в соотношении 1:5. Образующаяся суспензия в течение пробега около 5000 км обволакивает все детали двигателя, проникает в микронеров-ности и образует прочно сцепляющееся полимерное покрытие толщиной 1–2 мкм. Применяется один раз на весь срок службы двигателя. Снижается трение, износ деталей и расход топлива. 3. Добавки к смазочным маслам получили в последнее время широкое распространение. Они могут улучшать условия трения, как на срок службы залитого масла, так и на более продолжительное время. В своём роде это дополнительные присадки к смазочным маслам, улучшающие те или иные их качества. Интерес вызывают добавки препаратов, восстанавливающих изношенные поверхности путём своеобразного «напыления». В качестве примера можно привести препарат «Metal-5» (Франция). Этот препарат представляет собой дисперсию микрочастиц цинка, меди и серебра в масле. Его заливают в двигатель и микрочастицы металлов оседают в местах максимального трения сопряжённых пар (стенки цилиндров, подшипники трения и т. д.). В результате такой металлизации трущихся поверхностей, восстанавливается геометриче-ская форма деталей, возрастает мощность и снижается расход топлива и масла. Представляется перспективной и добавка в моторные масла микрочастиц керамики, которые образуют защитный слой, как и в случае применения твёрдых смазочных покрытий, но этот слой, в силу пористости керамики, удерживает запас масла на трущихся поверхностях, обеспечивая смазку при невысоких нагрузках даже при отсутствии моторного масла в картере двигателя. Необходимо отметить, что, к сожалению, часто встречаются добавки сомнительного качества и даже просто неработоспособные, могущие принести вред. Поэтому при использовании тех или иных добавок необходимо убедиться в их эффективности или избегать их применения. Высококачественные добавки к смазочным маслам существенно повышают эксплуатационные и экономические показатели работы двигателей и автомобилей в целом. Глава 2 Моторные масла Из всех смазочных масел к моторным маслам предъявляют наиболее жёсткие требования. Это объясняется специфичностью их работы, влиянием качества масел на условия работы и долговечности основного агрегата автомобиля – двигателя. 2.1. Условия работы автомобильных моторных масел и требования к маслам В современных двигателях применяют комбинированную систему смазки деталей. В такой системе смазка производится подачей масла под давлением или же разбрызгиванием и самотёком (при стекании масла в поддон). Под давлением смазываются шейки коленчатого валов, втулки коромысел и верхние наконечники штанг. На некоторых двигателях под давлением смазываются втулки верхней головки шатуна и поршневые пальцы. Пространство картера при разбрызгивании масла коленчатым валом, другими вращающимися деталями и выпрыскивании масла через отверстие в верхней головке шатуна заполняется мельчайшими частицами масла – масляным туманом. Туман, осаждается на деталях, проникает в зазоры и смазывает их. Разбрызгиванием масла, масляным туманом и самотёком смазываются кулачки распределительного вала, нижние наконечники штанг, механизмы вращения выпускных клапанов, привод во вращение распределительного вала и другие детали и механизмы. Одним из важнейших аспектов специфики условий работы моторных масел является температурный режим. В двигателе внутреннего сгорания можно выделить три зоны: – высокотемпературную, к которой относят камеру сгорания, днище поршня и верхнюю часть цилиндра. Температура горящих газов достигает до 2500 ºС, отсюда нагрев днища поршня составляет до 400 ºС, а выпускных клапанов даже до 800 ºС. Масло, попадающее в эту зону, сгорает с образованием нагара (расход масла на угар); – среднетемпературную, включающую боковую поверхность поршня, верхнюю часть шатуна и стенки цилиндра. Максимальная температура в этой зоне развивается в области верхних поршневых колец (до 300…350 ºС), поэтому верхнее компрессионное кольцо иногда помещают в чугунную вставку и хромируют. Масло в этой зоне находится в тонком слое. На него каталитически действуют металлы, ускоряющие процесс образования отложений. В результате уплотнения продуктов окисления в этой зоне образуются лаковые отложения в виде плёнки; – низкотемпературную – область коленчатого вала, картер и т. д. Наиболее высокая температура масла в этой зоне (до 180 ºС) может быть в области коренных и шатунных подшипников коленвала. Температура масла в картере работающего двигателя зимой равна 40…50 ºС, летом – 70…80 ºС и при высоких нагрузках может повышаться до 120…130 ºС. Нахождение масла в этой зоне в туманообразном состоянии способствует его окислению. Основными продуктами окисления являются органические кислоты. Высокомолекулярные кислоты и продукты их превращения могут выпадать из масла в виде липкого осадка вместе с механическими примесями и водой (низкотемпературные отложения). Постоянный процесс совершенствования поршневых двигателей вызывает возрастание нагрузок, скоростей скольжения и температуры в узлах трения. Удельные давления в различных узлах двигателей в значительной степени различаются по величине. В зоне компрессионных колец они составляют 0,15–0,30 Мпа, маслосъёмных – 0,5–1,3 Мпа, подшипников коленчатого вала – 20–30 Мпа, а в паре кулачок-толкатель они достигают 1000–2000 Мпа. Скорости движения поршня в средней части цилиндра составляют 20–25 м/с, а скорости скольжения в подшипниках коленчатого вала – до 15 м/с. Отличительные особенности процессов смазки двигателей внутреннего сгорания связаны больше всего со специфичностью работы в цилиндропоршневой группе, где создаются благоприятные условия для образования на поршнях лаковой плёнки. Эта плёнка вызывает фиксацию (залегания) поршневых колец в канавках и является термоизолятором. Исходя их вышеизложенного, моторные масла для ДВС должны отвечать следующим требованиям: – пологая температурно-вязкостная характеристика; – достаточный уровень противоизносных и антифрикционных свойств; – обеспечение минимального количества лаковых отложений; – защита смазываемых деталей от коррозии; – уплотнение зазоров в сопряжениях деталей и, в первую очередь, пары поршень-цилиндр; – отвод тепла от трущихся деталей; – удаление загрязнений из зон трения; – физическая и химическая стабильность; – лёгкое отделение от воды, достаточная деэмульгирующая способность; – обеспечение надёжного пуска двигателя и быстрый его прогрев при низких температурах с минимальным износом; – большой срок эксплуатации и малый расход; – обеспечение экономии топлива; – нейтральность к конструкционным материалам; – минимальное нагаро- и осадкообразование; – высокие антипенные свойства; – взаимозаменяемость; – широкая сырьевая база, экологичность, нетоксичность, дешевизна. Только отвечающие перечисленным свойствам моторные масла могут обеспечить полноценную работу высокооборотных, мощных современных двигателей внутреннего сгорания. |