Представьте, что двигатель вашего автомобиля заглох во время длительной поездки или заводской станок остановился во время пика производства. В основе этих проблем лежит важнейший, но часто упускаемый из виду фактор: трение и смазка. В этой статье мы рассмотрим механику трения, типы износа, которые оно вызывает, и то, как правильная смазка может предотвратить поломки, повысить эффективность и продлить срок службы оборудования. Узнайте важные советы по выбору и эффективному применению смазочных материалов, которые обеспечат бесперебойную и надежную работу вашего оборудования.
Цель механической смазки - уменьшить трение и износ между соприкасающимися поверхностями двух подвижных деталей, называемых парами трения.
Правильная смазка повышает механическую эффективность, обеспечивает долговременную и надежную работу оборудования и экономит энергию.
Машины с плохой смазкой в лучшем случае снижают мощность и увеличивают износ, а в худшем - могут быть повреждены.
Когда два тесно соприкасающихся объекта перемещаются относительно друг друга по поверхности контакта, возникает сопротивление, препятствующее этому движению; это явление известно как трение, а сопротивление называется силой трения.
Отношение силы трения к вертикальной нагрузке называется коэффициентом трения. Законы трения можно описать следующим образом:
1. Сила трения пропорциональна нормальной нагрузке: F∝W.
2. Сила трения не зависит от контакта поверхностей, то есть не зависит от размера площади контакта.
3. Сила трения не зависит от величины скорости скольжения поверхности.
4. Статическое трение (когда движение стремится к возникновению) FS больше, чем кинетическое трение FKт.е. Fs > FK.
Формула закона трения:
F = f - W или f = F/W
Где:
В машиностроении соединение, состоящее из двух соприкасающихся и перемещающихся относительно друг друга деталей, называется "кинематической парой" (также известной как "пара трения"), например, ползун и направляющая в станках; шарик и дорожка качения в подшипниках качения; вкладыш подшипника и диаметр вала в подшипниках скольжения и так далее.
Работа любой машины основана на относительном движении различных кинематических пар, и это относительное движение неизбежно приводит к трению.
Трение, во-первых, приводит к излишним потерям энергии, а во-вторых, к нагреву, износу и даже разрушению взаимодействующих поверхностей пар трения.
Износ - это непрерывная потеря материала с поверхностей кинематических пар. Это приводит к изменению размеров и формы этих пар, что приводит к повреждению. Например, при циркуляции масла в подшипнике происходит постепенный износ поверхности отверстия подшипника и диаметра вала.
В результате износа увеличивается зазор, выделяется тепло, снижается точность и эффективность работы машины. Вместе с этим возникают ударные нагрузки, увеличиваются потери на трение, ускоряется скорость износа, что в конечном итоге приводит к поломке машины.
Смазывание подразумевает нанесение смазочного материала на поверхности деталей, движущихся относительно друг друга. Такое нанесение разделяет две движущиеся поверхности, обеспечивая трение не непосредственно между поверхностями кинематической пары, а между молекулами, входящими в состав смазки.
Таким образом, трение - это физическое явление, возникающее при движении кинематических пар относительно друг друга, износ - это факт, сопровождающий трение, а смазка - это критическая мера для снижения как трения, так и износа.
Существует несколько методов классификации трения.
Статическое трение: Речь идет о трении, которое возникает, когда один объект стремится двигаться относительно поверхности другого. Сила сопротивления в этом случае известна как статическая сила трения.
Статическая сила трения изменяется в зависимости от внешней силы, приложенной к объекту. Только когда внешняя сила преодолевает максимальную статическую силу трения, объект начинает заметно двигаться.
Кинетическое трение: Это трение, возникающее при движении одного объекта относительно поверхности другого. Тангенциальная сила, препятствующая движению объекта в этой ситуации, известна как кинетическая сила трения.
Трение скольжения: Трение, возникающее при скольжении соприкасающихся поверхностей друг относительно друга, называется трением скольжения.
Трение качения: Трение, возникающее при качении объекта по контактной поверхности под действием крутящего момента, называется трением качения.
Сухое трение: Относится к трению, когда нет ни смазки, ни влаги.
Трение жидкостей: Это трение в условиях жидкой смазки. Здесь две поверхности полностью разделены жидкой масляной пленкой, и трение проявляется в результате действия вязкой жидкости.
Граничное трение: Этот тип трения возникает при наличии очень тонкого слоя смазки на поверхности трения. В этом случае трение зависит не от вязкости смазочного материала, а от характеристик поверхности контакта и смазочного материала.
Смешанное трение: Это переходное состояние трения, включающее полусухое и полужидкое трение. Полусухое трение - это ситуация, когда имеет место как граничное, так и сухое трение. Полужидкое трение - это состояние, когда имеет место как жидкое, так и сухое трение.
В некоторых видах нефтеперерабатывающего и химического оборудования условия работы пар трения могут быть сложными, например, работа на высокой скорости, при высокой температуре или в жестких условиях, таких как низкая температура и вакуум. Характеристики трения и износа в этих условиях имеют различные уникальные особенности.
Существуют различные объяснения феномена силы трения, возникающей при движении соприкасающихся поверхностей относительно друг друга. Всестороннее обобщение позволяет выделить следующие моменты:
Детали машин, которые подвергаются относительному движению, обычно обрабатываются и имеют гладкие поверхности. Однако в действительности, независимо от точности обработки, поверхность детали никогда не может быть "абсолютно" гладкой. Под микроскопом она всегда неровная, с высокими и низкими точками, как показано на рисунке 1.
Когда выступы и углубления на поверхности трения, находящиеся под нагрузкой и в тесном контакте, зацепляются друг за друга, как зубья зубчатого колеса, при относительном движении двух соприкасающихся поверхностей происходят столкновения между ними, что препятствует их относительному перемещению.
Кроме того, из-за нагрузки и тесного контакта двух поверхностей трения поверхность поддерживается несколькими выступами. Расстояние между двумя поверхностями в точках опоры чрезвычайно мало, в пределах действия молекулярных сил. Когда поверхности перемещаются относительно друг друга, выступы также должны перемещаться, что означает преодоление молекулярных сил в точках опоры.
Кроме того, как в местах столкновения, так и в точках опоры возникает экстремальное давление, приводящее к сильной деформации металлических поверхностей в этих местах, в результате чего выступы на одной поверхности впиваются в другую. Как столкновения, так и пластическая деформация приводят к локальному мгновенному повышению температуры, и на разрыв точек соединения расходуется энергия.
Совокупный эффект всех этих факторов проявляется в виде трения.
Явление непрерывной потери материала с рабочей поверхности объекта из-за относительного движения поверхности называется износом.
Процесс изнашивания механических деталей при нормальной эксплуатации обычно делится на три стадии, как показано на рисунке 2.
(1) Этап приработки (также известный как этап обкатки): Новая поверхность пары трения имеет определенную шероховатость и относительно небольшую фактическую площадь контакта. На этапе обкатки поверхность постепенно сглаживается, а фактическая площадь контакта постепенно увеличивается, замедляя скорость износа, как показано сегментом O-A на рис. 12-2. Незначительный износ на этапе обкатки намеренно используется для создания условий для стабильного износа при нормальной эксплуатации.
Если выбрать разумную процедуру обкатки, подобрать соответствующие материалы для пар трения и процессы обработки, а также использовать смазочное масло с активными присадками (масло для обкатки), период обкатки можно сократить. После завершения обкатки масло следует заменить.
(2) Стадия стабильного износа: На этой стадии износ происходит медленно и стабильно, как показано на отрезке A-B на рис. 12-2. Наклон этого отрезка указывает на скорость износа, а время на оси x представляет собой срок службы детали.
(3) Стадия сильного износа: После точки B на рис. 12-2 скорость износа резко возрастает, что приводит к снижению механического КПД, увеличению потерь мощности и смазочного масла, потере точности, ненормальному шуму и вибрации, быстрому повышению температуры пары трения и, в конечном итоге, к выходу детали из строя. Бывают также следующие ситуации:
ⅰ После перехода на стадию стабильного износа деталь подвергается очень минимальному износу в течение длительного периода времени, без явной стадии сильного износа, что приводит к увеличению срока службы.
ⅱ На этапах приработки и стабильного износа заметного износа не происходит, но когда поверхностный слой достигает предела усталости, возникает сильный износ.
ⅲ В условиях жесткого износа деталь после этапа обкатки сразу переходит в стадию сильного износа, что препятствует нормальной работе машины.
В зависимости от механизма разрушения и состояния поверхности механических деталей, износ можно разделить на несколько типов.
1. Износ клея
Под адгезионным износом понимается явление, при котором материал с одной поверхности переносится на другую вследствие твердофазного сцепления при относительном движении пар трения. Это может привести к серьезному заеданию пар трения.
2. Абразивный износ
Абразивный износ - это явление, при котором твердые частицы или выступы вызывают потерю материала в процессе трения.
3. Усталостный износ поверхности
Усталостный износ поверхности возникает, когда две контактирующие поверхности катятся или скользят вместе, вызывая потерю материала из-за усталости поверхности материала под действием переменного контактного давления. Поверхностный усталостный износ может возникать в зубчатых парах, подшипниках качения, рельсах и колесных обручах, а также в кулачковых парах.
Поверхностный усталостный износ подразделяется на экспансивный и неэкспансивный типы. Экспансивный усталостный износ поверхности может возникать из-за низкой пластичности материала или неправильного выбора смазки при высоком переменном напряжении давления.
4. Износ при расслаивании
Теория расслаивающегося износа предполагает, что при контакте двух скользящих поверхностей они передают нормальные и тангенциальные силы через точки контакта. Микровыступы на более твердой поверхности вызывают пластическую деформацию более мягкой поверхности во время скольжения.
Многократные передачи усилия и возрастающая пластическая деформация поверхности приводят к появлению пустот в недрах (на глубине 10~100 мкм). Пустоты могут возникать на границах зерен в металлографии или на границах раздела содержащихся примесей. Под действием повторяющихся сил пустоты увеличиваются и соединяются с соседними пустотами, образуя трещины.
Под воздействием тангенциальных сил трещины развиваются в направлениях, параллельных поверхности. Когда трещины достигают определенной длины, они выходят на поверхность, что в конечном итоге приводит к отслаиванию поверхностного слоя и образованию длинных, тонких обломков износа.
5. Электроэрозионный износ
Электроэрозионный износ в основном происходит на вращающемся электрифицированном оборудовании. Из-за того, что оборудование электрифицировано, между шейкой вала и подшипником существует разность потенциалов.
Эта разность потенциалов может привести к повреждению поверхности трения по различным причинам. Повреждение поверхности, вызванное электроэрозионным износом, обычно проявляется в виде точечного питтинга.
6. Коррозионный износ (также известный как коррозионно-механический износ)
При трении в коррозионной среде на поверхности трения происходит химическая реакция с образованием продуктов реакции.
Как правило, эти продукты реакции слабо прилипают к поверхности и легко стираются в процессе трения.
На вновь обнажившейся поверхности металла образуются дополнительные продукты реакции. Этот цикл продолжается, постепенно изнашивая поверхность металла. Для коррозионного износа необходимы как коррозия, так и трение.
7. Фреттинг-износ
Фреттинг-износ вызывается вибрационным скольжением с амплитудой от 10-7 до 10-5 мм и часто возникает в деталях механических соединений (таких как болты, шлицы и т.д.). Эти детали изнашиваются под действием вибрационных нагрузок.
8. Эрозия
Эрозия - это повреждение поверхности объекта при столкновении с жидкостью, содержащей частицы.
Эрозия является серьезной проблемой для компонентов, работающих на высоких скоростях, например, для лопаток турбин из пластика, армированного углеродным волокном, которые отличаются высокой плотностью и прочностью. Необходимо, чтобы передняя кромка лопатки обладала высокой эрозионной стойкостью.
Смазочное масло (агент) вводится между соприкасающимися поверхностями различных пар трения, которые испытывают относительное движение.
В результате между двумя поверхностями трения образуется смазочная пленка, разделяющая первоначально непосредственно контактирующие сухие поверхности трения и преобразующая сухое трение в трение между молекулами смазочного масла (агента).
Это позволяет снизить трение, уменьшить износ и продлить срок службы механического оборудования - это и есть смазка.
1. Требования к смазке
Требования к смазке зависят от назначения, условий работы и характера каждой пары трения. Подводя итог, можно отметить следующие моменты:
(1) Выберите подходящее смазочное масло в зависимости от условий работы и функционального характера пары трения.
(2) Определите правильное метод смазки и подход, основанный на условиях работы и функциональном характере пары трения, и распределять смазочное масло на каждую поверхность трения определенным образом.
(3) Поддерживайте правильное управление смазкой.
2. Роль смазочного масла
Цель использования смазочного масла - смазывать трущиеся детали машин, снижая сопротивление трению, предотвращая заедание и износ, а также минимизируя потребление энергии для повышения эффективности механической работы. Помимо этого, существуют и другие практические преимущества, которые можно кратко описать следующим образом:
(1) Уменьшение трения. Введение смазочного масла между трущимися поверхностями может снизить коэффициент трения, тем самым уменьшая сопротивление трения и экономя расход энергии. Вязкость и толщина пленки смазочного масла играют решающую роль в минимизации трения в условиях жидкой смазки. Химические свойства и активность смазочного масла (присадки) становятся чрезвычайно важными при возникновении граничных условий смазки из-за увеличения количества точек контакта металла с металлом на границе трения.
(2) Снижение адгезионного износа механических деталей. Усталостный износ поверхности и коррозионный износ тесно связаны с условиями смазки. Включение в смазочные материалы антиоксидантов и антикоррозионных агентов помогает подавить коррозионный износ, а добавление агентов, придающих маслянистость и устойчивость к давлению, может эффективно снизить адгезионный и поверхностный усталостный износ.
(3) Охлаждающий эффект. Смазочное масло может облегчать трение, поглощать, проводить и рассеивать тепло, тем самым снижая повышение температуры, вызванное трением при механической работе.
(4) Антикоррозийный эффект. Когда поверхность трения покрыта смазкой, она может предотвратить или избежать коррозии и ржавчины, вызванных воздухом, каплями воды, паром, агрессивными газами и жидкостями, пылью, оксидами и т. д. Антикоррозионная способность смазочного масла напрямую связана с толщиной масляной пленки, удерживаемой на поверхности металла, а также зависит от состава смазочного материала. Использование некоторых поверхностно-активных веществ в качестве ингибиторов ржавчины может повысить устойчивость смазочного материала к ржавчине.
(5) Изоляционные свойства. Электрическое сопротивление рафинированного минерального масла высокое, например, электрическое сопротивление электроизоляционного масла, используемого в качестве электроизоляционного материала, составляет 2×10¹⁶Ω/мм² (вода - 0,5×10⁶Ω/мм²).
(6) Передача силы. Масло может служить средой для передачи статической силы, как, например, гидравлическое масло в автомобильных кранах. Оно также может служить средой для передачи силы, как, например, жидкость для автоматических трансмиссий.
(7) Снижение вибрации. Смазочное масло, впитавшееся в металлическую поверхность, имеет низкое собственное напряжение, поэтому оно способно поглощать ударные нагрузки, когда пара трения подвергается ударной нагрузке. Например, в автомобильных амортизаторах используется жидкостное демпфирование (преобразование механической энергии в энергию жидкости).
(8) Эффект очистки. Смазочное масло (консистентная смазка) образует уплотнение на некоторых открытых частях, препятствуя проникновению влаги или мусора.
3. Различные состояния смазки
В зависимости от состояния смазки на поверхности пары трения, типы смазки можно разделить на: жидкостную, граничную и смешанную, как показано на рисунке 3.
(1) Смазка жидкостью.
Жидкая смазка наносится между двумя поверхностями трения, смазочное масло полностью разделяет две поверхности трения, превращая сухое трение металла о металл во внутреннее трение внутри жидкости. Это и есть жидкая смазка (см. Рисунок 4).
Преимущество жидкой смазки заключается в том, что сила внутреннего трения в жидкой смазке мала, обычно от 0,001 до 0,01, что составляет лишь тысячную долю от силы трения при прямом контакте металла с металлом. Условиями для получения жидкой смазки являются:
(a) Между поверхностями трения должно быть относительное движение.
(b) В направлении движения поверхности слой масла должен образовывать клин.
(c) Смазочное масло должно обладать определенной силой сцепления с поверхностью трения. Это связано со свойствами масла. Когда смазочное масло движется вместе с поверхностью трения, оно должно обладать определенной силой внутреннего трения, или, другими словами, иметь определенную вязкость.
На примере подшипника скольжения для формирования жидкой смазки, как показано на рисунке 5. Когда вал не вращается (рис. 5a), смазочное масло на контактной поверхности вала и подшипника полностью выдавливается. Когда вал начинает вращаться в направлении стрелки (см. Рисунок 5b), из-за силы сцепления между поверхностью вала и валом и внутреннего трения в слое масла весь клиновидный слой масла в нижней правой части подшипника перемещается вперед вместе с валом, как будто деревянный клин вставляется в узкую щель, чтобы заставить щель открыться, заставляя вал подняться и немного отклониться влево.
С увеличением скорости вращения вала его положение также увеличивается, а эксцентриситет уменьшается (как на рисунке 5c). Когда скорость вращения вала бесконечно велика, центры вала и подшипника должны совпадать (добавьте рисунок 5d).
Толщина масляного слоя между поверхностями трения вала и подшипника определяется нагрузкой, которую несет вал, и величиной внутреннего трения масляного слоя. Величина внутреннего трения масляного слоя зависит от вязкости масла и скорости относительного движения вала и подшипника.
Он может быть представлен коэффициентом характеристики подшипника G:
G = η-N/P
Где: η - вязкость смазочного масла;
Прямая зависимость между значением G и толщиной смазочного масла: меньшее значение G приводит к образованию более тонкого масляного слоя, и наоборот, образуется более толстый масляный слой. Таким образом, по значению G можно определить, достаточно ли толстый слой масла может быть сформирован для обеспечения текучей смазки.
Однако следует отметить, что поскольку типы смазываемых деталей, геометрические конфигурации и точность обработки различны, не существует минимального значения G, гарантирующего жидкую смазку. В целом, при высокой скорости скольжения и небольшой нагрузке следует выбирать масло с меньшей вязкостью; при низкой скорости скольжения и большой нагрузке следует выбирать масло с большей вязкостью.
(2) Смазка на границе
Жидкостная смазка - идеальный вариант, однако, за исключением подшипников и направляющих с относительно низкой интенсивностью контактного давления, добиться жидкой смазки довольно сложно.
Когда механическая работа происходит на очень низкой скорости (например, скорость движения при проверке 0,1 см/с), а нагрузка на поверхность трения значительна, даже при использовании высоковязкого смазочного масла трудно создать значение G, достаточное для образования полного масляного слоя между поверхностями трения, необходимого для обеспечения уровня жидкостной смазки.
В такие моменты, даже если жидкая смазочная пленка повреждена, на поверхности контакта остается очень тонкая (около 0,01 мкм) масляная пленка. Этот тонкий слой масла обладает уникальной силой сцепления с поверхностью трения, образуя "пленку", которая продолжает в определенной степени защищать поверхность трения.
Такое состояние смазки называется граничной смазкой (как показано на рис. 6), а образующаяся пленка - граничной пленкой. Поскольку толщина граничной пленки минимальна, свойства текстуры поверхности трения могут существенно влиять на условия смазки.
Исходя из различий структурных форм, пограничные пленки можно разделить на два типа: адсорбционные и реакционные.
Адсорбционные пленки образуются в результате адсорбции полярных молекул смазочного материала на поверхности трения, а реакционные пленки - в результате химической реакции присадок, таких как сера, фосфор и хлор, входящих в состав смазочного материала, с поверхностью трения.
Если нагрузка очень велика, то чрезмерное сжатие в пиковых точках поверхности трения может привести к разрыву адсорбционной пленки, что приведет к прямому контакту металла с металлом и вызовет сухое трение.
(3) Полужидкая смазка (смешанная смазка)
Смазочная пленка, образовавшаяся на поверхности трения, локально повреждается, в результате чего масло становится неравномерным и прерывистым. Это приводит к одновременному возникновению жидкой, граничной и недостаточной смазки на поверхности трения, называемой полужидкой смазкой, как показано на рис. 7.
Основными причинами полужидкой смазки являются чрезмерные нагрузки, частые изменения скорости и нагрузки, неправильный выбор смазочных материалов и шероховатые поверхности трения.
Вышеупомянутые три состояния смазки часто сменяют друг друга во время работа машиныОни редко существуют независимо друг от друга; различают лишь первичные и вторичные состояния. Эти состояния меняются при изменении объема нефти, ее свойств и других факторов.
Поэтому обычно стремятся улучшить условия смазки, увеличивая подачу и давление масла, улучшая его свойства и подбирая подходящую вязкость.
Смазочные масла можно разделить на различные типы в зависимости от требований к их использованию. Согласно Общей классификации нефтепродуктов и смазочных материалов GB498-87, нефтепродукты и смазочные материалы делятся на шесть основных категорий. Принцип классификации основан на основных характеристиках нефтепродуктов.
Названия категорий определяются префиксной буквой английского названия, отражающей основные характеристики каждого вида продукции, при этом смазочные материалы и сопутствующие продукты обозначаются как класс "L". Из-за огромного разнообразия и широкого применения смазочных материалов и сопутствующих продуктов отнесение их к классу "L" на основе общей классификации нефтепродуктов может привести к многочисленным неудобствам.
Поэтому продукты, относящиеся к классу "L", подразделяются на 19 групп в соответствии с основными сценариями их применения. Каждая группа имеет отдельный стандарт классификации. Детальная классификация группы определяется типом продукта, но тип должен соответствовать основному сценарию применения, требуемому группой. Группировка продуктов класса "L" приведена в таблице 1.
Таблица 1:
| Категория | Сценарий применения | Категория | Сценарий применения |
| A | Система полной потери | P | Пневматические инструменты |
| B | Снятие с производства | Q | Теплопроводность |
| C | Шестеренки | R | Временная защита от коррозии |
| D | Компрессоры (включая холодильники и вакуумные насосы) | T | Паровые турбины |
| E | Двигатели внутреннего сгорания | U | Термообработка |
| F | Шпиндели, подшипники и муфты | X | Сценарии применения консистентной смазки |
| G | Путеводители | Y | Другие сценарии применения |
| H | Гидравлические системы | Z | Паровые цилиндры |
| M | Обработка металла | S | Специальные сценарии применения смазочных материалов |
| N | Электрическая изоляция |
Как основатель MachineMFG, я посвятил более десяти лет своей карьеры металлообрабатывающей промышленности. Мой обширный опыт позволил мне стать экспертом в области производства листового металла, механической обработки, машиностроения и станков для обработки металлов. Я постоянно думаю, читаю и пишу об этих предметах, постоянно стремясь оставаться на переднем крае своей области. Позвольте моим знаниям и опыту стать преимуществом для вашего бизнеса.
RU 
EN 
AR 
DE 
ES 
FR 
ID 
IT 
JA 
NL 
PT 
PT_BR 
KO 
TR