Смазывающая система

Глава 7. СИСТЕМЫ СМАЗОЧНАЯ И ОХЛАЖДЕНИЯ, СМАЗОЧНЫЕ МАСЛА

7.1. Режимы трения и смазывания

  В зависимости от характера и скорости взаимного перемещения, трущихся поверхностей, действующих на них нагрузок, количества и способа подачи масла в дизелях возможны гидродинамический, контактно-гидродинамический и граничный режимы смазывания (трения).

  Гидродинамический (жидкостный) режим  смазывания применяют в тех случаях, когда толщина слоя масла достаточна для предотвращения непосредственного касания микронеровностей трущихся поверхностей. Если перемещающиеся поверхности разделены относительно толстым слоем масла (более 0,1 мкм), то свойства масла в пленке и в объеме одинаковы.

  В нерабочем положении вал под  действием собственного веса и постоянной нагрузки занимает эксцентричное положение. По обе стороны вала образуется клиновидная щель с максимальным зазором 6 в верхней части (рис. 7.1, а).

  При вращении вала тонкий слой масла, связанный  с поверхностью вала силами сорбции, увлекает за собой последующие слои и нагнетает их в суженную часть клиновидного зазора. Взаимная связь между адсорбированной на поверхности вала пленкой и маслом в зазоре ω осуществляется силами вязкости (рис. 7.1, б). Так как масло в этих условиях практически несжимаемо, то оно стремится к растеканию в продольном направлении (к торцам подшипника) и по направлению вращения вала. Ограниченность зазоров препятствует свободному истечению масла, в результате чего создается гидродинамическое давление, воздействующее на вал. Это давление возрастает в направлении уменьшения размеров щели, но окружности. В продольном направлении эпюра давления имеет вид гиперболы (рис. 7.1, в). В результате вал приподнимается и смещается в сторону вращения (см. рис. 7.1, б). Часть масла вытекает через торцы подшипника, а остальное прокачивается через узкую часть зазора. Равновесное состояние вала в подшипнике наступает тогда, когда проходное сечение h_мин достаточно для пропуска части масла, оставшегося после торцового истечения

 
 
Рис. 7.1. Схемы образования масляного клина, разделяющего поверхности трения, в условиях гидродинамического режима и эпюра распределения давления в подшипнике

Рис. 7.2. Зоны режимов смазывания:

граничного (I), неустойчивого (II), гидродинамического(III) 
 

  В результате гидродинамическое давление, развиваемое в слое смазки, обеспечивает разделение поверхностей вала и подшипника, и трение между поверхностями заменяется внутренним трением слоев масла. При этом коэффициент трения весьма мал. Теоретически, как это считалось до последнего времени, при гидродинамическом режиме смазывания износ должен отсутствовать. В действительности же он появляется в результате электростатических разрядов, возникающих при трении между поверхностями. В условиях работы ДВС неизбежны частые нарушения чисто гидродинамического режима смазывания при пуске двигателя, резких колебаниях нагрузки и попадании в зазор твердых частиц, размер которых превышает толщину гидродинамической макропленки.

  Отклонения  вала от заданной геометрической формы, вызванные прогибом и неточностями изготовления или сборки, также могут вызвать нарушения гидродинамического режима смазывания. В связи с этим в некоторых конструкциях двигателей прибегают к особой форме расточки подшипников, которая обеспечивает равномерность прилегания шейки вала в деформированном состоянии — под нагрузкой. Примером может служить подшипник головного соединения крейцкопфного двигателя.

При гидродинамическом  смазывании коэффициент трения 

, 

где - функция   конструкции   подшипника;   - динамическая   вязкость Паc;

n -частота вращения, об/мин;  — давление масла, Па.

  На  рис. 7.2 левая часть кривой соответствует  режиму выхода подшипника из состояния покоя, частота вращения вала мала и смазывание осуществляется в условиях граничного трения, силы трения велики. По мере увеличения частоты вращения толщина масляной пленки увеличивается, вал всплывает, и сила трения быстро понижается, достигая минимума при =10. Дальнейший рост частоты вращения сопровождается увеличением гидродинамического давления в зоне клина, несущая способность масляного слоя повышается, но одновременно несколько увеличивается сила трения в связи с увеличением сил жидкостного трения в слое масла.   

  Работа  подшипника в зоне минимальных значений характеризуется неустойчивым режимом смазывания, и поэтому рекомендованная область работы располагается правее. Вязкость масла в значительной степени определяет развитие гидродинамического смазывания, однако, как следует из отношения =10, это не означает, что необходимо стремиться к применению масел большой вязкости. Нужно иметь в виду, что повышение вязкости влечет за собой рост энергетических затрат на работу трения и усиление тепловыделения в подшипниках.

  Контактно-гидродинамическое (эластогидродинамическое) и гидростатическое смазывание имеет место там, где при наличии масла трущиеся поверхности контактируют в точке или по линии контакта. В подобных условиях работают шарикоподшипники, тяжело нагруженные зубья шестерен, детали газораспределения двигателя. Для этих элементов характерны высокие контактные нагрузки, при которых работа пары трения осуществляется в условиях «отжатой пленки», когда, по-видимому, молекулярная структура масла подвергается изменениям, вязкость масла увеличивается в десятки раз, и оно теряет свойства Ньютоновской жидкости. Одновременно под действием увеличивающейся жесткости масла происходит пластическая деформация металла. Толщина остающегося под действием высоких нагрузок слоя масла в 10 раз и более превышает высоту микронеровностей на поверхности трения.

  Подобный  режим смазывания применяют в  крейцкопфных подшипниках судовых дизелей. Гидродинамическое смазывание в этих подшипниках затруднено вследствие больших нагрузок и малой скорости движения подшипника относительно цапфы. Их взаимное перемещение происходит на небольшой дуге и носит возвратно-поступательный характер, поэтому режим смазывания приближается к гидростатическому, при котором поддерживающий масляный слой создается при высоком давлении в масляных канавках под действием нагрузки (в двухтактных двигателях она носит односторонний характер и направлена вниз) либо масляными насосами. Подобные автономные плунжерные насосы в двигателях МАН навешиваются на крейцкопф каждого цилиндра.

  Увеличение  температур и давлений в узле трения, а также облегчение условий вытекания масла из него способствуют уменьшению толщины разделяющей трущиеся поверхности пленки масла, а при достижении

 мкм закономерности жидкостной смазки (гидродинамической, контактно-гидродинамической) нарушаются. В новых условиях коэффициент трения зависит не от объемной вязкости масла, а от наличия в нем полярно-активных компонентов. Такой режим смазывания называется граничным.

  Пленки  на поверхностях, образующиеся при  граничном трении, могут быть химического (хемосорбция) и физического (адсорбция) происхождения.

Рис. 7.3.    Схема    образования граничных  слоев масла:

а -  мономолекулярный    слой;

б - изгиб   молекул    при   относительном  перемещении   поверхностей   трения:

в - полимолекулярные   слои   с   участием неполярных молекул 
 

К химическим относятся пленки окислов, возникающие в результате взаимодействия поверхности трения с кислородом или присадками масла. Они прочно сцепляются с поверхностями, и их удаление сопровождается повреждением приповерхностных слоев. Разрушаются они лишь при достижении температур плавления окислов. К пленкам химического происхождения относятся также различные мыла, образующиеся при взаимодействии находящихся в масле высших органических кислот с металлом. Основная положительная роль окисных пленок - предупреждение схватывания, которое может наступить при касании металлических поверхностей. Адсорбционные слои образуются на трущихся поверхностях полярно-активными углеводородами, выстраивающимися перпендикулярно к ним в виде цепочек (рис. 7.3). Такая ориентация может быть сравнена с ворсом плотно сотканного ковра. Поверхностные слои состоят из нескольких молекул (этим определяется их толщина), причем каждая молекула своим полярным концом прикрепляется к неполярному концу предыдущей молекулы. Чем дальше от поверхности, тем слабее связь между молекулами. Над ориентированными находятся хаотически расположенные молекулы. Плоскостями облегченного скольжения являются стыки между молекулами, образованные неполярными метальными группами.

  Граничные пленки могут выдержать давление нескольких тысяч мега паскалей, но в то же время они легко разрушаются по достижении температуры, при которой усиливающееся тепловое движение молекул разрушает полярные связи, ориентация молекул нарушается и граничная пленка теряет сцепление с поверхностью металла. Для минеральных масел эта температура (температура десорбции), составляет 90-100°С. Полярные молекулы, содержат не только жирные кислоты, но и продукты окисления масла, органические кислоты, образующиеся при работе масла в двигателе. Этим объясняется в известной мере улучшение смазывающих свойств масел в процессе старения.

  Для усиления маслянистости масел, повышения полярности молекул в базовые масла специально вводят 0,5-2 % наиболее устойчивых жирных кислот, касторовое масло, амины и эфиры, а также графит. Графит образует мономолекулярный слой, исключительно прочно сцепляющийся с поверхностью металла, и, что особенно важно, графитная пленка обладает высокой теплостойкостью.

  При чрезвычайно тяжелых условиях работы, когда лучшие минеральные масла и даже масла с поляризующими присадками не в состоянии предотвратить сухое трение и износ, в масла включают специальные противозадирные присадки — соединения серы, хлора, реже - брома, йода и фосфора. При реагировании их с металлом на его поверхности образуются тонкие сплошные пленки сернистого железа, хлорида или фосфида, разделяющие трущиеся поверхности и существенно сокращающие износ. Наиболее эффективными противозадирными средствами признаны присадки на основе соединений серы, они эффективны в условиях граничного трения при температуре до 650 °С.

  7.2. Смазочная система

  Требования  к системе. К смазочной системе предъявляют следующие требования: своевременная подача необходимого количества масла к узлам трения двигателя для защиты поверхностей от износа и коррозии (смазывающее и защитное действие); отвод теплоты от трущихся поверхностей и деталей (терморегулирующее действие); очистка и охлаждение масел. От того, насколько удовлетворяет отмеченным требованиям смазочная система, в значительной степени зависят надежность и долговечность работы двигателя.

  Для смазывания рамовых, шатунных подшипников, подшипников распределительного вала и приводных вспомогательных агрегатов применяют принудительную циркуляционную систему смазки под давлением 0,15—0,6 МПа. От этой же системы отбирается масло на охлаждение поршней, а также для работы серводвигателей систем управления и регулирования.

  Виды  систем. В зависимости от места расположения основной емкости масла, работающего в циркуляционной смазочной системе, различают системы с мокрым или сухим картером.

  В системе с мокрым картером (рис. 7.4) основной емкостью масла является поддон, или нижняя часть картера (маслосборник), откуда масло забирается односекционным шестеренным насосом 7 и нагнетается через маслоохладитель 2 и фильтр 3 в главную магистраль 5 смазки двигателя и затем распределяется по всем смазываемым узлам. Через штуцер 1 масло поступает на охлаждение поршня, по трубопроводу 9 - к приводу клапанов (4, 6 - клапаны предохранительный и регулирования давления; 8 — приемный фильтр). Систему применяют в основном в двигателях малой и средней мощности, имеющих большие запасы масла в картере.

  В системе с сухим картером масло, стекающее в поддон, либо удаляется  из него самотеком (в малооборотных  дизелях), либо откачивается особым насосом (в среднеоборотных дизелях) в  отдельную цистерну вне дизеля. Удельная вместимость такой цистерны для  крейцкопфных двигателей

0,8 - 2,0 л/кВт в МОД и 1,5 - 2 л/кВт в СОД. В двигателях с масляным охлаждением поршней более половины масла прокачивается через поршни,

Рис. 7.4. Смазочная  система с мокрым картером 

где оно  подвергается действию высоких температур и в нем быстрее протекают 
термоокислительные процессы старения. Поэтому, стремясь увеличить аккумулирующую способность масла и тем самым повысить срок его службы, в таком двигателе вместимость циркуляционной системы смазки увеличивают в 2-3 раза.