> Техника, страница 81 > Смазывающие вещества

Смазывающие вещества

Смазывающие вещества, вязкие вещества, помещаемые между трущимися поверхностями с целью уменьшения трения. Виды смазки. Смазка имеет целью устранение сухого трения и вызываемого им образования задиров и перегрева. Под «состоянием смазки» системы скользящих или катящихся друг относительно друга чдстей понимается такое их состояние, когда трение становится несухим. Физич. процесс, способствующий смазке, заключается в адсорбции С. в скользящими (или катящимися) частями. Адсорбционные слои скользящих тел являются слоями, между которыми в процессе движения тел, находящихся в состоянии смазки, происходит трение молекул. Слои смазки могут быть различных родов. По основным свойствам можно различить два вида смазки. Если между двумя пограничными слоями находится б. или м. толстый слой смазки, то налицо характерное для гидродинамич. режима смазки распределение скоростей движущихся элементарных слоев по отношению к покоящимся граничным слоям. Это — состояние гидр одинамической смазки. С точки зрения молекулярной физики это состояние характеризуется тем, что к беспорядочному термич. движению молекул присоединяется еще движение их в направлении вращения или скольжения системы,ведущее к обмену количеством движения между молекулами, что м. б. названо трением. Сила трения согласно закону Ньютона определяется соотношением:

у-) r du

R=V_T-f-oh’

где R представляет собой силу, передаваемую частью, движущейся со скоростью ή, неподвижной части, находящейся от нее на расстоянии h и имеющей поверхность соприкосновения /, и η_τ — вязкость С. в при темп-ре Т. Величина hr является единственной константой материала, определяющей силу трения. Если весь слой смазки состоит из двух крайних слоев, то имеет место случай статического трения или граничной смазки. Формально величина силы трения определяется по закону Амонтана-Кулона

R=μΡ,

где μ—коэф. статич. трения, Р—давление движущегося тела на неподвижную подставку. В противоположность беспорядочному свободному движению несвязанных молекул при гидродинамич. смазке при граничной смазке происходит скольжение неподвижно укрепленных молекул друг относительно друга, аналогично скольжению плоскостей кристалла (например метал л ич. кристаллов) при пластич. деформации.

Гидродинамическая смазка. Теория гидродинамич. смазки разработана на основе экспериментальных данных Петрова, Рейнольдса, Зоммерфельда f¹], а также Гюмбеля [²]. При условии постоянной t° и вязкости С.в., а также при гладких поверхностях для закрытого подшипника с вращающейся цапфой (фигура 1) зависимость коэф-та трения f от окружной скорости и вращения цапфы м. б. выражена в виде кривой (фигура 2). При значении коэф-та трения /, то есть при трении покоя, цапфа находится всего ближе к самой низкой образующей цилиндрич. поверхности вкладыша подшипника; при возрастающей скорости вращения цапфа все более удаляется от этой образующей. Толщина в наиболее узком месте получающегося при этом серпообразного в сечении просвета с возрастанием числа оборотов увеличивается и стремится к пределу, равному половине зазора подшипника, ¹[₂(D—d). С возрастающим вместе с числом оборотов градиентом скорости ^ в смазывающем слое возрастает также коэф. трения /. Наоборот, с увеличением от 0 просвета, заполняемого смазкой, коэф. трения должен уменьшаться, т. о. в конечном Счете при и -► оо₅ так же как и при и -► 0, f должно увеличиваться. Отсюда следует существование минимального значения f_mi_n- Теоретически эта величина зависит только от размеров подшипника и должна отличаться от /₀ всего

на 6%, причем правая ветвь кривой фигура 2 должна асимптотически приближаться к прямой, проходящей через начало координат, а цапфа должна смещаться по мере убывания скорости вращения перпендикулярно к направлению давления в сторону вращения.

При экспериментальной проверке теории смазки необходимо производство следующих измерений: 1) коэф-та трения в зависимости от нагрузки подшипника и скорости вращения цапфы, 2) толщины смазывающего слоя, 3) смещения цапфы (эксцентриситета) как функции тех же переменных, 4) распределения давлений в смазывающем слое. Одними из наиболее серьезных исследований, относящихся к этой области, являются по π. 1 работы Штрибека, Лашэ, Биля и в особенности Шнейдера, по п. 2—Фивега с сотрудниками, а также Шеринг-Фивега и Вольфа (по пп. 2 и 3), по пп. 3 и 4— Брандфорда и Грундера [³].В общем можно сказать, что при проверке теоретических выводов была доказана в основном их правильность там, где .удалось в достаточной степени удовлетворить всем сделанным предпосылкам. Поэтому в случае, когда наблюдались отклонения от теории, причину этого стремились найти в неудовлетворительном соблюдении необходимых условий. При более близком знакомстве с представлениями молекулярной физики, сделавшимися доступными для широких инженерных кругов, гл. образом благодаря работам Буга [⁴], все сильнее стало распространяться стремление искать причину наблюдаемых отклонений в негидродинамич. молекулярно-физич. процессах. Особую роль стали придавать струк туре смазывающего слоя, ставя ее в связь с значительным глубинным воздействием металла. Этот взгляд долгое время поддерживался Вильсоном и Бернардом [⁵], выдвинувшими на основании своих работ предположение, что“ здесь имеет место засорение капилляров адсорбированным слоем, толщина которого предполагалась равной 0,1 миллиметров. Это положение“ противоречившее всем исследованиям в области адсорбции, было непосредственно опровергнуто Бюлклай [⁶], а также измерениями вязкости, произведенными Киропулосом на движущемся подшипнике и показавшими, чта в производственных условиях толщина адсорбционного слоя всегда меньше 8 μ [⁷]. Точное совпадение с гидродинамической теорией (выведенной при условии постоянства η) была получено для умеренно вязких масел и для большой скорости вращения цапфы. Это м. б. объяснено тем, что эксцентриситет цапфы при этих условиях относительно невелик, и термич. состояние системы вполне определенное. Малый эксцентриситет при незначительной вязкости масла вызывает лишь небольшие местные отклонения вязкости (в силу зависимости вязкости от давления); небольшая вязкость кроме того ведет к лучшему выравниванию t°. Правильное определение температуры является одним из главных затруднений при опытах с разнога рода подшипниками. Возможность отклонения от теоретич. выводов наиболее реально объясняется зависимостью вязкости от давления. Это обстоятельство изучено гл. обр. в работе Гайде [⁸], ГарсеяиШоре [⁹], а также Кискаль-та [¹⁰]·. Возможность некоторых дальнейших отклонений (точнее, невыполнение предпосылок теории) была обнаружена Киропулосом [¹²] на основании наблюдаемых отклонений при работе с вольтолевым маслом (Биль, Вольф“ Торникрофт и Бортон) [^п]. Понижения вязок. кости под влиянием градиента скорости ^

можно ожидать в том случае, когда молекулы С. в очень несимметричны, особенно в случае палочкообразных молекул, когда они ориентированы в направлении тока. Измерения этой динамической вязкости Были произведены Киропулосом [⁷] на машинах Прандтля вплоть, до градиентов 55 000 ск.-¹. Большинство масел, для которых η₂₀>4 CGS, показало снижение вязкости при ориентации в направлении тока. При высоких градиентах скорости снижение достигает 7—17%. Оно в общем растет с вязкостью, постоянно с градиентом скорости и имеет наибольшую величину для самых вязких вольтолевых смесей. Это снижение вязкости с ориентацией в направлении тока может способствовать отклонению от теории величины гу, которая высчитывается как изотермич. константа. Дальнейшие опыты показывают, что во всех случаях до толщины смазывающего слоя в 0,15 миллиметров имеет место гидродинамич. смазка.

Граничная смазка. Исчерпывающие исследования в области граничной смазки произведены Гарди [¹³] и его сотрудниками. Эти исследования относятся гл. обр. к изменению почти независящего от t° коэф-та статич. трения граничных слоев между двумя возможна лучше отполированными поверхностями, причем для различной смазки применялись разнообразные вещества. При этих опытах выяснилось, что явления пограничной смазки не имеют ничего общего с явлением, возникающим при трении шероховатых поверхностей.

В случае идеально гладких подшипников этот вид трения имеет место только в моменты пуска и остановки, то есть тогда, когда получается сближение поверхностей трения до расстояния, сравнимого с размерами молекул. Этот процесс не м. б. рассматриваем с точки зрения механики непрерывного континуума, как это делается при гидродинамич. теории, то есть здесь уже нет налицо жидкого состояния С. в Процесс этот основан на определенной, в широких пределах не зависящей от Г, структуре адсорбированного на поверхности слоя, образующего как бы одно целое с самим телом. При этом молекулы С. в присоединены определенным ориентированным и зависящим от их природы способом к данной поверхности (металл, стекло), причем преодоление избытка сил притяжения на свободных концах молекул и есть то, что измеряется обычно, как трение. Вопросы ориентации молекул изучались независимо от явлений граничной смазки Гарди, Гар-кинсом, Лангмюиром, Марселеноми Дево, причем некоторые из выводов, полученные этими авторами, дали прочное обоснование теории граничной смазки. Так, Гарди нашел, что для ряда нормальных насыщенных парафиновых углеводородов С_пН_2п+2 коэф. статического трения убывает пропорционально возрастанию мол. веса. Этот вывод, рассматриваемый как следствие ориентации молекул и глубинного влияния металла, совершенно понятен. Подобная же зависимость коэф-та трения имеет место для соответствующих голей и кислот. Для групп углеводородов и голей жирных ки-слэт коэф. трения имеет наименьшее значение для к-т и наибольшее для углеводородов, то есть полярных соединений, сильнее насыщающих молекулярное поле металла. Практически это -означает, что чем больше диэлектрическая постоянная С. в., тем сильнее насыщение и меньше трение и тем больше защита от истирания. Если С. в представляет собой смесь жирной кислоты и нормального углеводорода (например доде-кан-каприловая к-та), то окончательное значение коэф-та трения устанавливается лишь по прошествии б. или м. продолжительного промежутка времени, после чего он дает даже при самом малом содержании кислоты (ок. 0,7%) величину коэф-та для чистой к-ты. Т. о. для образования первичной пленки требуется нек-рое время, что означает, что молекулы кислоты переходят из беспорядочного жидкого состояния в организованное ориентированное состояние, прикрепляясь к металлу кислотным радикалом. В смесях, например в вышеуказанном случае, где полярные компоненты в силу их строения адсорбируются сильнее, время это обусловлено тем, что молекулы кислоты должны диффундировать из смеси к поверхности металла. Адсорбция заключается в этом случае в б. или м. полном насыщении поля притяжения поверхности. Это насыщение при одинаковых углеводородных цепях больше для сильно полярных к-т, так как иначе группа производных одного углеводорода должна была бы давать одинаковый коэф. трения. В этом явлении и заключается глубинное действие поверхности. Гарди удалось продемонстрировать это глубинное влияние еще нагляднее при помощи опыта с отрывом. Две оптически гладкие металлические пластины (Си—Си, Fe—Fe или Си—Fe) связывались между собой поверхностями путем введения между ними расплавленных веществ, например пальмитиновой кислоты или эйкозана,

к-рые выкристаллизовывались в этом склеенном виде. Затем испытывалось сопротивление на отрыв этих пластин. При различных мет сопротивление было приблизительно равно арифметич. среднему из сопротивлений при одинаковых мет. Отрыв происходит всегда так. обо., что на поверхности металла остается первичная пленка (что устанавливалась измерением трения) и притом пленка оставалась именно на поверхности того металла, который давал меньшее сопротивление на отрыв при опыте только с этими металлами; отсюда можно сделать вывод о глубинном действии до этой границы со стороны противолежащего (и т. о. более отдаленного) металла.

Исследование ориентации адсорбционных слоев, производившееся Гарди путем измерения трения, было выполнено Трилла [^х ] с помощью лучей Рентгена. Мерой степени насыщения силового поля смазываемого металла С. в служит теплота адсорбции последнего. Изучение теплот адсорбции и трения для различных смазочных масел при пограничной смазке, произведенное Бюхе [¹⁵], показало, что маслянистость масел тем выше, чем больше теплота адсорбции. Большая адсорбируемость полярных состав-

Металл

шнттШ

Металл

Фигура 3.

ных частей масла была равным образом констатировав на. Вопрос о том, какая именно составная часть смазочного масла имеет решающее значение для трения при пограничной смазке, исследовал

Киропулос изучением адсорбции чистых минеральных масел силикагелем. Для неполярных или слабо полярных соединений при этом подтвердилось предположение о том,что адсорбцию определяет величина диэлектрич. постоянной, о чем· было ранее указано Ильиным [^1б] по другому поводу. Отсюда вытекает, что для наиболее важных практически чистых минеральных смазочных масел граничный слой при смазке, возможно, состоит из ориентированного слоя составных частей масла, обладающих наивысшей диэлектрической постоянной. Как велико число лежащих друг на друге молекулярных слоев, которые можно рассматривать как адсорбированные, пока опытами не выяснено. Так как сила притяжения молекул как к металлу, так и между собой убывает с удалением от металла, то можно ожидать существования зависимости толщины адсорбированного слоя от напряжения сдвига при смазке. Фигура 3 изображает структуру смазывающего слоя, как она выявляется из упомянутых опытов.

Химическая природа С.в. Изучение химич. природы С. в первоначально представляло интерес гл. обр. для исследования вторичных процессов, имеющих место при смазке (сопротивление окислению, эмульгируемость и тому подобное.). Однако по новейшим исследованиям чисто физич. явления при граничной смазке, а также ориентация в направлении тока зависят от химической природы и строения С. в В связи с этим последнее представляет интерес и для прикладной техники смазки. Практически важную группу составляют животные и растительные масла, глицериды, соединения, содержащие гидроксил, в которых атомы водо рода замещены радикалами жирных к-т. Вторую группу образуют минеральные масла, состоящие из чистых углеводородов. С практич. точки зрения прежде всего важны масла с нафтеновым (или асфальтовым) и парафиновым основаниями. Типичными представителями первых являются техасские масла и масла СССР, а вторых—пенсильванские масла. Исследованию их строения посвящены работы многих химиков, в особенности Мабери. Сходные результаты получены лишь в том отношении, что чисто химич. методами удалось обнаружить присутствие в маслах циклических соединений с гидрированным бензольным ядром нафтенов или полинафтенов и кроме того парафинов с 9 атомами углерода. Химич. природа углеводородных масел и содержание в них большого числа изомеров требуют принимать во внимание при изучении их строения всю совокупность существующих фактических физико-химических данных. Киропулос [¹⁷] показал для очень важной группы пенсильванских масел, что они состоят по всей вероятности из смесей изопарафинов. Этот взгляд был подтвержден тем же автором путем изучения избирательной адсорбции силикагелем, а также с помощью исследования рентгеновыми лучами продуктов их обугливания. Особо важными для изучения явлений смазки являются данные из области молекулярной физики, а также определение химич. строения масел. Поэтому каждое научно поставленное изучение процесса смазки должно основываться также и на результатах изучения химического состава нефти. ваемой периметром С., образуя угол Θ, называемый краевым углом, или у г л ом С. (фигура 1, где изображены различные случаи С. при нанесении капли одной из жидкостей на поверхность твердого тела, помещенного в другую жидкость, 1—вода, 2—керосин, 3, 4—твердое тело). Краевой угол удобно считать всегда направленным в водную фазу. За меру С. тогда следует принять величину [²] В=cos Θ, связанную с тремя поверхностными натяжениями σ₁₂, а₁₃ ^{и а}2з на трех соприкасающихся по периметру С. поверхностях раздела I¹]:

в=cose=°²³~⁰¹³ · (i)

^σ12 ⁴

Это условие получается из рассмотрения равновесия трех сил, приложенных к 1см периметра и лежащих перпендикулярно к нему в плоскости касательной к соответствующим поверхностям раздела (смотрите Поверхностное натяжение, Капиллярные явления). Возможны два случая С.: при 0 < В < -j-1 твердое тело лучше смачивается жидкостью (1), чем (2), то есть в случае избирательного С. лучше водой, чем углеводородом (бензолом). Такие твердые поверхности называются гидрофильными [²]. Для них а23 > а₁₃. Когда же —1 < В < 0, твердое тело лучше смачивается углеводородной жидко-

Фигура 1.

Лит.: !) PetrowN., Reynolds О., S о m m e r-f e I d A. u. Michel M., Abhandlungen liber d. hydro-dynamische Theorie d. Schmiermittelreibung, Ostwalds Klassiker, Lpz., 1927, 218; ²) G r ii m b e I L. u. E ber-l i ii g E., Reibung u. Schmierung im Mascbinenbau, B., 1925; 3) stribeek, «Z. d. VDI», 1902, B. 46, p. 341; Lasche, ibid., p. 1881; Biel, ibid., 1920, B. 64, p. 449, 483; Schneid er, «Petroleum», В., 1930, В. 26; Bradford u. Grunder, «Lubrication», 1931, v. 17, p. 49; V ieweg, «Arch. f. Elektrotechn.», B., 1919, p. 364; Vieweg u. Wetthauer, «Petroleum», Berlin, 1922, B. 18, p. 1405; Schering u. Vieweg, «Z. ang. Ch.», Lpz., 1926, B. 39, p. 1119, 1601; Wolff, Dber die Schmierschicht in Gleitlagern, «Forschungsarbeit», 1928, 308; 4) W о о g, Contribution l’etude du graissage, P., 1926; ^δ) Wilson u. Bernard, «I. Eng. Ch.», 1922, V. 14, p. 682; ·>) В a lk ley, «Bureau of Stand. Res.», 1931, v. 6 (1), p. 89; ⁷) К у г о р о u I о s, Forschung, «Z. d. VDI», 1932; 8) H у d e, «Proceedings of the Royal Society», Serie (A), 1930, v. 97, p. 240; ⁹) H ersey u. Shore, «Transactions of the Soc. of Mech. Engin.»,

1927, 36; ίο) К i e s e k a 11 S., Entersuchungen liber

den Einfluss des Druckes u. s. w., 1927, 291; ⁿ) T h о r n i-croft u. Barton, «Aircraft Engin.», 1930, v. 2, p. 36;

¹²) К у г о р о u 1 о s, «Physikalische Ztschr.», Lpz.,

1928, B. 29, p. 242, 1928; «Ztschr. f. techn. Physik», B.,

1929, B. 10, p. 2, 46; «Z. d. VDI», 1930, B. 74, p. Г51;

¹³) Hardy, «Proceedings of the Royal Society», 1913, (A), v. 86, p. 610, v. 88, p. 303 и след, годы; общий обзор в ст. Alexander J., Colloid Chemistry Theoretical a. Applied, v. 1, N. Y., 1926; ¹⁴) T r i 1 1 a t, «CR», 1925, t. 180, p. 1485; 1926, t. 182, p. 843; 1928, t. 187, p. 168; «Ztschr. f. Physik», Brschw.—B., 1931, v. 67, p. 572;

¹⁵) B ii c h e, «Petroleum», Berlin, 1931, B. 27, p. 587;

¹⁶) I li j i n, «Ztschr. f. Physik», Brschw.—B., 1925, B. 33,

p. 435; ⁱ⁷) К у г о р о u 1 о s, «Ztschr. f. physikalische Chemie», Leipzig, 1929, B. 144, p. 22; 1931, B. 154,

p. 358. С. Киропулос.