Главный враг всех механизмов - трение. А там где есть трение, там,соответсвенно, есть и износ соприкасающихся деталей. Производители машинных масел и смазок, постоянно совершенствуют свою продукцию, но неизбежно (раньше или позже установленного срока эксплуатации) наступает момент, когда требуется капитальный ремонт либо замена изделия целиком.
Данная статья предназначена для ознакомления с причинами износа, возникающего в любых трибосистемах.
Машинные масла делятся на моторные, трансмиссионные, индустриальные, гидравлические и пластичные смазки. Основной задачей машинного масла является снижение трения и износа трущихся поверхностей путём создания между ними слоя масла, называемого масляным клином. Клин возникает при относительном движении деталей в результате эффекта аквапланирования. Подвижная деталь приподнимается на масляном клине над неподвижной. Клин должен исключать контакт поверхностей трения. Толщина клина зависит от относительной скорости поверхностей, вязкости масла, нагрузки и зазора в сопряжении. Режим трения в жидкой среде называется гидродинамическим трением. Поверхности могут работать на клине длительное время при 2-х условиях: наличии жидкости (гидро) и движения (динамика). Достаточно нарушения одного из них для перехода в режим граничного трения, при котором толщина масляного клина уменьшается, происходит контакт границ поверхностей и их износ. Рассмотрим работу поверхностей трения в двигателе, зубчатой передаче и подшипнике и выявим места нарушения условий гидродинамики.
Двигатель внутреннего сгорания состоит из тел скольжения: кольцо-гильза, вал-вкладыш.
1. При пуске двигателя масло к деталям от насоса подаётся с запозданием. Пусковой износ длится доли секунды. За это время двигатель успевает сделать несколько оборотов без масла. Каждый пуск по износу равен нескольким км пробега.
2. При остановке двигателя прекращение подачи масла вызывает износ продолжающего вращаться по инерции вала турбокомпрессора.
3. В цилиндре поршень совершает возвратно-поступательные движения. Точка, где происходит перекладка поршня, называется мёртвой из-за отсутствия движения. При прохождении верхней мёртвой точки скорость кольца замедляется и в момент изменения направления движения становится нулевой. Низкая скорость кольца не позволяет ему всплывать над гильзой некоторое время. На этом участке в несколько мм возникает граничное трение и наблюдается максимальный износ гильзы. Несгоревшее топливо, газы и температура разжижают масло и усиливают износ. Износ увеличивает зазоры в сопряжениях. Снижаются компрессия и крутящий момент. Потерю крутящего момента приходится компенсировать повышенными оборотами, т.е. переключаться на пониженную передачу, что ведёт к перерасходу топлива из-за увеличения количества тактов двигателя. Повышение оборотов увеличивает скорость поршня или путь, пройденный кольцом относительно пути автомобиля. А это дополнительный расход топлива на преодоление граничного трения. Для реализации максимальной работы газов в двигателе необходимо постоянно уплотнять камеру сгорания в верхней мёртвой точке и снижать граничное трение колец при её прохождении.
4. В процессе трения при разрушении топлива, масла, водяного пара, полимеров в зонах подповерхностного слоя под эпитаксиальным слоем накапливается атомарный водород (Н+, Н0, Н-), обладающий повышенной активностью и проникающей способностью. В зонах дислокации микротрещин и иных несплошностях атомарный водород, соединяясь, переходит в молекулярный Н2, при этом повышается давление и металл течет, затем разрушается. Кроме этого, в районе жала трещины формируется ювенильная поверхность, на которой сорбируется атомарный водород, превращая металл в гидрид - хрупкое вещество, способное скалываться и растворяться в воде.
Трансмиссия состоит из тел качения - зубчатых передач и подшипников, поверхности которых испытывают смешанное трение качения и скольжения. При качении масло выдавливается из зоны контакта. Контакт сопряжённых деталей происходит по линии или в точке по вершинам микронеровностей. Малая площадь фактического контакта вызывает пластические деформации и сминание вершин. Трение здесь в основном граничное. Износ и погрешности при изготовлении и сборке изменяют геометрию деталей, в результате чего появляется проскальзывание поверхностей качения. Проскальзывание ускоряет износ и является причиной повышенного шума и механических потерь на трение в трансмиссии.
Добавка в масло и её отличие от присадок, или плёнка вместо клина.
Машинное масло состоит из минеральной или синтетической основы и пакета присадок. Пакет состоит из вязкостных, антипенных, антифрикционных, антикоррозийных, антиоксидантных, диспергирующих, моющих и других присадок. Присадки необходимы для улучшения эксплуатационных свойств машинного масла и масляного клина. В местах граничного трения при нарушении условий гидродинамики масло не может исключить износ и, тем более, компенсировать утерянный слой металла в результате износа, а присадки всего лишь минимизируют износ. Следовательно, при тонком клине в масле необходимы элементы, создающие твёрдую либо мягкую (в зависимости от условий) плёнку на поверхности металла, компенсирующую недостаток толщины масляной плёнки и работающую вместо клина. С этой целью в масло вводится добавка. В отличие от присадок добавка не должна реагировать с маслом и влиять на его свойства, составляя доли процента от масла. Масло переносит добавку в места граничного трения, где элементы из состава добавки, взаимодействуя с металлом, образуют твёрдую плёнку. Плёнка должна обладать восстановительными и антифрикционными свойствами, компенсируя износ и снижая граничное трение в условиях недостаточной смазки и относительной скорости трущихся поверхностей, повышенной нагрузки и зазоров в сопряжении. Процесс наращивания должен быть самоорганизован, т.е. возникать в местах граничного трения и прекращаться при оптимизации зазоров.
О добавках: Перед применением какой-либо добавки необходимо ознакомиться с составом, понять назначение и принцип её действия, а также преимущества и недостатки. Полноценная добавка кроме снижения трения должна обладать восстановительным действием. Очевидно, что добавки, создающие полимерные плёнки (кондиционеры, модификаторы), не восстанавливают износ металла, и, следовательно, не могут изменить компрессию, расход масла на угар, дымность выхлопных газов, а также повлиять на расход топлива. Мало ощутимый эффект, пропадающий при смене масла, достигается в лучшем случае некоторым снижением трения и (или) загущением масла большой дозой препарата. Керамические плёнки в соответствующих добавках (ревитализанты) обладают повышенной твёрдостью и хрупкостью. Недостатком обеих плёнок является плохая теплопроводность, затрудняющая охлаждение поверхности трения маслом. Локальный разогрев поверхности в местах граничного трения повышает риск модификации полимера или растрескивания и лавинообразного обрушения слоя керамики. Кроме того, твёрдая керамика на основе серпентинитов плохо реализует принцип самоорганизации, т.е. постоянный процесс наращивания может нарушить зазоры и условия смазки. Возникают вопросы о продолжительности так и не наступившего эффекта. Добавки, как и любой товар, можно сравнить по двум критериям - качество и цена. Качеством для добавки служит эффект и его продолжительность. Основным эффектом для автомобиля является экономия топлива или увеличение скорости за счёт повышения мощности и ресурса. Для оборудования, станков и инструмента - экономия электроэнергии на привод и ресурс. Воздушный компрессор повышает производительность, и т.д. Экологическим составляющим эффекта являются снижение шума и токсичности выхлопных газов. Полученный эффект на протяжении срока действия добавки суммируется и сравнивается с ценой.
«Чистота – залог здоровья!»
Во время эксплуатации двигателя внутреннего сгорания необходимо содержать в чистоте кольца и разделяемые ими полости. С одной стороны располагается масляная система, где возможно образование кокса из моторного масла на стенках масляных каналов. Слой кокса уменьшает площадь и расход масла через канал к трущимся узлам, что может привести к масляному голоданию, снижению толщины масляного клина, граничному трению и износу. Лаковый кокс на поверхностях гидрокомпенсатора является причиной его заклинивания. С другой стороны колец находится камера сгорания. Со временем поверхности камеры сгорания и колец покрываются коксом, который образуется из моторного масла и несгоревшего топлива под воздействием высоких температур. Кольца теряют подвижность в поршневой канавке, перестают прижиматься к гильзе и уплотнять камеру сгорания. Через возникший зазор происходит прорыв газов в картер. Снижаются компрессия, расход воздуха и мощность. У маслосъёмного кольца ухудшаются скребковые свойства и эффективность съёма слоя масла с поверхности гильзы в картер. Повышаются расход топлива, масла и вибрация вследствие механического (увеличение и разный вес поршней) и газодинамического (уменьшение и разное наполнение цилиндров - разная компрессия и вес воздуха в камерах сгорания) дисбаланса двигателя.
Раскоксовку колец и очистку масляной системы необходимо производить в случаях:
- Неравномерность компрессии в цилиндрах превышает 1 кг/см2 (бензин) или 10% для всех ДВС.
- Компрессия в каком-либо цилиндре меньше 10 кг/см2 (бензин) или 80 % от номинальной.
- Повышенный расход масла, дымление, «троение» и потеря мощности двигателя.
- Стук гидрокомпенсатора.
- При длительной (более 6 месяцев) стоянке.
- Через каждые 30 000 км пробега в качестве профилактики коксовых отложений.
Для достижения максимального эффекта при повышенном расходе масла и дымлении двигателя раскоксовку "залёгших" колец рекомендуется производить совместно с очисткой масляной системы.