2.13. Системы смазывания и охлаждения

2.13.1. Смазочные материалы

В современных станках существуют две специальные гидравлические системы: смазывания и охлаждения. Система смазывания должна обеспечить надежное смазывание всех основных трущихся сопряжений станка. При этом резко снижается износ механизмов, уменьшается шум при работе станка и возрастает его КПД. Охлаждение режущего инструмента и обрабатываемой заготовки значительно повышает стойкость инструмента и влияет на точность обработки, уменьшая тепловые деформации заготовки и узлов станка.

Большое влияние на работу машин оказывает правильный выбор смазочного материала. Основные функции смазочного материала заключаются в следующем: в обеспечении низкого коэффициента трения; отвода теплоты от трущихся поверхностей; удалении продуктов изнашивания из зоны трения и предотвращении попадания инородных частиц в зазор; защите деталей от коррозии.

Основным показателем, характеризующим смазочные материалы, является их способность снижать износ трущихся поверхностей.

Достаточно порой ввести в зону контакта смазочный материал толщиной около 0,1 мкм, как силы трения снижаются в 10 раз и износ – в 1000 раз.

По физическому состоянию смазочные материалы делятся на жидкие (основные), пластичные и твердые. В качестве жидкого смазочного материала в большинстве случаев применяют масло на основе нефтяных углеводородов (основной смазочный материал современных машин).

Пластичные смазочные материалы имеют в своем составе 7595 % минеральных масел, 520 % – загустителя, образующего «каркас», в котором удерживается минеральное масло и 05 % присадок.

В тех случаях, когда обычные смазочные материалы применять нежелательно (в вакууме, при больших нагрузках и низких скоростях), применяют твердые смазочные материалы, характеризующиеся высокой теплостойкостью. Недостатком твердых смазочных материалов является отсутствие способности самовосстановления при разрушении смазочной пленки.

Многие положительные свойства современных масел достигаются введением в них химических веществ (присадок), без которых масла не могли бы удовлетворять современным требованиям (противозадирные свойства, вязкостно-температурные характеристики и т. п.).

В зависимости от условий работы рекомендуется применять следующие смазочные материалы:

• при высоких нагрузках и низких скоростях – вязкие масла (пластичные, твердые);

• при высоких скоростях – высококачественные масла с низкой вязкостью;

• при высоких температурах – жидкие масла с присадками, твердые смазочные масла.

Минеральные масла. Смазочные масла на минеральной основе применяют для смазывания и охлаждения, переноса теплоты (теплоносители), в качестве рабочих жидкостей для гидравлических систем.

Основные показатели качества масла при их выборе для обеспечения работоспособности деталей машин следующие: скорость изнашивания контактирующих поверхностей, нагрузка, заедание, коэффициент трения и приработочные свойства. Вспомогательные характеристики: вязкостно-температурная зависимость, антикоррозийность, вспениваемость, высоко- и низкотемпературные свойства, окислительная способность, диаэрация, совместимость с материалами уплотнений.

Одна из наиболее важных характеристик смазочных масел – вязкость. Она отражает свойства масла сопротивляться деформации сдвига или скольжению слоев, т. е. определяет внутреннее трение.

По закону Ньютона сила внутреннего трения F_т пропорциональна скорости сдвига и площади S поверхностей трения:

(2.39)

или

, (2.40)

где  – динамический коэффициент вязкости;

dv – приращение скорости, соответствующее приращению dh координаты;

h – толщина смазочного слоя.

Вязкость большинства применяемых масел составляет 5100 сПз. Отношение динамический вязкости  к плотности  называют кинематической вязкостью: .

Сжимаемость масел характеризуется коэффициентом сжимаемости , под которым понимают относительное изменение объема, приходящееся на единицу изменения давления:

, (2.41)

где V₀ – начальный объем;

– изменение объема при изменении давления.

Величина Е, обратная коэффициенту сжимаемости , называется модулем объемной упругости; Е = (1,5 – 1,75)10³ МПа. Модуль объемной упругости и смазочная способность масла зависят от наличия воздуха в масле. Наличие нерастворенного воздуха вызывает образование пены даже при малом (менее 0,1 %) количестве воды, что отрицательно сказывается на эксплуатационных качествах масел.

Температурное расширение минерального масла характеризуется температурным коэффициентом объемного расширения , под которым понимают относительное изменение объема при изменении температуры на 1 С:

. (2.42)

Ориентировочно считают, что при нагревании на 1 С объем изменяется на 0,07 %.

Теплоемкость минеральных масел характеризуется удельной теплоемкостью С, которая определяет количество теплоты, необходимое для повышения температуры единицы массы на 1 С. При температуре до 100 С теплоемкость С = (2,05 – 2,1) кДж/(кгС).

Теплопроводность минеральных масел характеризует теплопроводящие свойства:

Вт/(мС). (2.43)

Кроме того, масла характеризуются температурой вспышки; температурой застывания; противокоррозионными характеристиками, оцениваемыми по кислотному числу, которое определяется количеством (мг) едкого калия (КОН), необходимым для нейтрализации 1 г масла; противоизносными характеристиками. Типы масел, используемые в станках, и их основные свойства приведены [11].

Пластичные смазочные материалы. Пластичные смазочные материалы представляют собой твердые или полутвердые продукты – дисперсии загустителя в жидком смазочном материале.

Самую большую группу составляют мыльные смазочные материалы (кальциевые, натриевые, литиевые, бариевые, алюминиевые и т. п.), от состава загустителя которых зависят их свойства.

Смазывание пластичными материалами обеспечивает снижение трения и износа в подшипниках в широком диапазоне температур при длительной эксплуатации, достаточную механическую стабильность (способность сохранить первоначальные свойства после деформирования) и предотвращение попаданий в механизм воды и абразивных частиц; в подшипниках смазочный материал распределяется тонким слоем и образует снаружи уплотнение, препятствующее его вытеканию и попаданию загрязнений. При низких нагрузках консистенция смазочного материала остается практически неизменной, обеспечивая защиту от коррозии; поглощение небольшого количества загрязняющих примесей без ухудшения фрикционных свойств; диапазон рабочих температур от –70 до +350 С.

Главным ограничителем применения является отсутствие отвода теплоты. В станках пластичный смазочный материал используют в основном для смазывания подшипников, тихоходных зубчатых колес, где имеется плохая герметизация.

К антифрикционным смазочным материалам относятся:

• Солидол синтетический – мазь от светло-коричневого до темно-коричневого цвета. Рабочая температура +70…–20 С. Используется в подшипниках качения nd  1,510⁵ мм/мин, где n – частота вращения, мин^-1; d – диаметр отверстия внутреннего кольца подшипника, мм.

• Литол – 24 – мазь коричневого цвета. Рабочая температура +30 … -40 С. Используется в узлах трения всех типов.

• Циатим – 202. Рабочая температура +90…-40 С. Используется для смазывания скоростных подшипников, небольших зубчатых передач.

Для скоростных шпинделей применяют смазочные материалы циатим – 221, циатим – 202, ВНИИНП – 223.

Твердые смазочные материалы (графиты, дисульфит молибдена и др.) характеризуются широким диапазоном рабочей температуры, высокой нагрузочной способностью, большой долговечностью, они не нуждаются в системах подачи смазочного материала и уплотнениях. Недостаток смазывания этими материалами – отсутствие отвода теплоты смазочным материалом и более высокое трение поверхностей, чем при применении жидких масел.

Твердые смазочные материалы применяют в основном в виде порошков или паст с концентрацией твердых компонентов 2070 % общей массы (в качестве жидких компонентов используют минеральные масла).

Наибольшее применение нашли графит и дисульфит молибдена.

Графит обладает высокими смазочными свойствами, которые в наибольшей степени проявляются в присутствии влаги, он химически стабилен. Дисульфит молибдена имеет очень высокую химическую стабильность, стоек к большинству кислот, обладает диамагнетизмом.