Мажещи вещества за направляващи на металорежещи машини с ЦПУ

B експлоатацията на металорежещите машини с ЦПУ направляващите се явяват основен елемент. При плъзгането на подвижния орган по направляващите в контакта на работните им повърхнини възникват сложни трибологични процеси.

Характеристиките на триенето и износването обаче се изменят коренно, ако в сухия контакт се добави течно мажещо вещество, най-често масло.

Плъзгане с добавяне на масло
Маслото разделя триещите се повърхнини, благодарение на което описаните по-горе процеси на механично-молекулярно взаимодействие се заменят от процеси на вътрешно триене в самото масло.

Вътрешното триене в маслото е 50-100 пъти по-малко от триенето в контакта, когато в него няма мажещо вещество. Така, с добавянето на масло силата на триене се редуцира съществено, а отсъствието на механичен контакт способства за отстраняване на износването на работните повърхнини.

Използваното в промишлеността масло е многокомпонентен продукт. Състои се от базово масло и включени в него различни добавки, които му придават допълнителни свойства. Количеството на добавките може да бъде части от процента, но може да достигне и до 25-30%.

Маслото може да се приготви така, че да отговаря на специфичните условия на конкретната трибологична система.

Ролята на маслото се състои в създаването на носещ филм, намаляване на силата на триене, демпфиране на вибрациите, противодействие на корозията и др. Маслото създава маслен филм с определена носеща способност.

Носещата способност на масления филм се характеризира със способността му да не се разкъсва под действие на налягането, възникващо в контакта между триещите се повърхнини. Свиваемостта на маслото е свойството му да намалява обема си при натиск.

Индустриалните масла имат много малка свиваемост, измервана в части от процента. Възможността за създаване на носещ филм, неговата дебелина и носеща способност се определят от редица физически и химически свойства на маслото.

Маслото трябва да има мажеща способност, т.е. да притежава висока степен на адхезия към материала на направляващите. Адхезията се изразява в прилепването на маслото към работните повърхнини. При отсъствие на адхезия то се плъзга спрямо работните повърхнини и не изпълнява ролята си на мажещо вещество.

За постигане на адхезия е необходимо наличието на взаимодействие между граничните слоеве на маслото и работните повърхнини. Природата на адхезията може да бъде физическа (адсорбция) и химическа (хемосорбция).

Адсорбцията представлява взаимодействие (привличане) между молекулите на граничните повърхнини на маслото и работните повърхнини направляващите. За възникване на адсобрцията е достатъчно в обема на маслото да има поне 0,5% активни молекули.

Обикновено те се доставят чрез добавяне в маслото на повърхностно-активни вещества (ПАВ). Така ПАВ образуват върху работните повърхнини достатъчно здрав и плътно подреден филм от молекули, ориентиран примерно под прав ъгъл към повърхнината. Този слой е мономолекулярен, т.е. дебелината му е равна на дължината на една молекула.

Хемосорбцията се състои в образуването на устойчив филм от химически съединения (фосфати, хлориди, сулфиди), които се създават върху повърхността на направляващите поради наличието в маслото на съответните химически елементи.

Голямата скорост на образуване на тези съединения е полезна в случаите, когато е необходимо бързо възстановяване на филма в мястото на разрушаването му.

Коефициентът на триене при мазане е значително по-нисък от коефициента на триене без мазане. Големината му се определя от вътрешното триене в обема на маслото. Механизмът на възникването на триенето е показан на фиг. 1.

Прилепналото масло се задържа към работните повърхнини и при движение на подвижния орган се увличат отделни слоеве от масления филм. Ако скоростта на движение на подвижния орган е V, то маслените слоеве имат скорости V1, V2 и т. н., които постепенно намаляват с приближаването към направляващата.

Вътрешното триене на маслото може да се разглежда като триене между отделните слоеве на маслото при относителното им преместване един спрямо друг. Вътрешното триене изразява съпротивлението на масления филм срещу стремежа за преместване на слоевете.

За намаляване на вътрешното триене се използват антифрикционни добавки като молибденов дисулфид 0,5-3%, високодисперсни графит и тефлон 1-2 %, олеинова и стеаринова киселина, етери на различни киселини.

Това съпротивление се определя от вискозитета - една от основните физически характеристики на маслото. В най-общ план вискозитетът показва течливостта на маслото. Ако маслото е твърде вискозно, то среща трудности при циркулацията и защитата на работните повърхнини.

Обикновено колкото по-гъсто е маслото, толкова по-голям е неговият вискозитет, толкова по-голямо е вътрешното триене и съответно енергията, необходима за преместването на подвижния орган.

С вискозитета е свързана носещата способност, от него зависят обемните и хидравличните загуби (съответно изтичането на масло и загубите в хидросъпротивленията), скоростта на подвижния орган, възможността за работа при високи и ниски температури.

Вискозитетът е величина, която се влияе от температурата на маслото. Поради това вискозитетът се посочва за дадена базова температура. При температури, по-високи от базовата, вискозитетът намалява, а при по-ниски се увеличава.

Обратна е зависимостта между вискозитета и носещата способност - колкото по-голям е вискозитетът, толкова по-голяма е носещата способност на масления филм. При високи скорости на движение на подвижния орган вътрешното триене нараства, поради което температурата на маслото се покачва, вискозитетът намалява, намалява се и носещата способност.

Освен от температурата, вискозитетът зависи от налягането. Това е необходимо да се има предвид, особено при високи налягания. Повишаването на налягането в контакта води до нарастване на вискозитета на маслото.

При високо налягане вискозитетът може да нарасне дотолкова, че маслото да загуби свойствата си на течност и да се превърне в квазипластично тяло. При налягания по-големи от 10...15 MPa маслото се превръща в твърдо тяло.

При снемане на налягането първоначалният вискозитет се възстановява. Желаната стойност на вискозитета може да бъде постигната чрез въвеждане в маслото на определени добавки.

Демпфираща способност на масления филм
Масленият филм има способността да демпфира вибрациите независимо от направлението на тяхното действие. Ефектът на демпфиране се обяснява с вътрешното триене в масления филм, пораждано от вибрациите- енергията на вибрациите се изразходва за работа, свързана с взаимното преместване на слоевете на маслото.

Аналогичен ефект на поглъщане на енергията се наблюдава при напречните вибрации. Енергията на вибрациите с източник направляващите се изразходва за работа по деформирането на масления слой в нормално направление - вибрациите пораждат редуващи се опънови и натискови натоварвания на масления филм, който от своя страна оказва съпротивление срещу стремежа да бъде разкъсан.

В резултат на поглъщането, енергията на надлъжните и напречните вибрации на подвижния орган в много случаи е пренебрежимо малка и се приема за практически равна на нула. Демпфиращите способности се проявяват със същата сила и в обратна посока- когато източник на вибрации е подвижният орган.

Антискокови свойства
Чрез използване на съответна добавка към маслото се цели намаляване разликата между коефициента на триене при покой m0 и силата на триене при плъзгане m. Използват се различни ПАВ като олеинова киселина, парафин, стеаринова киселина, глицерин.

В резултат на повишаването на антискоковите свойства на маслото негативното влияние на стик-слип ефекта може напълно да се отстрани, да се реализират подавателни движения с особено ниски скорости, да се отработват малки премествания от порядъка на микрони и десети от микрона.

Термоокислителна стабилност на маслото
Повишената температура в зоната на триене, активното действие на атмосферния кислород и каталитичното действие на металните повърхнини на направляващите способстват за усилване на окислителните процеси в маслото, образуването в него на неразтворими вещества като окиси, карбиди и смоли, които постепенно и необратимо намаляват качеството на маслото.

Изменят се неговите физико-химични и експлоатационни свойства: увеличава се вискозитетът, нараства корозионната активност, влошават се противоизносните свойства. Скоростта и дълбочината на окисляване на маслото са в зависимост от продължителността на окислителния процес, температурата на маслото, каталитичното действие на метала, концентрацията на кислород. Най-силно въздействие върху окислението оказва температурата на маслото.

По време на работа се окисляват всички компоненти на маслото- базовото масло и добавките. Особено опасно е окисляването на противоизносните добавки, което може да доведе до бързо излизане на направляващите от строя.

За забавяне на окислителните процеси се използват антиокислителни добавки, които влизат в реакция със свободните радикали и образуват разтворими неактивни вещества или пък ги разлагат до по-малко реакционноспособни продукти.

Защитно действие на маслото
При малка дебелина на филма, голямо налягане и висока температура в зоната на триене е възможен механичен контакт между работните повърхнини; наличието на механичен контакт повишава скоростта на износването.

За предпазване на повърхнините на направляващите от механично износване се използват добавки, съдържащи сяра, фосфор, бор. Встъпвайки в химическа реакция с метала, те образуват модифициран слой от сулфиди, оксиди, фосфати в зависимост от химическия състав на добавката. Например фосфоросъдържащата добавка трикрезилфосфат образува слой от железен фосфат FePO4, който защитава добре стоманените повърхнини от износване.

Добавя се също така до 5-10% хлориран парафин и пентахлордифенил. Модифицираният слой се образува мигновено и именно той встъпва в механичен контакт, предпазвайки по този начин основния метал.

Модифицираният слой е с по-ниска якост, отколкото тази на метала, поради което механичните сили могат да го разрушат частично, но в мястото на разрушаването протича бърза повторна реакция на възстановяването му и т.н.

Противокорозионно действие - под действие на повишената температура в зоната на триене се ускоряват процесите на корозия на металните повърхнини. Допълнителен стимул за това са окислителните процеси, протичащи в самото масло.

За предпазване на стоманените и чугунените детайли на направляващите, а също така на детайлите от цветни метали и сплави, към маслото се добавят инхибитори. Тези добавки или спират процеса на окисляване, или неутрализират образувалите се в маслото агресивни продукти, или образуват върху металната повърхнина плътен защитен слой.

Намиращите се върху работните повърхнини на направляващите водни кондензати или вода, попаднала през уплътненията, често съдържат неорганични соли и корозионно-агресивни компоненти, които създават условия за възникване на електрохимична корозия, тъй като водата в този случай играе роля на електролит.

За частично елиминиране на електрохимичната корозия се използват добавки, които отстраняват водата и другите електролити от работните повърхнини и образуват върху тях здрав адсобрционен слой, предпазващ метала от контакт с агресивната среда.

Противопенообразуващо действие - маслото в резервоара може да се смеси с въздух и да се образува пяна, като склонността към пенообразуване нараства с повишаването на температурата и налягането. Като следствие, в зоната на контакта се подава не масло, а маслено-въздушна смес, която няма необходимата носеща и мажеща способност и скоростта на износване на направляващите нараства.

При наличие на въздух свиваемостта на маслото нараства. Пяната затруднява движението на маслото в тръбопрободите, с което се намалява надеждността на подаването на течността в зоната на триене. Противопенообразуващите добавки намаляват повърхностното напрежение, намаляват времето за съществуване на въздушните мехури, малките въздушни мехурчета се обединяват в по-големи, които по-лесно се разкъсват и пяната се разрушава.

Дебелината на масления филм е достатъчна за отдалечаването на работните повърхнини една от друга на разстояние, при което молекулярните сили не могат да се проявят. Така при пълното отсъствие на механичен контакт опасността от възникване на адхезия практически се изключва.

Защита от попадане на вода в маслото - попадналата в маслото вода образува емулсия, която влошава качеството на маслото и ускорява корозията. Деемулгиращото свойство на маслото позволява бързо и в най-висока степен извеждане на водата от обема на маслото.

Освен това маслото трябва да отвежда топлината и продуктите на износването, да уплътнява хлабините, да има минимална токсичност, пожарна безопасност и максимално висока икономическа ефективност.

То трябва да запазва възможно най-дълго време качествените си показатели както при съхранение, така и при работа в зададени експлоатационни условия. За понижаване на температурата на втвърдяване на маслото към него се прибавят специални вещества, наречени депресори.

Маслото трябва да има консервационни свойства, насочени към запазване на работните повърхнини от вредното въздействие на околната среда през време на престоите и съхранението на машината.

Детергентно-диспергиращите (миещите) свойства на маслото са едни от най-важните. Изразяват се в способността му да поема от работните повърхнини отложилите се върху тях твърди продукти на износването, като по този начин извършва почистването, измиването им (детергентни свойства), раздробява твърдите и неразтворимите продукти до фино диспергирано състояние и ги задържа в обема си (диспергиращи свойства).

Маслата с лоши миещи свойства позволяват слепването на твърдите компоненти, увеличаването на размерите им и отлагането им във вид на утайки, нагар и лакови образувания върху работните повърхнини.

Видове масла
Индустриалните масла се произвеждат от базово масло и добавки, които допълват и подсилват някои от свойствата им. Използват се минерални, синтетични, полусинтетични (смесени минерално-синететични), биоразградими базови масла и масла от газообразни въглеводороди.

Минерални масла - произвеждат се от суров нефт чрез процеси на промишлена дестилация и рафиниране. Традиционната технология на получаване включва атмосферна дестилация, вакуум дестилация, деасфалтизация, очистване със селективен разтворител, депарафинизация, хидроочистване.

За повишаване на качеството на маслата, при производството им се добавя процесът хидрокрекинг, при който маслените фракции се обработват с водород при висока температура и високо налягане. В резултат на това се отстраняват почти всички вредни съединения - предимно серни и азотни.

Особено важно за качеството на маслото е съдържанието на сяра. При наличие на сяра от 0,1% до 1% скоростта на износване на направляващите се намалява. Но от друга страна по-голямото съдържание на сяра ускорява процесите на корозия.

Синтетични масла - отличават се с висок вискозитетен индекс, пълно отсъствие на серни и азотни съединения, ниска изпаряемост, много добри нискотемпературни свойства, отлична термична и окислителна способност.

Те превъзхождат минералните по технически параметри, ефективност, икономичност, но са 2...5 пъти по скъпи от тях. Получават се от поли-алфа-олефини, гликоли и естери на някои киселини- фосфорна, силициева, различни видове органични. Характеризират се с по-дълъг период на работа.

Биоразградими масла - законодателството в редица индустриално развити страни поставя сериозни изисквания към екологичните параметри на производството. Използването на традиционните масла е свързано с риск за чистотата на околната среда, тъй като в хода на експлоатацията на машините възникват ситуации на разливане на значителни количества масло, което замърсява почвата, попада и в подпочвените води.

С не по-малко тежки последствия е нерегламентираното изхвърляне на отработило масло в реки и водоеми. С цел намаляване на опасността от замърсяване на околната среда традиционните масла постепенно се изместват от такива, които са биоразградими.

Оказали се по някаква причина извън машината, под въздействието на микроорганизми и факторите на околната среда, биоразградимите масла се разпадат до продукти, които не са опасни за природата и човека.

Редица водещи световни и български фирми в областта на производството на масла и други течности за машиностроенето наред с традиционните предлагат и биоразградими продукти. В качеството на базови могат да се използват някои растителни масла като рапичното, слънчогледовото и др.

Приложението им се ограничава от високата им цена, тесния им температурен диапазон, по краткия срок на експлоатация (поради повишената им склонност към окисляване).

Масла от газообразни въглеводороди - непрекъснато растящите цени на петрола и петролните продукти принуждават производителите на масла да търсят нови технологии за производство. В днешно време все по-широко се внедрява технологията GTL (Gas To Liquid), която представлява превръщане на природния газ или други въглеводороди в дълговерижни въглеводороди - например, богатите на метан газове се преработват до течни компоненти.

Маслата за вертикални направляващи се различават от тези за хоризонтални. Съдържат добавка, осигуряваща задържане на маслото върху работната повърхнина и препятстваща стичането му под действие на гравитационните сили.

По време на експлоатацията маслото постепенно губи своите първоначални свойства, т.е. старее. Стареенето е свързано с изменения на физико-механичните свойства и химическия му състав. Интензивността на стареене зависи от изходните му показатели, химическия състав, начина на подаване, условията на експлоатация (възможности за охлаждане, филтриране и др.) и др. Основните причини за стареенето са окислителните процеси и замърсяването му.

В процеса на работа маслото се намира под въздействието на високи температури, високо налягане, присъствието на кислород от въздуха, каталитичното действие на металите и металните сплави, изграждащи елементите на направляващите (особено силно е действието на цветните метали), странични примеси (прах, влага, кондензати от въздуха и др.).

Наличието само на 0,5 % вода в минералното масло удвоява скоростта на корозия. При тези условия се ускоряват окислителните процеси, които довеждат до:
• бразуване на киселини, предизвикващи корозия на металните повърхнини;
• отлагане върху работните повърхнини на смолисти образувания, които не притежават мажещи свойства;
• разграждане на добавките, което в крайната си фаза се проявява като отделяне на утайки, ускоряващи от своя страна корозионните процеси.

В процеса на експлоатация маслото постепенно се замърсява с продуктите от механичното износване на работните повърхнини, от прах и други твърди примеси, попаднали отвън. Особено интензивно е замърсяването в началната и крайната фаза на работа на направляващите - при първоначалното им пускане и в периода, предхождащ катастрофалното износване.

След определен срок на експлоатация и достигане до дадена пределна степен на стареене маслото губи голяма част от свойствата си и следва да бъде сменено. При високи механични натоварвания, екстремни температури, агресивни среди и предпоставки за проникване на замърсители срокът на експлоатация се намалява
Стремежът е да се увеличи срокът на работа на маслото.

Например, при заменяне на минералното масло със синтетично експлоатационният ресурс се увеличава от 2000 на 10 000 часа. Това означава 5 пъти по-рядко спиране на машината за обслужване, пет пъти по-малко средства за заплащане труда на механиците, пет пъти по-малко ангажименти и т.н. В същото време цената на синтетичното масло може да бъде само 2 пъти по-висока.

В технологичната практика фирмите все по-рядко използват собствени екипи за поддръжка. Разчита се предимно на сервиза на производителя или на специализирани външни фирми за индустриална поддръжка. По този начин се избягва порочната практика да се влагат неизвестни по произход и качество мажещи вещества, закупувани от случайни търговци.

Антифрикционни покрития
Антифрикционните покрития се нанасят на работните повърхнини на направляващите с цел да се образува постоянно мазане без необходимост от допълнително техническо обслужване.

В редица случаи свойствата им надхвърлят аналогичните параметри на традиционните мажещи материали.

Мажещият ефект се осигурява от ефекта на течното триене, възникващ при движение на подвижния орган. При това този ефект се проявява при малки скорости на движение и малки премествания. Мажещият ефект се дължи на образуването на мажещ филм, разделящ работните повърхнини от началото на движението до приключването му.

Антифрикционните покрития са суспензии от твърди мажещи вещества с ниска степен на дисперсия. Сред тях са молибденовият дисулфид MoS2, графитът, тефлонът, които представляват около 70% от покритието.

Те се захващат към подлаганата на покриване работна повърхнина чрез износоустойчива смола, осигуряваща висока степен на адхезия с материала на основата. Третият компонент на покритието са различни разтворители.

Молибденовият дисулфид MoS2 е материал, притежаващ структура във вид на ламели. Малкото триене при движение на ламелите една спрямо друга осигурява нисък коефициент на триене на антифрикционното покритие.

При движение мажещото вещество демонстрира плаващ ефект като се превръща във влажен носещ филм с нисък коефициент на триене. При прекратяване на движението филмът изсъхва и се разполага на равномерни хоризонтални слоеве.

Под действие на нормалното натоварване структурата на този филм се уплътнява още повече, неравностите на основата се покриват, а самата повърхност на покритието се характеризира с висока гладкост.

Консистентни смазки
Консистентните смазки, наричани още греси, са еднородни смеси на масло и сгъстител. В някои случаи се използват пълнители и добавки, които им придават определени положителни свойства - противоокислителни, антикорозионни и др.

Основата на консистентните смазки е маслото, което може да бъде минерално, синтетично или растително. Сгъстителите са различни органични и неорганични вещества като сапуни (соли на високомолекулярните мастни киселини), силикагели, бентонити и др., които заемат от 8 до 25% от обема на смазката.

Независимо от малкото относително съдържание на сгъстителя, именно той определя основните експлоатационни свойства на смазката. Необходимо е веществото на сгъстителя да е смляно ситно до размер от няколко микрона.

Ролята на сгъстителя е да задържа в обема си маслото, благодарение на което сместа придобива характеристики на твърдо тяло с невисока якост. Получават се нови свойства, като отсъствие на стичане под действието на собственото тегло, задържане върху наклонени и вертикални повърхнини.

Механизмът на работа на консистентните смазки е свързан с присъствието на експлоатационно натоварване на възела, в който работят. При натоварвания, превишаващи якостта на смазката, тя се деформира, превръща се в течна и играе ролята на течно мажещо вещество. След снемане на натоварването смазката се връща от течното си състояние в изходното, наподобяващо твърдо тяло.

Въздухът също може да служи като мажещо вещество при подаването му под налягане в зоната на контакта, създаването на носещ въздушен филм и разделянето чрез него на работните повърхнини.

Триене при плъзгане с мазане
Количеството на маслото, участващо в контакта на работните повърхнини, може да бъде различно и това позволява да се разгледат 5 вида триене при плъзгане, илюстрирани на фиг. 2.

Триене при покой - наблюдава се при нулева скорост на движение. Съответства на триенето при покой без мазане. Характеризира се с коефициента на триене при покой м0.

Гранично триене - наблюдава се при малки скорости на движение (фиг.2а). В контакта между работните повърхнини присъства определено количество масло, достатъчно да осигури примерно мономолекулярен мажещ слой, разположен върху определени зони от работните повърхнини и не притежаващ пълноценна носеща способност.

Смесено триене - наблюдава се при увеличени скорости на движение (фиг.2б). Дебелината на масления филм не надвишава върховете на неравностите, двете триещи повърхнини не могат да се разделят напълно от масления филм и триенето се проявява като смесено- характеризира се с елементи на граничното и течното триене.

Еластохидродинамично триене - наблюдава се при скорости, позволяващи възникване на хидродинамична сила, която повдига подвижния орган върху масления слой (фиг. 2в). Неговата дебелина h e много малка, но е достатъчна за разделянето на работните повърхнини.

Еластохидродинамичното триене се характеризира с голямо налягане в тънкия маслен филм, висока температура и еластични деформации на работните повърхнини. При пикови стойности на натоварването не е изключено възникването на механичен контакт. Механизмът на посочените явления е приблизително следният.

Поради малката дебелина на филма налягането в него е много голямо. Това поражда, от една страна, еластични деформации на работните повърхнини, от друга - нарастване на вискозитета на маслото. С покачване на вискозитета нараства вътрешното триене, вследствие на което температурата в контакта се повишава.

Хидродинамично триене (течно триене) - при по-нататъшно нарастване на скоростта хидродинамичната сила се увеличава, подвижният орган се повдига и дебелината на масления филм се увеличава. При определени стойности на h налягането пада, прекратяват се еластичните деформации на работните повърхнини, температурата се нормализира (фиг. 2г).

Триенето изцяло се определя от нивото на вътрешното триене в маслото, което нараства заедно с увеличаването на скоростта.

Разновидност на хидродинамичното триене е хидростатичното, при което създаването на масления филм не е свързано с движението на подвижния орган; масленият филм се образува при подаване в зоната на контакта на масло под налягане.

Възникващата при това хидростатична сила повдига подвижния орган и разделя напълно работните повърхнини. Масленият филм може да съществува както при движение на подвижния орган, така и при покой. По този начин механичният контакт между работните повърхнини се изключва напълно.

Аеростатично триене (газово триене) - представлява принципен аналог на хидростатичното. Разделянето на работните повърхнини се постига чрез създаване на носещ филм, възникващ в резултат на подаването на въздух под налягане.

Статията е разработена по материали 
на доц. д-р инж. Пламен Угринов