Цикл небольших статей по испытаниям смазок. В первой части рассказ об особенностях создания и производства смазок и основы испытаний смазок.
Еще 150-200 лет назад, изобретатели при создании новых устройств и материалов, ориентировались только на собственные знания и опыт. Испытания обычно производились в "полевых" условиях у первых пользователей, так сказать "по факту".
Сейчас мы живем в эпоху стандартов, в которых указаны требования к маслам и смазкам.
Особенности разработки большинства масел
- В автомобильных маслах ключевую роль играет постоянное ужесточение требований по снижению токсичности отработавших газов автомобилей. Из-за этого автопроизводители постоянно улучшают параметры двигателей и как следствие повышают требования к моторным маслам и выпускают новые "спецификации OEM" . Требования к маслам становятся все жестче, одобрения получить все сложнее и дороже, как следствие разработка новых моторных масел концентрируется у крупных игроков. Это привело к тому, что на рынке представлено большое количество "клонированных" моторных масел под разными брендами, у которых одинаковый набор одобрений и часто идентичный состав. Они различаются только упаковкой и этикетками.
- В гидравлических маслах ключевую роль играют устаревающие стандарты, как например DIN 51524 в котором оговорены только 4-е вида гидравлических жидкостей различающихся индексом вязкости (3 вида) и наличием присадок (2 вида). Каждый производитель самостоятельно создает и производит гидравлику. Вариантов гидравлики множество, она сильно различается характеристиками, особенно у наиболее дешевых масел. На этом фоне появляются непонятные суррогаты, как например масла ВМГЗ (масло всесезонное гидравлическое загущенное*), которые не имеют в своем составе дорогие вязкостно-загущающие присадки, у которых индекс вязкости меньше 90 ед.
*Загущенное - означает обязательное наличие вязкостно-загущающих присадок.
Особенности разработки смазок
Особенностью смазок является наличие загустителя, который создается во время производства смазки. Для примера мыльные загустители формируется в результате химической реакции в реакторе после смешения всех компонентов смазки. Процесс создания загустителя часто является необратимым, небольшое отклонение от количества загруженных компонентов или технологии производства ведут к браку.
Вариантов загустителей множество и от выбора загустителя зависят финальные характеристики смазки. Поэтому в разработке смазок важную роль играют классифицирующие стандарты, как например DIN 51502, ISO 12924:2010, ГОСТ ISO 12924-2013:
Причем две смазки имеющие одинаковую классификацию по стандарту, могут иметь сильно различающиеся характеристики. Для примера к классу DIN 51502 KP2N-20 относятся как Литий-кальциевая смазка Addinol Longlife Grease HP2 (Нагрузка сваривания 3,4 кН), так и более современная кальций-сульфонатная смазка SKF LGHB 2 (Нагрузка сваривания мин.4 кН).
Поэтому, из-за более слабого регулирования требований к смазкам, при их выборе гораздо большее внимание надо обращать на отдельные характеристики. Для примера ниже характеристики нескольких смазок:
Основы испытаний различных товаров
Ведущую роль при испытаниях смазочных материалов играет небольшой Европейский стандарт DIN 50322 "Wear; wear testing categories" - "Изнашивание. Категории испытаний на изнашивание"
В этом стандарте указаны базовые принципы, которых нужно придерживаться при испытаниях смазочных материалов. Стандартом предусмотрены 6 категорий испытаний:
Категория I: Полевое испытание
В данную категорию включены испытания смазочных материалов на обычных машинах и оборудовании, причем в реальных условиях работы и под обычными нагрузками.
До недавнего времени это был единственный способ испытания любых изделий и товаров. В настоящее время так обычно делают приемо-сдаточные и периодические испытания мостов, кранов и т.п. Аналогично происходят финальные испытания первых партий серийных машин, новых смазок, тракторов, и такое испытание часто называют опытной или подконтрольной эксплуатацией.
При полевых испытаниях невозможно точно дозировать нагрузку. Даже две машины прошедший один маршрут, будут испытывать разную нагрузку, которая зависит от состояния дороги (поля), и от воздействий водителей.
Категория II: Стендовое сравнительное испытание
При данных испытаниях, полнокомплектная машина работает на лабораторном стенде, который точно дозирует и воспроизводит условия работы и нагрузки схожие с реальной эксплуатацией.
Таким образом испытывают "на земле" космические аппараты перед их запуском, делают статические испытания корпусов самолетов и вертолетов и некоторые испытания машин перед сертификацией
Для данных испытаний, необходимо полностью произвести все детали в реальном размере и собрать готовое устройство. Причем некоторые элементы (как например рулевая или тормозная системы) не участвуют в испытании и не влияют на результат. Такой вариант испытаний достаточно дорогостоящий и трудоемкий.
Категория III: Тестирование компонента/узла
При данных испытаниях, полнокомплектный узел и устройства машины тестируется на лабораторном стенде, который точно дозирует и воспроизводит условия работы и нагрузки схожие с реальной эксплуатацией.
Таким образом испытывают большинство современных машин и агрегатов, испытывают двигатели автомобилей, производят откатку и приработку дорогостоящих узлов
При данных испытаниях необходимо полностью произвести все детали и собрать узел в реальном размере. При таком подходе очень дорого испытывать крупногабаритные изделия или тестировать различные варианты при доводке изделия
Категория IV: Испытание масштабных моделей
При данных испытаниях, полнокомплектная модель машины или узла, все элементы которой изменены в едином масштабе, работает на лабораторном стенде, который воспроизводит нагрузки и условия работы в соответствии с масштабом изделия.
Обычно таким образом удешевляют множественные испытания при доводке крупногабаритных узлов или агрегатов. В редких случаях, например при создании наручных часов, делают увеличенные модели, которые можно испытывать на имеющихся стендах.
Такие испытания позволяют резко уменьшить стоимость единичного испытания, что особенно важно при оптимизации изделия, когда приходится делать множество испытаний изделия в различных исполнениях для выбора оптимального решения. Благодаря широкому внедрению компьютерного моделирования и расчетов нагрузок такой тип испытаний теряет актуальность.
В некоторых случаях для оптимизации не требуется абсолютная идентичность изделия реальным размерам, что позволяет еще сильнее удешевить производство модели перед испытанием.
Категория V: Испытание масштабной модели с упрощенными элементами
При данных испытаниях, образцы для испытаний, воспроизводящие изделие с достаточной точностью, подвергаются нагрузкам и условиям работы, аналогичным условиям реального использования с учетом масштаба образца.
Наиболее известный пример таких испытаний это продувка уменьшенных моделей машин, самолетов, зданий и кораблей в аэродинамической трубе
Все предшествующие категории испытаний позволяют достаточно точно испытывать готовые изделия или проверять различные технические решения и выбрать лучшее. Однако они не позволяют с достаточно высокой точностью выявлять элементарные зависимости - как например как зависит подъемная сила самолета от длины крыльев или формы сечения крыла
Категория VI: Испытание элементарных образцов (взаимодействий)
При данных испытаниях, тестируются максимально упрощенные образцы в самых простых условиях работы, под разными нагрузками или режимами работы.
Как правило, практические испытания и полномасштабные испытательные стенды очень сложны и дороги. Очень часто используются альтернативные методы тестирования, когда исходное изделие преобразуется в несколько элементарных трибологических систем с простыми нагрузками и унифицированными режимами работы. Каждая такая трибологическая система рассматривается индивидуально и для нее создается самостоятельный испытательная методика и иногда уникальный испытательный стенд, на котором производятся все необходимые испытания для всесторонней оценки трибологических взаимосвязей - связи сил трения и величины изнашивания от нагрузки, материалов и смазочных материалов.
ТРИБОЛО́ГИЯ (от греч. τρίβω – тереть и λόγος – слово) - наука, раздел физики, занимающийся исследованием и описанием взаимодействия контактирующих твёрдых тел и разделительной среды (масла, смазки) при их относительном перемещении. Областями исследования также являются процессы и явления связанные с этим взаимодействием, также методы решения практических задач - расчёт величины трения и изнашивания; работа смазки; нагрев и химические процессы в зоне контакта, электрические и акустические явления, вызванные трением и т. п.
Методы Трибологии нашли применение в ряде областей науки и техники, где требуется обеспечение работоспособности узлов трения в технических агрегатах и живых организмах.
Такие испытательные стенды, для изучения отдельных простых трибологических взаимосвязей, позволяют исследовать образцы различной формы, из различных материалов, с разной обработкой поверхности, под широким спектром нагрузок и режимов работы. Поэтому их конструкция, применяемые образцы и методы измерения как правило получаются намного сложнее чем в случае испытания модели или реального изделия.
Преимущества таких испытательных стендов:
- дешевизна образцов - они простой формы, материалы и рабочие поверхности легко модифицируются
- выше скорость испытания - меньшая продолжительность единичного испытания
- лучшая повторяемость результатов испытания за счет меньшего количества влияющих факторов (как сходимость результатов испытаний на одном стенде, так и воспроизводимость на стендах в разных лабораториях)
- широкая регулируемость параметров и условий испытания
- более низкие затраты на единичное тестирование
Результаты, полученные с помощью таких испытательных стендов, позволяют лучше интерпретировать влияние параметров испытаний, результаты получаются удобными для анализа. При анализа достаточно большого числа испытаний можно создавать математические модели и прогнозировать результаты без проведения практических испытаний.
Ниже пример анализа разных вариантов реальных сопряжений с выделением простых трибологических взаимодействий:
Простые взаимодействия и принципы испытания, позволяют использовать в качестве образцов массовые изделия, которые можно приобрести на рынке - как например кольца подшипников качения, шарики, цилиндры, диски, блоки, пластины и т.д.
Как правило смазки испытываются на подобных испытательных стендах при одинаковых условиях. Поэтому различные смазки можно сравнивать между собой и выделять лучшие образцы.
О наиболее распространенных испытаниях смазок, применяемом оборудовании и режимах испытании сообщу в следующих статьях цикла. Для примера вот так определяется пенетрация (густота) смазок: