Как выбрать систему централизованной смазки станка?

Проблема смазки является частью науки о трении — трибологии. Наличие относительного движения контактирующих между собой деталей машин, если не рассматривать экзотических для техники идеальных представлений в физике, всегда сопряжено с трением. Давно установлено, что трение в узле машины или механизма в значительной мере влияет на ресурс и безопасность её работы, потери энергии, шум и вибрацию.

Обычно трение характеризуют величиной коэффициента трения, представляющего собой отношение тангенциальной и нормальной составляющих силовой нагрузки в узле трения. Как правило, инженеры стремятся предпринять все меры для снижения коэффициента трения, начиная от выбора материалов контактирующих деталей, конструктивных решений узла до обеспечения смазки контактирующих поверхностей.

Трение в узлах современных машин, как правило, является весьма сложным физико-химическим процессом в связи с ростом переменных по времени и месту удельных нагрузок при стремлении конструкторов к снижению металлоёмкости машин и механизмов.

Процесс трения в узле часто является переменным и характеризуется сочетанием сухого, смешанного и жидкостного трения. При сухом трении имеет место непосредственный контакт микронеровностей поверхностей, что приводит к повышенному износу и нагреву в зоне контакта, влияющим на снижение ресурса и КПД машины или механизма.

Жидкостное трение определяется наличием жидкостной плёнки, разделяющей соседние поверхности, что снижает их износ и коэффициент трения. Следует отметить, что в этом случае вся нагрузка узла воспринимается жидкостной плёнкой. Это же касается и отвода тепла, выделяющегося при трении.

Смешанное трение характеризуется комбинацией сухого и жидкостного, то есть, имеет место непосредственный контакт вершин микронеровностей, пространство между которыми заполнено жидкостью, а также жидкостное трение за счёт перемещения отдельных слоёв жидкости с разной скоростью.

Расчётным путём с необходимой точностью определить все параметры процесса трения затруднительно, имея в виду переменный характер нагрузок и распределения тепла, влияющего на вязкость жидкости и форму соседних поверхностей, микронеровности на которых расположены случайным образом.

Поэтому в инженерной практике широко распространены эмпирические методы расчёта и проектирования узлов трения.

В настоящее время накоплен значительный объём опытных данных по коэффициентам сухого трения материалов в различных сочетаниях, что используется при проектировании узлов трения. Применение специальных сульфидных и молибденовых покрытий деталей снижает коэффициент трения и износ поверхностей.

Вместе с тем, наиболее эффективным методом снижения трения в узле является его смазка, которая позволяет от сухого трения перейти к смешанному или жидкостному, таким образом снизить потери трения и повысить ресурс работы узла.

Обычно в машине или механизме есть группа узлов трения, которые необходимо смазывать. В деталях этих узлов располагают маслёнки или просто отверстия, через которые подаётся смазка в зону трения. Таких точек смазки может быть большое количество и смазывать каждую точку отдельно не рационально. Поэтому, как правило, в современных конструкциях организуют центральную смазочную станцию с одним насосом, которая обеспечивает смазкой все точки узлов трения.

В централизованную систему смазки кроме собственно насоса обычно входят клапанная и распределительная гидроаппаратура, фитинги, баки, фильтры, коллекторы, трубопроводы, датчики уровня и давления, дозаторы смазки, контрольные приборы и аппаратура автоматики.

На рисунке в качестве примера показана конструктивная схема централизованной смазки узлов токарного станка на базе элементов среднего давления фирмы АЗЕТА, Италия.

В систему входит шестерённый насос среднего давления с управлением от программируемого таймера, коллектор, к которому подводится масло от насоса и присоединены объёмные дозаторы, выходы которых соединены с точками смазки.

При проектировании смазочной системы на практике применяют упрощенные эмпирические схемы расчёта с учётом суммарной нагрузки на детали узла трения, требуемого объёма смазки в зазоре, разделяющем поверхности узла, и времени заполнения зазора смазкой. Это позволяет примерно определить давление и расход смазочной жидкости, выбрать насос, циклограмму его работы, дозирующие и вспомогательные элементы.

Наиболее часто в машиностроении применяются смазочные системы низкого (до 2−3 бар) и среднего (до 20−50 бар) давления. При этом рабочей смазочной средой, в большинстве случаев, является жидкое с вязкостью до 160 сСт масло.

Системы низкого давления применяют при небольших удельных нагрузках в узле, когда функции смазочного слоя состоят в организации режима смешанного трения для уменьшения коэффициента трения.

Насосы низкого давления используют поршневые с ручным (при редкой в течение смены смазке) или с кулачковым управлением с заданной цикличностью, а также вибрационные с программным электронным управлением.

Насосы этого типа управляются вручную и используются для смазки малонагруженных узлов трения, например, направляющих фрезерных или токарных станков, которые нуждаются в разовой смазке перед началом работы станка или в редких за смену ситуациях. Преимуществом ручных насосов является их простота и экономичность. Система централизованной смазки на их базе может обслуживать несколько точек смазки.

Программирование работы этих насосов осуществляется весьма простым и экономичным механическим способом — с помощью медленно вращающегося кулачка с роликами, обеспечивающими периодический подъём и опускание поршня насоса. Возможность простой настройки циклов управления насосом расширяет область его применения при периодической смазке группы узлов трения.

Это насосы непрерывного действия, которые управляются программируемым таймером для реализации необходимых циклов работы смазочной системы путём включения или отключения насоса на заданные отрезки времени.

Системы смазки среднего, до 50 бар, давления применяются в тяжело нагруженных узлах трения и при разветвлённой схеме распределения с большим числом смазочных точек. Часто в этих случаях смазочный слой воспринимает значительную долю нагрузки пары трения, обеспечивая режим смешанного и жидкостного трения в узле.

В системах смазки среднего давления наиболее часто применяют шестерённые и поршневые насосы с электрическим или пневматическим приводами.

Эти насосы работают в составе единой смазочной установки, содержащей электродвигатель, насос, группу клапанов, манометр, фильтр и реле давления. Управление насосом осуществляется, например, программируемым таймером путём включения или отключения насоса на заданные промежутки времени.

Пример поршневого насоса среднего давления с пневматическим приводом показан на рисунке:

Эти насосы работают в составе единой смазочной установки, содержащей пневмоцилиндр, насос, группу клапанов, пневмораспределители, манометр, фильтр и реле давления. Управление насосом осуществляется, например, программируемым таймером путём включения или отключения насоса на заданные промежутки времени.

Преимуществом насоса является повышенная электробезопасность за счёт отсутствия электродвигателя и возможность подачи не только жидкой, но и густой пластической смазки класса 00.

В системах низкого и среднего давления подача смазки осуществляется через специальные элементы — дозаторы, которые располагаются между насосом и смазочными точками. Функция дозаторов — осуществлять дозирование количества подаваемой смазки.

В системах низкого давления применяются дроссельные дозаторы, через которые постоянно поступает смазка в период работы насоса, а в системах среднего давления используют работающие дискретно объёмные дозаторы, в которых смазка заполняет камеру в период работы насоса под давлением, а при падении давления насоса камера опорожняется и смазка поступает в зону трения.

Для смазки высокоскоростных шпинделей станков, электропатронов и подшипников качения весьма эффективно применение воздушно-масляной системы.

Принцип работы воздушно-масляной системы состоит в подготовке и подаче в смазочные точки воздушно-масляной смеси, или «смазочного воздуха».
Относительное содержание масла в этой смеси весьма незначительно, в отличие от давно известной системы «масляного тумана», большое количество масла в которой загрязняет окружающую среду и негативно воздействует на обслуживающий персонал.

Смазочный воздух обеспечивает нанесение тонкой смазочной плёнки на поверхности трения, их охлаждение и удаление продуктов износа и загрязнения из зоны трения. При этом расход масла весьма незначителен. Эффективно применение этой системы и для консервации узлов машин и механизмов.

Пример воздушно-масляной системы изображён на рисунке:

Система состоит из масляного насоса, гидрораспределителя 2/2, коллекторов с объёмными дозаторами масла и воздушно-масляных смесителей с регуляторами расхода воздуха.

При работе масло подаётся в смеситель в дискретном режиме, а воздух — непрерывно. Напор «масляного воздуха» образует в зазорах пар трения зоны повышенного давления, которые препятствуют проникновению туда грязи и продуктов износа, что повышает ресурс работы машины.

Прежде всего необходимо определить какие узлы трения подлежат смазке и сколько потребуется смазочных точек.

Исходя из величины и характера нагрузки узлов трения, а также площади контактирующих поверхностей следует оценить удельные нагрузки и определить к какой категории давления (низкому или среднему) относится смазочная система, возможно ли применение воздушно-масляной смазки?

Далее проводятся расчёты потребного количества смазки и времени её обмена в узлах трения. Определяются тип и параметры дозаторов, выбирается насос и циклограмма его работы.

Разрабатываются схема системы смазки и спецификация входящих в неё элементов. Пример централизованной смазки низкого и среднего давления показан на рисунке: