Рабочие жидкости, смазки и уплотнения

 
 
 
 
 
Н. З. Бойко  
  
  
  
 
 
 
  
РАБОЧИЕ ЖИДКОСТИ, СМАЗКИ И УПЛОТНЕНИЯ  
  
  
   
Учебное пособие  
  
  
  
  
  
 
 
 
 
  
  
  
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Москва    Вологда 
«Инфра-Инженерия» 
2024 

УДК 621.892(076.5) 
ББК 30.82 
Б77 
 
 
 
Рецензенты: 
доктор технических наук, профессор кафедры «Горные машины» ДонГТУ 
(г. Донецк) В. Г. Гуляев; 
кандидат технических наук, доцент, зав. кафедрой прикладной гидромеханики 
ГОУВПО ЛНР «ДонГТУ» (г. Алчевск) В. Г. Чебан; 
кандидат технических наук, доцент, зав. кафедрой машин металлургического 
комплекса ГОУВПО ЛНР «ДонГТУ» (г. Алчевск) Д. А. Вишневский 
 
 
 
 
 
 
 
 
Бойко, Н. З. 
Б77   
Рабочие жидкости, смазки и уплотнения : учебное пособие / 
Н. З. Бойко. – Москва ; Вологда : Инфра-Инженерия, 2024. – 168 с. : ил., 
табл. 
ISBN 978-5-9729-1603-0 
 
Рассмотрены рабочие жидкости, смазочные материалы и уплотнения, применяемые в тяжелом и общем машиностроении, и частично – рабочие жидкости авиационного гидропривода. Изучены основные свойства жидкостей, методы их определения, 
вопросы, связанные с выбором, эксплуатацией и заменой жидкостей в системах смазки 
и системах гидропривода. Описаны современные способы уплотнений, их расчетов, новейшие способы очистки жидкостей.  
Для всех специальностей механического профиля, а также при изучении деталей 
машин в металлургии, сельском хозяйстве и других отраслях. Может быть использовано ИТР, занимающимися проектированием, изготовлением, эксплуатацией и ремонтом механического оборудования во всех отраслях народного хозяйства.  
 
УДК 621.892(076.5) 
ББК 30.82 
 
 
 
 
ISBN 978-5-9729-1603-0 
” Бойко Н. З., 2024 
 
” Издательство «Инфра-Инженерия», 2024 
 
” Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2024 
 

ОГЛАВЛЕНИЕ 
 
РАБОЧИЕ И СМАЗОЧНЫЕ ЖИДКОСТИ И СМАЗКИ 
......................................... 5 
СВОЙСТВА ЖИДКОСТЕЙ ....................................................................................... 5 
УРАВНЕНИЕ РАСХОДА И ДИНАМИЧЕСКОЙ ЖЕСТКОСТИ 
ГИДРОДВИГАТЕЛЯ С УЧЕТОМ СЖИМАЕМОСТИ ЖИДКОСТИ ................. 14 
1. РАБОЧИЕ ЖИДКОСТИ, ПРИМЕНЯЕМЫЕ 
В ГИДРАВЛИЧЕСКИХ ПРИВОДАХ ................................................................. 19 
1.1. Области применения рабочих жидкостей ................................................... 22 
1.2. Изнашивание рабочих жидкостей ................................................................ 24 
1.2.1. Влияние загрязненности рабочей жидкости 
на изнашивание ...................................................................................................... 24 
1.2.2. Выбор вязкости рабочих жидкостей ....................................................... 26 
1.2.3. Старение рабочих жидкостей .................................................................. 30 
1.2.4. Выбор огнестойких жидкостей 
................................................................ 34 
1.3. Новые огнестойкие гидравлические жидкости 
........................................... 38 
1.4. Гидравлические системы авиационной техники ........................................ 43 
1.4.1. Особенности технических требований к гидравлическим 
системам и рабочих жидкостей летательных аппаратов 
................................. 43 
2. ВИДЫ ТРЕНИЯ 
................................................................................................... 46 
2.1. Чистое трение ................................................................................................. 48 
2.2. Сухое трение ................................................................................................... 48 
2.3. Граничное трение ........................................................................................... 50 
2.4. Жидкостное трение ........................................................................................ 53 
2.4.1. Способы, обеспечивающие жидкостное трение .................................... 56 
2.5. Полусухое и полужидкостное трение .......................................................... 64 
3. СМАЗОЧНЫЕ МАСЛА ..................................................................................... 66 
3.1. Физические константы смазочных масел .................................................... 67 
3.1.1. Динамическая вязкость .............................................................................. 67 
3.1.2. Кинематическая вязкость ......................................................................... 68 
3.1.3. Условная вязкость 
....................................................................................... 70 
3.2. Зависимость вязкости от температуры ........................................................ 71 
3.3. Зависимость вязкости от давления 
............................................................... 73 
3.4. Теплоемкость и теплопроводность масел 
.................................................... 74 
3.5. Классификация и порядок выбора масел 
..................................................... 75 
3.6. Трансмиссионные масла 
................................................................................ 79 
3.7. Моторные масла ............................................................................................. 80 
3.8. Индустриальные масла .................................................................................. 82 
3.9. Компрессорные и турбинные масла 
............................................................. 84 
3.10. Электроизоляционные масла ...................................................................... 88       
3.11. Масла различного назначения .................................................................... 89 
3.12. Контроль качества смазочных материалов 
и гидравлических жидкостей ................................................................................... 91 
3.12.1. Организация контроля качества в угольной промышленности .......... 94 
3

3.12.2. Средства контроля качества 
.................................................................. 94 
3.12.3. Отбор проб ................................................................................................ 95 
3.12.4. Контроль качества смазочных материалов 
.......................................... 98 
3.12.5. Контроль качества гидравлических жидкостей ................................ 107 
3.12.6. Браковочные показатели 
........................................................................ 113 
4. УПЛОТНЕНИЯ ................................................................................................. 116 
4.1. Уплотнения продольного движения........................................................... 117 
4.1.1. Концентричность кольцевой канавки 
..................................................... 117 
4.2. Уплотнения вращающихся валов ............................................................... 119 
4.3. Уплотнения радиального типа .................................................................... 119 
4.3.1. Износ вала и уплотняющей кромки манжеты ...................................... 121 
4.4. Уплотнение кольцами круглого сечения ................................................... 121  
4.5. Уплотнения торцевого типа ........................................................................ 122 
4.6. Уплотнение привалочных поверхностей фланцев и крышек 
.................. 125 
5. РЕГЕНЕРАЦИЯ РАБОЧИХ ЖИДКОСТЕЙ ............................................... 127 
5.1. Условия необходимости регенерации 
........................................................ 127
5.2. Установки для регенерации жидкостей в емкостях гидросистем 
........... 128 
5.3. Защита емкостей гидросистем от загрязнений ......................................... 131 
5.4. Обеспечение «дыхания» машины 
............................................................... 132 
5.5. Восстановление рабочих жидкостей при эксплуатации .......................... 135 
6. СТАБИЛИЗАЦИЯ КАЧЕСТВА РАБОЧЕЙ ЖИДКОСТИ ...................... 144 
6.1. Очистка деталей и узлов гидросистем от механических 
примесей при изготовлении ............................................................................... 145 
6.2. Промывка трубопроводов ........................................................................... 145 
6.3. Технологическая очистка гидросистем ..................................................... 151 
6.4. Гидродинамическая очистка ....................................................................... 152 
6.5. Контроль качества очистки деталей от механических примесей ........... 159 
7. ТЕХНИЧЕСКОЕ ОБСЛУЖИВАНИЕ ГИДРОСИСТЕМ 
ПРИ ЭКСПЛУАТАЦИИ ...................................................................................... 161 
КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ ................................................................................ 164 
ЛИТЕРАТУРА ......................................................................................................... 166 
 
 
4

РАБОЧИЕ И СМАЗОЧНЫЕ ЖИДКОСТИ И СМАЗКИ 
 
Одним из основных направлений технического прогресса во многих отраслях промышленности (горной, металлургической, станкостроительной, сельскохозяйственной и др.) является широкое использование гидропривода в конструкции машин и оборудования. Только на основе гидропривода, например, удалось 
создать работоспособные конструкции механизированных крепей, очистных, 
проходческих комплексов и перейти к созданию агрегатов. 
Гидропривод тех же горных машин опережает по рабочим параметрам гидроприводы других отраслей промышленности. В гидростойках, например, энергия передается на расстояние 200 м при давлении до 60 МПа, а единичная мощность двигателей превышает 100 кВт. Впервые в горной промышленности 
начали применять негорючие рабочие жидкости, такие как эмульсии. Жидкость 
в гидроприводе выполняет ряд функций: рабочего тела, смазки, охлаждения машин, для торможения машин и другие. В зависимости от того, какие функции 
жидкости являются самыми главными при эксплуатации, зачастую одну и ту же 
жидкость называют рабочей жидкостью, смазкой, смазочно-охлаждающей, тормозной. На рабочие жидкости часто возлагают ряд важных дополнительных 
функций и подлежащих решению вопросов: ресурс, экономию, продолжительную эксплуатацию, т. е. лежащих на стыке проблем машиностроения, гидравлики, трибологии, нефтехимии. Появились целые отрасли наук: химмотология, 
герметология. 
Химмотология – наука о свойствах, качестве и рациональном использовании топлива, смазочных материалов и специальных жидкостей и разрабатывающая научные основы требований к качеству, принципам создания и правилам 
эксплуатации рабочих жидкостей. 
Герметология – наука, изучающая закономерности герметизации и разрабатывающая научные основы создания и эксплуатации уплотнений. 
 
СВОЙСТВА ЖИДКОСТЕЙ 
 
В качестве рабочей жидкости в гидравлических приводах используются минеральные и синтетические масла. 
Жидкость как рабочее тело, передающее энергию большой концентрации, 
работает в гидравлическом приводе в тяжелых условиях высоких удельных 
напряжений, знакопеременных скоростей, большого диапазона температур, перегрузок и вибраций. Поэтому физические свойства и технические характеристики жидкости существенно влияют на статику, динамику и надежность работы 
гидравлического привода. 
Рассмотрим основные свойства и характеристики жидкостей, которые влияют на статику и динамику гидравлического привода. 
 
 
 
5

Плотность 
 
Плотностью жидкости называется количество ее массы в единице объема: 
Плотность минеральных масел можно принять равной 
ߩൌ݉
ܸ ˍˆ/ˏଷ. 
 
ߩൌ830 ൊ950 ˍˆ/ˏଷൌሺ8,3 ൊ9,5ሻή 10ି଺ʜ ή ˔ଶ/˔ˏସ. 
 
С повышением температуры плотность минерального масла понижается, а 
с увеличением давления – увеличивается. Однако в рабочем диапазоне изменения давления от 0 до 3000 Н/см2 и температуры от –60 до +130 °С плотность 
минерального масла изменяется незначительно и в расчетах этим изменением во 
многих случаях можно пренебречь. 
 
Вязкость 
 
Вязкость – это свойство жидкости сопротивляться сдвигу или скольжению 
ее слоев. При относительном движении слоев жидкости с конечной скоростью 
вследствие внутреннего трения возникают напряжения сдвига. Для большинства 
жидкостей напряжение сдвига пропорционально изменению скорости сдвига, а 
коэффициент пропорциональности представляет собой абсолютный коэффициент вязкости 
߬ൌߤ݀߭
݀ݕ, 
где IJ – напряжение сдвига; 
ȝ – абсолютный или динамический коэффициент вязкости, имеющий размерность ܪή ܿ/݉ଶ; 
ȣ – скорость; 
у – расстояние между слоями жидкости; 
ௗజ
ௗ௬ – градиент скорости сдвига слоев жидкости. 
В технических расчетах наряду с абсолютным коэффициентом вязкости 
применяют кинематический коэффициент вязкости, который определяется по 
формуле: 
ܸൌߤ
ߩ, 
 
где Ȟ – кинематический коэффициент вязкости; 
ȡ – плотность жидкости. 
Кинематическую вязкость измеряют в стоксах или сантистоксах: 
– стокс (Ст) = 1 cˏଶ/c; 
– сантистокс (сСт) = 0,01 Ст. 
С увеличением давления вязкость жидкости повышается практически по 
экспоненциальному закону 
6

ߤ௣ୀఓబሺ1 ൅ߝሻ
ሺ೛
೛బିଵሻൎߤ଴ሺ1 ൅ߝ௉଴
ο௣), 
где ȝ0 – вязкость при атмосферном давлении ݌଴; 
ȝp – вязкость при давлении р;  
'p   ݌െ݌଴;  
İ = 0,003. 
Например, при увеличении давления на 500 Н/см2 вязкость масла увеличивается на 15 %: 
 
ߤ଴ൌߤ଴൅0,15ߤ଴. 
 
Вязкость жидкостей, применяемых в гидравлических приводах, сильно зависит от температуры. С понижением температуры вязкость масла увеличивается, а ее текучесть уменьшается. Поэтому при низких температурах увеличивается сопротивление гидромагистралей, но уменьшаются утечки в насосе и гидродвигателе. 
Вязкость определяет важнейшие характеристики гидравлического привода. Прежде всего, вязкость обусловливает смазку деталей, а следовательно, 
долговечность и надежность работы насосов и гидродвигателей. От вязкости 
зависят демпфирующие свойства, характеристики расхода и коэффициенты полезного действия золотников, насосов, гидродвигателей и гидромагистралей. 
Изменение вязкости с изменением температуры вызывает изменение статических, энергетических и динамических характеристик гидравлической системы.  
Объемная прочность и кавитация жидкости 
Объемная прочность жидкости оценивается величиной внутренних растягивающих напряжений, при которых происходит ее разрыв. Опытами установлено, 
что эти напряжения нестабильны, так как они зависят от чистоты и температуры 
жидкости. Вначале ее объем увеличивается пропорционально величине растягивающих напряжений. 
Затем, при достижении критического напряжения, происходит разрыв жидкости, который сопровождается резким щелчком, выделением паров жидкости и 
образованием газового пузыря. 
Нарушение сплошности потока жидкости в результате понижения давления 
до давления парообразования получило название кавитации. 
В гидравлических приводах кавитация носит динамический характер и происходит в отдельных местах гидродинамического поля, где растягивающие 
напряжения достигают своего критического значения парообразования. Например, кавитацию можно наблюдать в насадках, вблизи вибрирующих тел, в камерах насоса при очень быстром движении поршней и т. д. 
Кавитация сопровождается выделением кавитационных пузырьков и образованием «кавитирующей среды». Вследствие динамического изменения давления в кавитационных пузырьках выделение паров жидкости сменяется их мгновенной конденсацией. Появление и исчезновение кавитационных пузырьков 
7

внешне напоминает кипение жидкости. Причем процесс конденсации паров жидкости происходит с большой скоростью и сопровождается местным гидравлическим ударом с мгновенным повышением давления. Если этот процесс происходит с большой частотой и вблизи металлических стенок канала, может наступить 
кавитационное разрушение материала, из которого сделаны стенки канала или 
детали гидравлического привода. Кавитация отрицательно влияет на работу гидравлического привода. 
С появлением кавитации понижается производительность насоса и уменьшается коэффициент полезного действия гидравлического привода, возрастают 
динамические (ударные) нагрузки на детали насоса, происходит выделение растворенного в жидкости воздуха и образование эмульсии. Кавитация уменьшает 
надежность работы гидравлического привода, вызывая преждевременный выход 
его из строя. 
 
Облитерация 
 
Облитерация – это свойство жидкости заращивать (засорять) узкие каналы и капиллярные щели при ее течении под действием перепада давлений. 
Облитерация вызывает уменьшение геометрического поперечного сечения капиллярной щели. Опыт показывает, что вследствие облитерации течение жидкости через дросселирующие щели золотников и отверстия небольшого диаметра сопровождается постепенным уменьшением расхода. Вначале уменьшение расхода происходит интенсивно, а затем этот процесс замедляется. Установлено, что интенсивность изменения расхода не зависит от вязкости жидкости. 
Отфильтрованная жидкость также обладает свойством заращения капиллярных щелей. С увеличением перепада давлений интенсивность облитерации увеличивается. Наиболее сильно облитерация проявляется у жидкостей, сложных 
по молекулярному составу. К таким жидкостям относятся минеральные масла на 
нефтяной основе. 
Как показывают исследования, облитерация представляет собой сложное 
явление образования на стенках канала твердого граничного слоя в результате 
адсорбции поляризованных молекул жидкости. Кроме того, в образовании 
структуры твердого граничного слоя активное участие принимают концентрации смолистых веществ, и твердых частиц, содержащихся в жидкости. Таким 
образом, это явление связано с уменьшением геометрического сечения канала. 
Для некоторых жидкостей толщина граничного слоя может достигать нескольких микрон. В результате облитерации узкие капиллярные щели могут заращиваться полностью. 
Облитерация нарушает стабильность расходных характеристик дросселей и 
жиклеров с малыми проходными сечениями (d < 0,5 мм) вследствие заметного 
уменьшения проходных отверстий. 
Кроме того, облитерация капиллярных щелей отрицательно влияет на работу золотниковых механизмов. Заращивание капиллярных щелей между  
 
8

золотником и втулкой приводит к «залипанию золотника». При этом золотник 
сращивается с втулкой так, что для его перемещения требуется приложить большое усилие. 
В результате «облитерационного залипания золотника» резко уменьшается 
чувствительность, увеличивается запаздывание и ухудшается динамика гидравлического привода. После трогания золотника усилие, необходимое для его перемещения резко уменьшается вследствие разрушения граничного связующего 
слоя. Один из методов борьбы с облитерацией является сообщение золотнику 
угловых или осевых осциллирующих движений (вибраций) с большой частотой 
и малой (в несколько микрометров) амплитудой. 
 
Сжимаемость 
 
Сжимаемость – это свойство жидкости изменять свой объем под действием 
давления. 
Сжимаемость жидкости в целом отрицательно влияет на энергетику и динамику гидравлического привода. Сжимаемость жидкости обусловливает уменьшение подачи и объемного КПД насоса, ухудшает быстродействие гидродвигателя и может явиться причиной неустойчивого движения следящего привода при 
большой массе рабочего органа. 
Расчет динамики гидравлического привода с нагрузкой большой массы без 
учета сжимаемости жидкости нельзя считать даже приближенным, так как такой 
расчет является принципиально неправильным. Поэтому глубокое теоретическое изучение сжимаемости жидкости имеет первостепенное значение. 
Сжимаемость жидкости, т. е. изменение ее объема под действием давления 
в рабочем диапазоне, подчиняется закону Гука и оценивается объемным модулем упругости. 
 
 
ʔ ൌܸ
ο௣
ο௩ܪ/˔ˏଶ. 
 
 (1) 
 
Физический смысл объемного модуля упругости жидкости можно представить на основании формулы (1), если считать, что V = 1 см3 , а 'р   1 Н/см2 . 
Тогда ясно, что ʔ ൌቚ
ଵ
ο୚ቚ, т. е. объемный модуль упругости можно представить 
как величину, обратную изменению объема одного кубического сантиметра 
жидкости при изменении давления на одну единицу. 
Модуль объемной упругости изменяется в широких пределах в зависимости 
от типа жидкости, температуры, давления, скорости (частоты) деформации и характера термодинамического процесса сжатия. 
Проблема сжимаемости в динамической теории привода осложняется наличием нерастворенного газа и воздуха в рабочей жидкости. 
Вначале рассмотрим некоторые закономерности для «чистой» жидкости, не 
содержащей нерастворенный воздух и газы. 
Среднее значение модуля объемной упругости синтетических (силиконовых) жидкостей существенно меньше объемного модуля упругости минеральных масел и воды. 
9

При температуре 40 °С: 
– для силиконовых жидкостей – Е = 9,8 Â 10ସ Н/˔ˏଶ; 
– для минеральных масел – Е = 1,5 Â 10ହ Н/˔ˏଶ; 
– для воды – Е = 2 Â 10ହ Н/˔ˏଶ. 
С увеличением температуры объемный модуль упругости жидкости заметно 
уменьшается. 
Например, при увеличении температуры с +40 до +200 °С объемный модуль 
упругости силиконовых жидкостей и минеральных масел уменьшается более чем 
в два раза. 
При температуре +200 °С модуль объемной упругости силиконовых жидкостей снижается до Е = 4,5Â10ସ Н/˔ˏଶ, а для минеральных масел до Е =  
= 7 Â 10ସ Н/˔ˏଶ. 
С увеличением давления объемный модуль упругости жидкости увеличивается. В рабочем диапазоне давлений (от 0 до 3000 Н/˔ˏଶ) изменение объемного модуля упругости жидкости подчиняется эмпирической закономерности: 
ʔ ൌʔ଴൅ܣ݌, 
где р – давление; 
ʔ଴, А – параметры, зависящие от жидкости и ее температуры. 
В расчетах первого приближения значение модуля объемной упругости 
можно считать постоянной величиной, взятой при соответствующей температуре. Численные значения модуля объемной упругости характеризуют жидкость 
как весьма упругую среду. Для сравнения отметим, что сжимаемость жидкости 
примерно в 100 раз больше сжимаемости металла. 
В зависимости от условий сжатия жидкости различают изотермический и 
адиабатический модули объемной упругости жидкости. Изотермический модуль 
является усредненным статическим показателем сжимаемости жидкости в условиях, когда давление и объем жидкости изменяются весьма медленно при постоянной или очень медленно меняющейся температуре. 
Статический (изотермический) модуль определяется путем замера деформации жидкости при ее непосредственном механическом сжатии, например, в герметичном цилиндре, в изотермических условиях. 
Для расчета динамических процессов гидравлического привода используется адиабатический модуль объемной упругости жидкости, который оценивает 
сжимаемость жидкости в быстропротекающих (адиабатических) процессах изменения давления при отсутствии существенного теплообмена с окружающей 
средой. 
Для экспериментального определения динамического модуля объемной 
упругости применяется акустический метод, основанный на замере скорости 
распространения звуковых волн в жидкости. При этом адиабатический модуль 
объемной упругости рассчитывается как произведение плотности жидкости на 
квадрат скорости звука: 
10
 
ʔ˃ ൌ݌ܽଶ, 
 (2)