Для правильной работы пружины, снижения потерь в ее работе и преждевременного износа, а также для защиты от коррозии необходимо применять специальные смазочные материалы.

Лидером в области специальных смазочных материалов для пружин, являются смазки Molykote.

Немного о пружинах

Пружины применяются во многих технических областях, как накопители энергии. Основным требованием к пружине является способность поглощать внешние нагрузки за счет упругой деформации в соответствии с известным свойством пружин.

Поэтому пружины подходят для амортизации движущихся масс, для поглощения ударных нагрузок или просто для общего накопления физической силы (например, возвратные пружины или пружины в механических аварийных тормозных системах).

В силу своей известной зависимости от приложенной силы или смещения, пружины могут также использоваться для измерения сил. С этой целью пружины и применяются в пружинно-массовых системах и устройствах.

Пружины делятся на несколько типов:

  • Внутрицилиндровые пружины
  • Кольцевые пружины
  • Плоские/пластинчатые пружины
  • Цилиндрические винтовые пружины

Проблемы с трением возникают преимущественно при скольжении металлических поверхностей относительно друг друга, т.е. когда части пружины соприкасаются между собой.

Исходя из самой природы пружин, которая заключается в поглощении сил за счет упругой деформации, можно заключить, что относительное движение поверхностей неизбежно будет возникать. Особенно, когда, скажем, кольцевые пружины используются в качестве буферных пружин, большое количество механической энергии за счет трения преобразуется в тепловую.

Здесь, как и в других примерах применения, использование смазки просто необходимо. При этом эффект замедления коррозии также оказывается полезным.

кольцевая пружина для поглощения ударных нагрузок в бурильном молотке


Пример применения: кольцевая пружина для поглощения ударных нагрузок в бурильном молотке. (Фото любезно предоставлено компанией HiltiGmhB, Мюнхен, Германия).




Возможные типы трения в пружинах

К разным типам пружин предъявляются различные требования, в зависимости от площади контакта и давления в плоскости контакта.

Например, во внутрицилиндровой или дисковой пружине могут быть достигнуты совершенно различные свойства, которые вносят изменения и в контактирующие поверхности и в условия трения, в зависимости от порядка расположения отдельных дисков или цилиндров.

Поскольку внутрицилиндровые пружины часто используются в качестве «пружинных столбиков», состоящих из отдельных внутрицилиндровых пружин, необходимо принимать во внимание и учитывать дополнительное трение, создаваемое направляющим элементом (направляющий болт, в случае внутреннего направления; или направляющая трубка, в случае внешнего направления).

В случае с внутрицилиндровыми пружинами, существует четыре различных типа трения (см. рис. 1):


Трение во внутрицилиндровых / дисковых пружинах

Рис. 1.
а) 1 – внутреннее трение, 2 – трение о направляющие, 3 – радиальное трение на конечных пластах, б) 4 – трение между двумя пружинами с параллельным наслоением



  • Внутреннее трение. Вызвано упругой деформацией пружины, и на него невозможно повлиять трибологическими средствами
  • Трение о направляющие. Образуется за счет продольного скольжения пружин во время смещения пружины
  • Трение вследствие параллельного наслоения. Присутствует, в основном, когда несколько элементов пружины расположены одна над другой в одном направлении
  • Трение на конечных пластах.Внешние составляющие пружины в составе комплекта пружин осуществляют круговые перемещения на поверхностях контакта с составляющей натяжения. Это очень слабые движения, но при наличии динамической нагрузки и в зависимости от частоты, они могут создавать очень интенсивное трение

На все типы трения, возникающие в различных точках трения – даже на внутреннее трение – можно оказывать влияние за счет использования подходящего смазочного материала.

Для этой цели можно применять консистентные смазки, пасты или АФ (антифрикционные) покрытия. В случае паст и АФ покрытий, положительный эффект достигается за счет высокого содержания твердых смазочных веществ.

Использование специальных смазок Molykote для предотвращения разрыва пружин

Исследования пружин показали, что в результате действия различающихся по значениям сил трения различные диски в составе одной пружины испытывают воздействие колебаний различной магнитуды и, как следствие, подвергаются упругим деформациям различной степени.

Основной причиной этого является дополнительное трение на конечных пластах отдельных дисков с внешней стороны. Из-за дополнительного радиального трения концевых пружин, они испытывают непродолжительное относительное смещение пружины.

Это сказывается на соседних пружинах и, соответственно, вызывает в них более значительное относительное смещение, которое затем постепенно ослабевает и сглаживается в столбце пружин в целом за счет момента инерции.

Именно в этой области максимального растяжения пружины обычно случаются первые разрывы пружины.

Для того, чтобы уменьшить разброс значений упругого растяжения материала, необходимо минимизировать трение на концевых пластах с помощью методов технико-инженерной разработки процесса смазки.

Смазки Molykote с самым низким из всех возможных коэффициентом трения особенно подходят для случаев со смешанным типом трения, как это обычно бывает при небольших относительных смещениях. На рис. 2 представлена исчерпывающая информация о характеристиках трения различных смазочных материалов, предназначенных для смазывания пружин.

Коэффициенты трения








Рис. 2. Коэффициенты трения ζ=ΔFg/ΔFu, определенные по отставанию фаз внутрицилиндровой пружины: разность максимального и минимального значения силы на смазанной поверхности ΔFg к разности максимального и минимального значения силы на несмазанной поверхности ΔFu при наличии тройного параллельного наслоения; 4 слоя. Чем меньше индекс трения, тем меньше будет коэффициент трения.








Преимущество использования АФ (антифрикционных) покрытий состоит в том, что такие смазки MOLYKOTE плотно прилегают к поверхности и тем самым обеспечивают в этих точках долговременную смазку на весь срок службы.

Использование смазок Molykote для минимизации потерь на трение

Потери при трении синонимичны повышению температуры материала и износу.

Поэтому необходимо применение смазочного материала для того, чтобы:

  • Минимизировать трение
  • Обеспечить постоянное трение во всех точках трения на направляющих и на параллельных пластах поверхности, создавая тем самым равномерную нагрузку на все части пружины

Использование смазок Molykote для предотвращения коррозии и коррозионного истирания

Применение соответствующей смазки Molykote обеспечивает превосходную защиту от коррозии и коррозионного истирания для обычных марок стали, из которых изготавливают пружины, например, материал 50 CrV 4 (Рис. 3 и Рис. 4).

Защита от коррозии с помощью смазок Molykote для пружин










Рис. 3. Защита от коррозии с помощью смазок Molykote для пружин (тест в солевом тумане по спецификации DIN 50 021на образцах из материала 50 CrV 4)











Предотвращение коррозионного истирания (трибокоррозии) по результатам теста на коррозийное истирание










Рис. 4. Предотвращение коррозионного истирания (трибокоррозии) по результатам теста на коррозийное истирание












При использовании нержавеющей стали правильно подобранная смазка также может уменьшить чувствительность к образованию трещин вследствие нагрузки и усталостному разрушению.

Диапазон рабочих температур смазок для пружин

Диапазон рабочих температур смазок для пружин предоставлен на Рис. 5.

Диапазон рабочих температур смазок Molykote для пружин










Рис. 5. Диапазон рабочих температур смазок Molykote для пружин











Применение специальных смазок Molykote для пружин

Для смазывания пружин подходят пасты, консистентные смазки и АФ (антифрикционные) покрытия. Применение масел для этой цели не очень распространено.

Недостаток масел состоит в том, что без постоянной подачи их дополнительного количества в важные точки смазки они быстро высыхают, следовательно они не слишком подходят для смазывания пружин.

Преимущество таких смазочных материалов, как консистентные смазки и пасты, состоит в том, что они переходят в текучее состояние только когда появляется нагрузка на сдвиг, поэтому они постоянно присутствуют в точке смазывания в течение долгого периода времени.

Каждую отдельно взятую пружину можно самостоятельно покрыть подходящей консистентной смазкой или пастой перед началом сборки столбца.

АФ (антифрикционные) покрытия также имеют своё преимущество, так как после нанесения их можно использовать как бессрочную смазку на весь срок службы механизма и следует наносить на внешние края пружинных деталей.

Внутрицилиндровые и кольцевые пружины экономично покрывать АФ покрытиями методом напыления или при помощи специальных методов обработки в центрифугах. АФ покрытия могут защитить от коррозионного истирания и коррозии и пластинчатые пружины. Методы напыления и окунания для них также возможны.

Винтовые пружины, например, в механизмах втягивания ремня безопасности, в механизмах блокировки или в патронных магазинах оружии, тоже можно успешно обрабатывать АФ покрытиями. Типичным методом нанесения смазки на винтовые пружины является метод окунания.

Для деталей, для которых, в силу их размеров, допускается горячая сушка в печи, рекомендуются смазки Molykote 7409 или Molykote 3484. Для всех остальных случаев можно использовать АФ покрытия воздушной сушки Molykote 3402-С или Molykote D-321R.


Покрытие Modengy 1001 - 210 мл

Твердосмазочное антифрикционное покрытие MODENGY 1001 является аналогом Molykote D-321R и может его заменить в любых случаях применения.

Имея такие же рабочие свойства, покрытие Modengy 1001 стоит гораздо дешевле.

MODENGY 1001 можно приобрести в аэрозольных баллонах объемом 210 мл, в капсулах по 200 г, в банках по 600 г или ведрах по 4,5 кг.



Советы по ремонту и техобслуживанию

В зависимости от своего назначения различные типы пружин, такие как винтовые, дисковые, внутрицилиндровые, пластинчатые, фигурные, пружинные валы на кручение или кольцевые пружины испытывают воздействия нагрузок различных типов (на растяжение, сгибание или кручение) и амплитуды.

Когда происходит повреждение поверхности, можно проанализировать приведшие к нему причины и с помощью грамотного применения правильно подобранной смазки ограничить дальнейшее разрушение, а то и полностью устранить его.

Коррозионное истирание (трибокоррозия) может проявиться в виде точечной коррозии различной степени и поражения поверхности вследствие колебательной нагрузки. Чтобы снизить его можно воспользоваться пастами Molykote D, DX или Molykote TP-42 (см. Рис. 4).

Коррозию, вызванную другими факторами, такими как воздействие окружающей среды или эксплуатация в условиях завода или в системах, способствующих коррозии, можно предотвратить с помощью подходящей смазки из тех, что приведены на Рис. 3.

В данном случае рекомендуется проводить собственные предварительные тесты в условиях похожей коррозионной среды.

Сильный износ направляющих, пружинных подвесок и пружинных подшипников можно уменьшить с помощью смазки, которая имеет высокий показатель при испытании на четырехшариковой машине (см. Рис. 6) и низкий коэффициент смешанного трения (см. Рис. 2).

Показатели некоторых смазок MOLYKOTE для пружин при испытании на 4-шариковой машине








Рис. 6. Показатели некоторых смазок MOLYKOTE для пружин при испытании на 4-шариковой машине (по спецификации DIN 51 350)










Предпочтение следует отдать применению АФ покрытий, так как они плотно прилегают к поверхности, обеспечивая долговременную смазку на весь срок службы. При необходимости, в равной степени можно применять и пасты.

Сильный износ корпуса самой пружины между параллельными пластами внутрицилиндровых или пластинчатых пружин можно уменьшить за счет использования смазок с низким коэффициентом трения (см. Рис. 2). В любом случае, следует учитывать все аспекты смазывания пружин, рассматривать их в комплексе и составлять график их техобслуживания соответствующим образом.

Методика

В случае пружинных контактов трение означает потери мощности, ведущие к потерям затраченной энергии, повышению температуры и началу износа. Для управления износом нужно минимизировать трение. Кроме того, при наличии динамического напряжения и, особенно, ударных нагрузок случаются разрывы пружин, которые связаны с различающимися значениями относительного смещения отдельных внутрицилиндровых пружин в составе столбца, так как у них различные коэффициенты трения.

«Упругий гистерезис» (отставание фаз смещения), представленный на Рис. 7, обычно считается мерой потерь мощности между нагрузкой и сбросом нагрузки.

Трение, в соответствии с чертежом по спецификации DIN 2092, для внутрицилиндровых пружин










Рис. 7. Трение, в соответствии с чертежом по спецификации DIN 2092, для внутрицилиндровых пружин










Минимизация трения с целью получения низких температур контакта и одинаковой жёсткости отдельных пружин, всходящих в состав узла, напрямую связана с увеличением срока его службы. Кроме того, для металлических материалов необходимо учитывать и принимать в расчет оптимальную защиту от коррозии и коррозионного истирания (трибокоррозии).

Характеристика смещения под воздействием силы не подчиняется законам аналогичной функции для нагрузки и сброса нагрузки, уровень нагрузки выше (см. Рис. 7, например, n=3 для тройного параллельного наслоения). Это означает, что в случае нагрузки для определенного смещения от исходного положения необходимо приложить более значительную силу, тогда как в случае снятия нагрузки требуется лишь незначительная сила для получения такого смещения.

Если после нагрузки и сброса нагрузки достигается точный возврат в одно и то же исходное положение, то это является признаком упругой деформации. Поэтому представленная функция соответственно и называется «упругим гистерезисом». Площадь этого гистерезиса является мерой потери мощности, которая происходит по различным причинам из-за трения, приведенным выше. Чем больше площадь гистерезиса, тем больше будет потеря мощности, которая преобразуется в тепло и повышает температуру в узле трения.

Минимизация трения

На Рис. 7 приведен упругий гистерезис для одно-, двух- и трехслойной сборной внутрицилиндровой пружины. На Рис. 8 приведены соответствующие значения в процентах для повышения жесткости пружины в случае нагрузки и уменьшения этой жёсткости в случае снятия нагрузки.

Сила трения для внутрицилиндровых пружин, в % от расчётной силы

Рис. 8. Сила трения для внутрицилиндровых пружин, в % от расчётной силы (+ сила возрастает при нагрузке, – сила уменьшается при снятии нагрузки)

Площади гистерезиса можно уменьшить за счет применения смазочных материалов, как показано на Рис. 9. Потери мощности, соответственно, можно минимизировать, применяя различные смазки.

Показания измерений упругого гистерезиса на поверхностях, смазанных маслом, смазками Molykote G-Rapid Plus и Molykote D-321R







Рис. 9. Показания измерений упругого гистерезиса на поверхностях, смазанных маслом, смазками Molykote G-Rapid Plus и Molykote D-321R(пружина: 4 слоя с тройным параллельным наслоением)






Значения коэффициентов трения, приведенные на Рис. 2, можно рассматривать в качестве критерия для минимизации трения. Низкий коэффициент трения означает незначительные потери мощности.

Для того, чтобы определить коэффициенты трения, перечисленные на Рис. 2, были сопоставлены разности сил упругого гистерезиса смазанной и несмазанной поверхностей (см. описание методов тестирования в соответствующем разделе).

Эти различия четко прослеживаются для различных смазок, несмотря на то, что трение на направляющий не учитывалось в силу их отсутствия в методике проведения данного теста.

Это означает, что потери на трение по причинам

  • Трения в результате параллельного наслоения
  • Трения на конечных пластах

можно уменьшить на 36 % при использовании смазки Molykote PPE или на 41 % при использовании смазок Molykote G-n Plus и TP-42. Потери на трение можно дополнительно уменьшить за счет соответствующего уменьшения трения на направляющих

Защита от коррозии и коррозионного истирания

Для предотвращения коррозии и коррозионного истирания можно подобрать и использовать смазки из списка, приведенного на Рис. 3 и Рис. 4.