Pmax ≈ (2÷3)ра.

Величина слоя смазочного материала h_min в соответствии с гидродинамической теорией жидкостной смазки зависит от:

• частоты вращения вала ω;

• номинального давления р_а;

- относительного диаметрального зазора ψ = Δ/d;

- вязкости смазочного материала η.

Положение центра вала определяется безразмерным параметром η∙ω/р. С ростом этого параметра центр вала перемещается к центру подшипника по траектории, близкой к полуокружность диаметром, равным радиальному зазору δ (полукруг Гюмбеля). На (рис.4), в качестве величины диаметра использована относительная величина - относительная толщина масляного слоя

ξ = h_min / δ

При бесконечно большой величине параметра η∙ω/р центр вала совпадает с центром подшипника. При этом h_min = δ, клиновидность зазора исчезает, а давление в масляном клине должно быть равным нулю. Такое состояние может наступить при отсутствии внешней нагрузки. С уменьшением параметра η∙ω/р толщина масляного слоя h_min уменьшается, вытекание масла, нагнетаемого в эту область насосным действием вала, затрудняется, давление в масляном слое повышается, теоретически до бесконечности. Реальное отклонение от цилиндричности, шероховатость, наличие загрязнения в смазочном материале ограничивают несущую способность подшипника.

При гидродинамической смазке относительный эксцентриситет ε и относительная минимальная толщина ξ являются функциями безразмерного числа Зоммерфельда S_o.

ξ = 1- ε.

S_o = ηω/pψ².

Существует оптимальное значение, ξ = 0,3...0,35 , при кото­ром режим гидродинамической жидкостной смазки наиболее устойчив.

Выше этого значения небольшие изменения нагрузки ведут к значительному смещению центра вала (полукруг Гюмбеля), которые легко переходят в циклические вихревые движения.

Взаимосвязь между числом Зоммерфельда и относительной минимальной толщиной смазочного слоя может быть выражена следующими зависимостями для различных значений отношения длины к диаметру подшипника ℓ/d:

при ℓ/d = 0,75÷1,0 S_o = ξ/(0,8ℓ/d-0,24)

при ℓ/d = 1,0÷2,0 S_o = ξ/(0,43ℓ/d+0,24)

Для этих случаев оптимальный относительный зазор

Ψ_опт = 1,5∙(ηω/p)^0,5∙(ℓ/d)^0,5,

Предельное значение относительного зазора, при котором еще реализуется гидродинамическая жидкостная смазка:

Ψ_max = 3∙(ηω/p)^0,5∙(ℓ/d)^1/3,

Ограничение на реализацию режима гидродинамической смазки накладывает и величина безразмерного параметра Рейнольдса

Re = uh_min /ν,

где h_min - минимальный слой смазочного материала, мм;

и - средняя скорость жидкостной пленки, мм/с;

v - кинематическая вязкость смазочного материала, мм²/с.

При Re > 1900 ламинарное течение смазочного материала переходит в турбулентное, что ведет к нарушению режима жидкостной смазки.

Гидростатическая жидкостная смазка

Разделение трущихся поверхностей в подшипнике скольжения можно осуществить не только в динамике (при вращении вала), но и в статике, когда вал неподвижен. Это очень важно в момент трогания вала. Это можно обеспечить, подавая в зону контакта вала с подшипником жидкий смазочный материал под высоким давлением, создаваемым установленным вне подшипника насосом. Такой режим разделения трущихся поверхностей получил название «гидростатическая жидкостная смазка», а подшипник, в котором реализуется этот режим, - «гидростатический подшипник жидкостного трения».

Для гидростатической смазки требуется давление масла порядка 20...30 МПа.

Эластогидродинамическая смазка

Этот режим смазки реализуется в подшипниках качения и зубчатых зацеплениях. Предпосылкой для возникновения пленки смазочного материала служат высокие контактные нагрузки, приводящие к упругим деформациям соприкасающихся тел и к росту вязкости смазочного материала в соответствии с зависимостью

η = η₀∙e^αp,

где η₀- вязкость смазочного материала при р = 0, Па∙с; р - давление на контакте, МПа; α - пьезокоэффициент вязкости, МПа^-1, для минеральных масел, 0,01 < а < 0,04 .

Эпюра давлений в смазочном слое и вид контакта представлен на рисунке 5, т.е. на выходе имеется сужающаяся щель и соответствующий сужению всплеск давления.

1 - контактирующие поверхности; 2 - масло; 3 - эпюра давления масла;

4 - распределение давления по Герцу для несмазанных поверхностей;

X₁, Х₂ - координаты концов смазочного слоя

Рисунок 5 - Эпюра распределения скоростей, форма зазора между

контактирующими при качении цилиндрами и ориентировочная эпюра распределения в нем давления масла

В наиболее узком месте увеличивается скорость течения и растет вязкость масла под действием давления. При выходе из зазора вязкость масла резко падает.

Наибольшее влияние на распределение максимума давления оказывает параметр скорости U .

U = η₀∙u / E¹∙R,

где u - скорость скольжения на контакте, м/с;

Е¹ - эквивалентный модуль продольной упругости, Па;

R - эквивалентный радиус кривизны, м.

Минимальная толщина масляной пленки также зависит от параметра скорости, т.е. возрастает с его ростом.

Сила трения, возникающая при эластогидродинамической смазке при чистом качении, изменяется с изменением параметра скорости и в первом приближении прямо пропорциональна толщине пленки смазочного материала.

Существенное влияние на режим эластогидродинамической смазки

оказывает шероховатость контактирующих поверхностей. Условной мерой реализации эластогидродинамической смазки является коэффициент толщины пленки λ.

При λ>3 топография поверхности не оказывает влияние на свойства пленки;

при 2<λ<3 увеличение поперечной шероховатости приводит к росту толщины пленки;

при 1<λ<2 на толщину пленки превалирующее влияние оказывает продольная разнотолщинность, что характерно для реальных режимов трения;

при λ ≈ 0,8 возникает смешанное трение с небольшой долей нагрузки, приходящейся на микронеровности;

при λ = 1,5..2,5 возникают только отдельные контакты, которые исчезают при λ >2,5, обеспечивая режим гидродинамической жидкостной смазки.

После приработки толщина пленки смазочного материала, необходимая для обеспечения жидкостного трения, уменьшается в некоторых случаях до 10 раз.

Граничная смазка

В соответствии с международным стандартом ИСО 4378/3 под граничной смазкой понимается такой вид смазки, которому не могут быть приписаны объемные вязкостные свойства смазочного материала и который определяется свойствами граничных слоев, возникающих при взаимодействии материала поверхности трения и смазочного материала в результате физической адсорбции или химической реакции.

Объемные свойства жидкого смазочного материала не проявляются при толщине пленки менее 0,02...0,1 мкм. Наиболее прочные адсорбционные слои на металлах образуют поверхностно-активные вещества (ПАВ), такие как жирные кислоты, их спирты и эфиры, животные и растительные жиры.

Так, например, при толщине монослоя олеиновой кислоты, равным 19,02 Å, слой смазочного материала может включать 10...50 таких монослоев. Адсорбционные пленки образуются на металлических поверхностях под действием ориентационных сил притяжения Ван Дер Ваальса. Молекулы, ориентированные в силовом поле твердой поверхности, занимают стоячее положение (рисунок 6).

	А - поликристаллическая поверхность металла; Б - поликристаллическая зона граничного слоя; В - монокристаллическая зона граничного слоя
	Рисунок 7 - Схема структуры граничного смазочного слоя на поверхности металла
Рисунок 6 - Схема формирования адсорбционного слоя

Затем под действием дисперсионных сил образуются следующие слои. Молекулы между собой по всей длине находятся под действием поперечных (дисперсионных) сил. Таким образом, мультимолекулярный слой приобретает квазикристаллическую структуру комплекса жидких криталлов, обладающего свойствами квазитвердого тела с высоким модулем упругости рисунок7.

Так, модуль упругости молекул жирных кислот достигает

Е=3,5...5 10⁵ МПа, а мультимолекулярные слои выдерживают нагрузку до 100 МПа.

С другой стороны, монослои связаны между собой слабыми дисперсионными силами Ван дер Ваальса, что является причиной легкого скольжения между контактирующими адсорбционными пленками при граничном трении (рис.8).

В результате химических реакций жирных кислот с металлической поверхностью образуются мыла, снижающие трение. Наиболее активны медь, кадмий, цинк, магний, в меньшей степени железо, алюминий.

Рисунок 8-Схема скольжения граничных слоев,

построенных из цепных макромолекул

Прилегающий к твердому телу монослой образует химические связи с поверхностью металла с образованием химически модифицированных слоев при наличии таких химически активных элементов, как S, CI, Р. В этом случае образуются модифицированные слои, состоящие из соединений железа с S, CI, Р. Модифицированные слои не только обеспечивают снижение трения, но и являются более активными адсорбентами.

Модифицированные слои повышают износостойкость, так как в процессе трения разрушается не сам металл, а менее прочный модифицированный слой, существенную долю в котором составляет активный элемент присадки. В результате этого вместо интенсивного изнашивания металла происходит потеря массы присадки, воспроизводимой из смазочного материала.

Эффективность присадок, содержащих CI, начинает проявляться при температуре 1ОО...15О°С. Сульфидные пленки эффективны при более высоких температурах, но коэффициент трения несколько выше. Самый высокий коэффициент трения имеют фосфидные пленки, но они обладают высокой износостойкостью. Поверхностно-активные вещества в результате миграции по поверхности могут проникать в микротрещины, вызывая адсорбционное пластифицирование (эффект Ребиндера) и, как следствие, разрушение тонкого поверхностного слоя. Если такой процесс локализуется на микронеровностях, то происходит их сглаживание, идет процесс приработки и улучшения смазывания поверхностей.

При высоких нагрузках процесс разрушения поверхностей проникает на большую глубину и граничные слои ведут себя не как смазочные, а скорее как режущие.

При граничной смазке проявляется еще один эффект -"эффект Дерягина", когда ориентированные граничные слои способны оказывать расклинивающее действие, выражающееся в сопротивлении слоя смазочного материала утоньшению под действием нагрузки (рис.9).

F - давление адсорбированного слоя; Q - расклинивающие силы

Рисунок 9 - Схема адсорбционно-расклинивающего действия

полярных молекул смазочного материала

Значительное влияние на прочность граничного слоя оказывает температура. Повышение температуры приводит к резкому возрастанию силы трения и повреждению поверхностей, свидетельствующее о разрушении граничного смазочного слоя, т.е. о дезориентации и десорбции молекул ПАВ.

Повышение температуры в присутствии химически активных добавок в смазочном материале интенсифицирует процесс образования химически модифицированных слоев, обеспечивающих снижение трения и износ. Дальнейший рост температуры ведет к разрушению модифицированных слоев, следствием чего является адгезионное изнашивание.

Разрушение граничного слоя может вызываться и пластической деформацией поверхностей в сопряженном контакте.

Контрольные вопросы:

1 Что называется смазочными материалами?

2 Что такое «Смазка»?

3 Перечислите виды смазки

4 Перечислите задачи дисциплины

5 Назовите режимы жидкостной смазки

6 Сущность гидродинамической смазки

7 Сущность гидростатической смазки

8 Сущность эластогидродинамической смазки

Литература:

Воронкин Ю.Н. – 37 стр

Жиркин Ю.В. – 100 стр

Лекция 2
Общая характеристика

План лекции

1 Требования, предъявляемые к смазочным материалам.

2 Общая характеристика смазочных материалов.

3 Виды смазочных материалов по агрегатному состоянию.

4 ПСМ, ТСМ и газообразные смазочные материалы