4.2.2. Трение с граничной смазкой

“ Нигде нет полного совершенства”,

- сказал Лис.

А. де Сент-Экзюпери

Граничное трение наблюдается в тех случаях, когда весьма тонкий слой смазки (третьего тела или третьей фазы), по своим свойствам отличающейся от ее объемных свойств, разделяет контактирующие поверхности.

Это наиболее распространенный вид трения в большинстве общемашиностроительных узлов. На несмазанных поверхностях граничной смазкой служит слой окислов, адсорбированных газов и естественной грязи, а в узлах, работающих на гидродинамической смазке, граничное трение наступает при пусках и выбегах.

На приработочном начальном этапе контактирования в режиме гранич-ной смазки между соприкасающимися поверхностями тел формируется объединенная молекулярная структура смазочного слоя. Полярные молекулы поверхностно активных веществ (ПАВ) смазки или неполярные, с наведенным твердотельным полем диполем, адсорбируются на поверхности контактиру-ющих тел. При этом молекулы поворачиваются к поверхности твердого тела своей активной частью: полярной группой (гидроксил, карбоксил), атомами щелочных металлов, серы, фосфора, галогенов и т.п. Активные центры молекул ПАВ способствуют хорошей смачиваемости контактных поверхностей - первому этапу адсорбции. Параллельно идут процессы сглаживания микрогеометрии контактных поверхностей.

Кроме экранирования, разделения трущихся поверхностей, смазочная среда, участвуя в тепловом балансе пары трения, снижает теплонапряжённость контактной зоны благодаря теплоотводу и более полному распределению тепла по всему узлу трения.

Одновременно, смазка оказывает пластифицирующее действие на поверхность твердого тела, проявляющееся в снижении усилий деформирования и микрорезания (эффект Ребиндера). На этапе приработки этот эффект играет положительную роль, так как ускоряет ее.

Следовательно, тонкие слои смазки, изменяя свои свойства под влиянием поля твердого тела, в свою очередь, изменяют свойства его поверхности. Таким образом, смазка в узле трения оказывает смазочное, охлаждающее и пластифицирующее действие.

В стационарном режиме (при стабильных P, V, T) система граничного трения переходит к динамически устойчивому состоянию. Пленка смазки разрушается на отдельных участках контакта (пики давлений на вершинах микронеровностей); шероховатость сглаживается, контактные напряжения уменьшаются и пленка восстанавливается.

Рис.43. Схема строения граничного слоя

Граничные слои (масляная пленка) - это слои, возникающие в результате адсорбции полярных молекул углеводородов на поверхности твердых тел под воздействием поля твердой фазы (Рис. 43).

Эти слои могут иметь самое различное строение: от твердого кристал-лического до жидкого, включая промежуточные жидкокристаллические структуры. Основными типами структур граничных слоев являются слоистые (ламелярные) и решетчатые (ретикулярные) структуры.

Граничные слои формируются на поверхности реальных поликристал-лических тел. Действие поля этих тел прямо или косвенно распространяется на молекулы адсорбированного слоя, находящиеся на расстояниях 10…100 нм от твердой поверхности. Характерной особенностью граничных адсорбированных слоев является различие в структуре и свойствах (упругости) по толщине этих мультимолекулярных структур, это объясняется падением напряжений поля твердой фазы.

Установлено, что граничные слои являются поликристаллическими телами и по мере удаления от образующей их поверхности структура этих слоев постепенно переходит в монокристаллическую с едиными параллель-ными твердой поверхности плоскостями спайности (Рис. 43).

Таким образом, адсорбционное заполнение граничного пространства способствует постепенному сглаживанию поверхности поликристаллических элементов граничного слоя.

На свойства и работу граничных смазочных слоев большое влияние оказывает температура, развивающаяся в процессе трения. Часто весь узел трения работает в высокотемпературной среде.

Следует отметить, что все технические масла и консистентные смазки резко снижают вязкость с ростом температуры. Кроме того, повышение температуры приводит к сдвигу динамического равновесия при образовании граничных смазочных слоев в сторону десорбции, т.е. слой смазки перестает разделять трущиеся поверхности. Поэтому важно знать температурные пределы работоспособности граничных смазочных слоев.

Минимальная температура, при которой для данного сочетания смазочной среды и материалов трущихся поверхностей происходит разрушение граничных структур, называется критической температурой граничного смазочного слоя. Ее величина определяется согласно ГОСТу экспериментально методом температурной стойкости смазочного масла на машинах трения (чаще всего четырехшариковых). Критерием температурного разрушения граничных слоев является резкий рост коэффициента трения и износа (Рис. 44).

Рис.44. Определение критической температуры

Основной особенностью граничного трения является формирование граничных экранирующих слоев смазки. Чем толще такой слой, тем он устойчивее и медленнее разрушается на пиках давлений. Последнее обстоятельство способствует сохранению коэффициента трения на низком уровне. В 3,5 раза дольше сопротивляется износу слой смазки в 0,1 мкм по сравнению со слоем в 0,01 мкм (Рис. 45, а).

Толщина граничных смазочных слоев (Рис.45,б) влияет на их способ-ность нивелировать шероховатость контактирующих поверхностей. Левая ветвь кривой 2 падает пропорционально , а правая - растет с ростом деформационной составляющей.

Существенное влияние на процесс граничного трения оказывает нагрузка. Рост нормальных контактных напряжений способствует увеличению коэффициента трения. Причем, этот процесс зависит от свойств применяемого смазочного материала (Рис. 45, в).

Рост скорости скольжения также вызывает увеличение коэффициента трения (рис. 45, г). Это экспериментально показано на паре сталь - бронза при смазке олеиновой кислотой. Увеличение сил трения вызвано ростом вязкостных характеристик смазочных слоев. Поэтому несмазанный подшипник качения зачастую обладает более низким моментом трения, чем смазанный. Это связано с вязкостным сопротивлением смазки движению.

Рис.45. Влияние на коэффициент трения при граничной смазке а-толщины смазочного слоя (1-0,01мкм, 2-0,1мкм), б-микрогеометрии (слой смазки 1-2мкм, 2-2·10^-3мкм), в-контактных нормальных напряжений (при смазке маслом 1-часовым, 2-вазелиновым), г-скорости скольжения (сталь-бронза с олеиновой кислотой)

В заключительный период катастрофического износа, в результате накопления разрушений граничного слоя и контактирующих поверхностей, становятся ощутимыми необратимые процессы (например, возникают вибрации из-за роста зазора) и износ резко возрастает.