Режимы смазывания

Работа узлов трения во многом зависит от характеристик смазочного материала и условий взаимодействия поверхностей. Исходя из этих параметров выделяют несколько основных режимов смазки: гидростатический, гидродинамический, контактно-гидродинамический и граничный.

Гидростатический режим

При гидростатическом смазывании (рис. ZSK.42.1) трущиеся поверхности на всём диапазоне допустимых скоростей и нагрузок разделяются устойчивым масляным слоем. Это обеспечивает долговечность деталей и стабильность работы узла. Для этого режима характерны высокие значения давления на входе в зазор (до 20 МПа) и интенсивный поток смазки через зону трения. Подобные системы применяются в высокоточных и нагруженных шпиндельных опорах, а также направляющих, где требуется максимальная жесткость и долговечность.

Рис. ZSK.42.1. Схема гидростатической смазки: рн – давление подачи; рк – давление в кармане

Гидродинамический режим

Гидродинамический режим (рис. ZSK.42.2) формируется в клиновидном зазоре между поверхностями при их относительном движении, когда смазка втягивается движущейся деталью в щель. Он реализуется при скоростях скольжения порядка 1–1,5 м/мин и выше. Возникающее в пленке давление удерживает поверхности от прямого контакта. Подобный режим характерен для подшипников скольжения, направляющих, червячных и аналогичных передач. Он уменьшает трение и повышает устойчивость движения, но жесткость масляного слоя и его несущая способность напрямую связаны с нагрузкой и скоростью скольжения.

Рис. ZSK.42.2. Схема гидродинамического режима: l – график распределения давления р по клиновидному зазору (hmin, hmax, lk)

Контактно-гидродинамический режим

Контактно-гидродинамическая смазка (рис. ZSK.42.3) возникает в механизмах с высокими удельными нагрузками: подшипниках качения, зубчатых и цепных зацеплениях, кулачковых парах. Под действием давления поверхности испытывают упругие деформации, увеличивающие площадь контакта В до 1 мм² и более. В тонком слое смазки (0,5–1 мкм) изменяются вязкостные свойства, и она начинает проявлять себя как упругое твердое тело, обладающее модулем упругости и коэффициентом Пуассона. Между нагрузкой и толщиной пленки устанавливается равновесие, которое обеспечивает минимальные условия для разделения поверхностей. Такой режим может реализовываться как в гидродинамических системах, так и при подаче смазки масляным туманом или импульсами.

Рис. ZSK.42.3. Схема контактно-гидродинамического смазывания

Граничное смазывание

Если толщина масляной пленки уменьшается до предельных величин — порядка десятых долей микрона и ниже, то возникает граничное смазывание. Здесь поведение смазочного слоя определяется уже не вязкостью, а силами взаимодействия молекул с поверхностью металла. Высокая активность атомов на границе контакта со свободными связями приводит к появлению молекулярного притяжения и формированию тонкой адсорбционной пленки. Молекулы смазки в ней ориентированы перпендикулярно к поверхности, формируя своеобразную «ворсистую» структуру: она легко деформируется в тангенциальном направлении и жестко сопротивляется сжатию в нормальном.

Такой слой способен к самовосстановлению, что препятствует схватыванию и задирам. В граничном режиме гидродинамических сил не возникает; равновесие между разрушением и образованием пленки поддерживается, в том числе, поверхностной обработкой деталей (например, азотированием). Большинство рабочих узлов машин – подшипники, зубчатые и направляющие передачи – функционируют именно в этом режиме.

Рис. ZSK.42.4. Схема граничного режима смазывания

Переходные и смешанные режимы

Переход от одного режима к другому протекает плавно и сопровождается образованием промежуточных зон. Одна из них – режим полужидкой смазки, при котором наблюдается смешанное трение.

В условиях смешанного трения, типичных для подшипников скольжения и направляющих, часть нагрузки воспринимается гидродинамическим давлением, но полного разделения поверхностей не происходит. Контакт происходит как через жидкостную пленку, так и через граничные участки, местами возможно непосредственное касание «металл по металлу». Доля сухого, граничного и жидкого трения сильно варьируется по площади контакта. Это отражается на коэффициенте трения покоя ft, который зависит от времени неподвижного контакта (рис. ZSK.42.5).

Рис. ZSK.42.5. Диаграмма зависимости коэффициента трения покоя от продолжительности неподвижного соприкосновения

При начале движения коэффициент трения резко падает, так как поверхности частично разделяются и в зазоре проявляются гидродинамические эффекты. С ростом скорости трение продолжает снижаться, однако скорость этого процесса зависит от конкретных условий смазки (рис. ZSK.42.6).

Рис. ZSK.42.6. График изменения коэффициента трения fv в зависимости от скорости скольжения

При достижении критической скорости Vкр формируется полноценный жидкостный режим: масляная пленка полностью изолирует контактирующие поверхности, а коэффициент трения достигает минимального значения fmin. Снижение трения происходит благодаря усилению подъемного действия смазочного слоя. При этом предельная скорость скольжения определяется не одним параметром, а их совокупностью: используемыми материалами и формой направляющих, качеством обработки и шероховатостью поверхностей, конфигурацией смазочных карманов, вязкостью и давлением масла, а также режимами работы узла.