Вязкость смазки и режимы смазки

Рассмотрим наиболее простой случай внутреннего трения жидкости

Пусть две параллельные пластины разделены слоем жидкости (рис. 1), и верхняя пластина В равномерно движется со скоростью ν_B = ν_o относительно неподвижной нижней пластины A (ν_A – 0).

Рис. 1. Ламинарное течение жидкости между подвижной В и неподвижной А пластинами

Чтобы исследовать поведение жидкости, расположенной между двумя пластинами, Ньютон предложил мысленно разбить ее на тончайшие слои, причем слои, прилегающие к пластинам, прилипают к ним: слой, ближайший к пластине А, неподвижен, а слой, граничащий с пластиной В, увлекается ею, имея скорость ν_o.

При ламинарном течении, когда все слои движутся параллельно друг другу, естественно предположить, следуя Ньютону, что скорость слоев ν изменяется линейно снизу вверх от 0 до ν_o, т. е. градиент скорости равен

где h — зазор между пластинами.
Различие в скоростях рассматриваемых слоев обусловлено трением между ними, которое и называется внутренним трением.

Пусть τ = F/S — напряжение сдвига, действующее на пластины, где F — постоянная тангенциальная сила, которая перемещает пластину В относительно A, a S — площадь пластин (или сдвигаемых слоев). Это напряжение сдвига (или удельная сила трения) передается от слоя к слою за счет внутреннего трения между ними и, более того, пропорционально градиенту скорости, как предположил Ньютон, и эксперименты это подтвердили:

Здесь η — коэффициент пропорциональности, называемый вязкостью или коэффициентом вязкости.

Легко убедиться, что в последнем уравнении d_ν/d_z представляет собой скорость деформации (сдвига) жидкости, которая определяется как изменение прямого угла элемента жидкости. Действительно, точка Р, находящаяся в некотором элементе жидкости, за время dt сместится на расстояние PC: тогда прямой угол РОА изменится на dγ. Отсюда следует dγ/dt=ν_o/h. Теперь то уравнение можно переписать в виде

Это простейшая форма закона Ньютона для вязкой жидкости при ее ламинарном течении. Тем не менее, эта простая модель позволяет понять физический смысл вязкости, определяемой уравнениями, как меры сопротивления жидкости сдвиговому течению. Из первого уравнения следует, что

и вязкость можно трактовать как тангенциальную силу, приложенную к единице поверхности сдвигаемого слоя, чтобы сохранить его ламинарное течение с единичным градиентом скорости, нормальным направлению течения.

Определенная таким образом вязкость часто называется динамической вязкостью и имеет размерность масса х длина^-1 х время ^-1.

Именно эта вязкость часто используется при расчете подшипников. В системе СИ размерность динамической вязкости – Н⋅с/м² или Па⋅с. Эта единица вязкости не имеет особого наименования, в отличие от СГС единицы пуаз (Пз), названной в честь французского ученого Пуазейля, занимавшегося исследованием течения крови в капиллярах.

Один пуаз определяется как вязкость такой жидкости, в которой на каждый квадратный сантиметр текущего слоя действует сила трения, равная 1 дине при градиенте скорости 1 см/с на см. Видно, что 1 Па⋅с = 10 Пз (или 1 Пз = 0,1 Па⋅с). Обычно используется сантипуаз (1 сПз = 10^-3 Па⋅с); такую вязкость имеет вода при комнатной температуре. Динамическая вязкость распространенных смазочных масел находится в диапазоне от 2 до 400 сПз.

Производители и пользователи часто отдают предпочтение кинематической вязкости ν, которая определяется как отношение динамической вязкости η к плотности смазки ρ (ν = π/ρ).

В системе СИ кинематическая вязкость, как и температуропроводность, имеет размерность м²/с и не носит особого наименования, тогда как в СГС системе она измеряется в стоксах (1 Ст = 1 см²/с) в честь известного английского ученого-механика Стокса. Кинематическая вязкость воды при комнатной температуре примерно равна 1 сСт.

Трение смазанных поверхностей

Смазка трущихся поверхностей существенно изменяет механизм трения, а степень этого изменения зависит от вязкости и толщины слоя смазки, а также условий работы узла трения.

В качестве примера рассмотрим, как функционирует смазанный подшипник скольжения, точнее говоря, как изменяется коэффициент трения в зависимости от безразмерного параметра πν/ρ (число Герси), где ν – скорость вращения вала, ρ – погонная нагрузка на подшипник (рис.2).

Рис. 2. Кривая Герси-Штрибека, описывающая зависимость коэффициента трения f от безразмерного параметра πν/ρ

Пусть смазка обильная, т.е. она полностью разделяет сопряженные поверхности и препятствует их непосредственному контакту.

Для более строгого определения этого условия часто используют параметр Λ, который показывает, во сколько раз толщина слоя смазки h должна превышать эффективную шероховатость контактирующих поверхностей,

В данном случае достаточно считать, что, как показывают исследования, Λ > 3. 

При своем вращении вал вовлекает смазку в зазор.

Напомним, что ближайший к поверхности вала тонкий слой просто прилипает к валу и движется вместе с ним, а остальные перемещаются за счет внутреннего трения. Поскольку всегда оси вала и подшипника расположены эксцентрично, то зазор сужается в сторону вращения вала, и смазка, являясь несжимаемой жидкостью и увлекаясь в самое узкое место зазора, создает противодавление (гидродинамическое давление), которое стремится раздвинуть вал и подшипник.

Возникает эффект «масляного» клина, что является характерной чертой описываемого режима трения, названного гидродинамическим, основы которого были заложены Петровым.

Описанное выше поведение смазки в зазоре подшипника, по существу, представляет механизм гидродинамического трения, который, в отличие от трения несмазанных поверхностей, сводится к внутреннему трению смазки. Этим и объясняются очень низкие значения коэффициента гидродинамического трения вплоть до 0,001.

Здесь же уместно отметить, что более корректно говорить не о гидродинамическом трении, а о трении в условиях гидродинамической смазки, или просто о гидродинамической смазке.

Теперь обратимся к рис. 2, который называется диаграммой трения или кривой Герси-Штрибека.

Происхождение минимума в точке В и пологой «гидродинамической» ветви фактически следует из приведенного выше описания механизма смазки и нескольких дополнительных пояснений. Справа от точки В коэффициент трения может возрастать с ростом вязкости (увеличиваются потери на внутреннее трение), с увеличением скорости вала (увеличивается градиент давления и, следовательно, реакция смазки на вал, вызывая увеличение зазора), с понижением нагрузки на вал (опять же увеличение зазора) или за счет совместного изменения этих параметров, приводящих к росту, согласно критерию πν/ρ.

В этой области сопряженные поверхности полностью разделены смазкой, и износ практически не наблюдается.

Левая, более крутая ветвь, описывает трение в условиях, при которых толщина смазочной пленки уменьшается за счет соответствующего изменения рассматриваемых параметров, например увеличения нагрузки. Вблизи точки В, когда толщина смазки составляет 0,1-10 мкм, но, тем не менее, обеспечивает разделение трущихся поверхностей сплошной пленкой, уже нельзя пренебрегать деформацией контактирующих тел. Кроме того, повышенные давления вызывают рост вязкости смазки, увеличивая ее способность нести нагрузку.

Эти два обстоятельства существенно изменяют картину контакта. Из-за деформации сопряженных тел площадь контакта возрастает и происходит перераспределение нагрузки, что в совокупности с возросшей вязкостью способствует повышению нагрузочной способности узла трения. Поскольку последняя определяется двумя факторами, упругим и гидродинамическим, то такой режим смазки называется эластогидродинамическим.

Основы теории гидродинамической смазки были заложены Эртелем и Грубиным.

Дальнейшее уменьшение толщины пленки (1 < Λ < 3) приводит к тому, что она уже не в состоянии полностью разделить контактирующие поверхности. Реализуется режим смешанной (полужидкостной) смазки, когда гидродинамический эффект (масляный клин) проявляется лишь на отдельных участках контакта, а на остальных его частях может происходить металлический контакт неровностей.

Наиболее часто, поверхности разделены очень тонкой пленкой (< 0,1 мкм), вязкость которой перестает быть решающим фактором в процессах трения, и на первый план выступают другие характеристики. Считается, что такой режим, названный граничной смазкой, проявляется наиболее полно при Λ < 1.

Граничная смазка

Термин «граничная смазка» был введен в научный обиход известным английским исследователем Харди (1864-1934), который заложил основы этого важного раздела трибологии. Становление этого направления во многом обязано фундаментальным работам Дерягина, Ахматова, Виноградова и Матвеевского. Дело в том, что чаще всего приходится сталкиваться именно с трением при граничной смазке, поскольку металлы, как правило, покрыты абсорбированной пленкой.

Даже в условиях гидродинамической смазки узлы трения при пуске и останове некоторое время работают в режиме граничной смазки.

Основными механизмами формирования граничных слоев являются адсорбция (физическая и химическая) и химические реакции. Не все смазки способны образовывать эффективный граничный слой на поверхности трения.

Например, чистые минеральные масла мало пригодны для этого. Поэтому в их состав добавляют небольшое количество активных органических веществ, которые значительно улучшают способность масла формировать граничный слой.

Прочность сцепления граничного слоя с металлом определяется электронной структурой адсорбированных молекул. Так, полярные молекулы (т. е. молекулы с активными концевыми группами) и молекулы, способные химически взаимодействовать с металлической поверхностью, наиболее прочно связаны с ней. Адсорбированные молекулы располагаются перпендикулярно поверхности и образуют пленку, структура которой подобна ворсу ковра. Граничные слои могут быть образованы и из твердых смазок, например графита, методом натирания.

Граничные слои выполняют при трении несколько важных функций. В первую очередь они предотвращают непосредственный контакт неровностей и, экранируя поверхностные поля трущихся тел, значительно снижают их адгезию.

В силу своего специфического строения они обладают анизотропией механических свойств и низкой сдвиговой прочностью в сочетании с большим сопротивлением нормальному сжатию. Нагрузочная способность граничной пленки может достигать нескольких ГПа.

Все это позволяет представить упрощенную картину трения при граничной смазке. Тонкая граничная пленка, покрывающая шероховатые поверхности, повторяет их рельеф. Поэтому они контактируют через смазку, но по отдельным пятнам.

Малая толщина смазочного слоя не может препятствовать упругой и пластической деформации контактирующих тел, но, что самое главное, сдвиговые деформации локализуются внутри пленки, которая, как отмечалось выше, обладает малым сопротивлением на сдвиг, что и приводит к снижению трения. Еще Харди заметил, что коэффициент трения стекла по стеклу (f = 1) снижается примерно до 0,1, если их трущиеся поверхности покрыть тонким слоем стеариновой кислоты.

Кроме того, при значительной пластической деформации и повышенной температуре смазочная пленка может разрушаться на пятнах контакта. В результате адгезия контактирующих тел возрастает, и сопротивление скольжению и износ увеличиваются. А то обстоятельство, что граничная пленка не в состоянии предотвратить деформацию трущихся тел, делает неизбежным их износ. Неудачно же подобранная смазка может вызвать даже коррозию металлов.