СМЕШАННАЯ СМАЗКА (ПОЛУЖИДКОСТНАЯ)

Смешанная (полужидкостная) смазка - режим смазочного действия, при котором существуют частично гидродинамическая или эластогидродинамическая, частично граничная смазка. Как видно из диаграммы Герси-Штрибека, область смешанной смазки лежит между областями граничной и гидродинамической.

Смешанная смазка может быть рабочим режимом узла трения, но чаще всего возникает в узлах трения, предназначенных для работы в условиях гидродинамической смазки, вследствие нарушения условий ее образования.

Одним из свидетельств существования такого режима является приведенный на рис.1 разрыв смазочного слоя на некотором угле поворота вала, возникающий в шатунном подшипнике двигателя внутреннего сгорания. Более детальный анализ зоны контакта свидетельствует о периодических контактах - разрывах смазочного слоя, т.е. о существовании режима смешанной смазки. Это один из наиболее распространенных режимов смазки; он имеет место (периодически или постоянно) практически в любом узле трения. Иначе говоря, полужидкостный режим может быть как рабочим режимом эксплуатации узла трения, так и при перегрузках (не столь значительных, чтобы перейти сразу к граничной смазке), при смене направления движения тела, а также когда соотношение между геометрией контакта, нагрузкой на узел трения, скоростью течения жидкости в зазоре контактирующих тел и вязкостью смазочного материала неблагоприятны для реализации гидродинамической смазки или когда заключенный между контактирующими поверхностями объем смазочного материала недостаточен для полного разделения трущихся поверхностей.

Рис.1. Разрыв смазочного слоя в шатунном подшипнике двигателя внутреннего сгорания: а – осциллограмма изменения толщины смазочного слоя с зоной разрыва α_см, полученная с помощью емкостного датчика, установленного в шатунную шейку коленчатого вала; б – зона разрыва α_см смазочного слоя в шатунном подшипнике двигателя, полученная сравнением критической толщины h_кр слоя с расчетной h_min.

Режим смешанной смазки имеет место в небольшой зоне АВ (рис.2), в которой расчетная толщина смазочного слоя меньше критической. В остальной зоне ВСА будет реализовываться режим гидродинамической смазки со специфическими граничными условиями окончания смазочного слоя, которые можно представить в виде фильтрации жидкости через поры. Общая несущая способность такого подшипника складывается из гидродинамической составляющей P_гд вне зоны смешанной смазки и реакцией зоны смешанной смазки Р_см. Режим смазки, характеризующий в целом эти процессы, можно назвать комбинированной смазкой, при которой в подшипнике существует одновременно и гидродинамическая, и смешанная смазка, дающие результирующую несущую способность Р_Σ.

Рис.2. Схема подшипника, работающего в режиме комбинированной смазки (а) и изменение реакции Р подшипника в зависимости от относительного эксцентриситета ε (б): 1 – в идеальном гидростатическом подшипнике; 2 - при комбинированной смазке.

Зона смешанной смазки состоит из участков контактирования неровностей (рис.3), на которых реализуется граничная смазка 2, и участков, на которых имеет место специфическая гидродинамическая (эластогидродинамическая) смазка на впадинах микронеровностей 1, образующих микроклинья, существование которых необходимо для реализации гидродинамического (микрогидродинамического) эффекта. Протекающие при этом процессы достаточно сложны и для их описания используют различные модели. Во всех моделях нагрузочная способность и трение, воспринимаемые зоной смешанной смазки, состоят из двух составляющих - граничной и микрогидродинамической:

P_см = P_гр + P_гд;

F_см = F_гр + F_гд.

Рис.3. Схема образования неровностями пар трения микрогидродинамического клина.  V_ск – скорость относительного перемещения; 1 – масляный микроклин (впадина микронеровности); 2 – зона граничной смазки.

Зная эти составляющие, на основании известных соотношений определяются температурные характеристики изнашивания.

Способы разделения граничной и микрогидродинамической составляющих можно разделить на следующие группы:

1. использующие теорию подобия и размерностей и методы физического моделирования как для определения микрогидродинамических составляющих граничной смазки, так и для определения характеристик изнашивания;
2. решающие макрогидродинамическую задачу теории смазки, например, с использованием задачи о движении смазочного материала, вязкость которого зависит от температуры и давления в пористой среде, имитирующей процессы между шероховатыми поверхностями. Основой для математической формулировки этой задачи являются закон Дарси движения жидкости в пористой среде, уравнение сплошности и уравнение фильтрации. При необходимости решения неизотермических задач к этим уравнениям добавляются уравнения переноса теплоты;
3. находящие гидродинамическую составляющую исходя из уравнения Рейнольдса с учетом деформируемых шероховатых поверхностей.

Составляющие нагрузки, воспринимаемой контактирующими микронеровностями, определяются с помощью методов, применяемых для решения контактных задач. Трение на этих микронеровностях исследуется с помощью закономерностей граничной смазки.

Толщину h_см смазочного слоя при полужидкостной смазке, согласно Ю.Н. Дроздову, можно рассчитать по формуле:

h_см = h_эг + h_гр,

где h_эг – толщина эластогидродинамического слоя; h_гр – толщина граничного слоя. Как отмечает Ю.Н. Дроздов, последняя в первом приближении может быть принята как постоянная и приблизительно равная 0,1 мкм.

Литература

1. А. В. Чичинадзе, Э. Д. Браун, Н. А. Буше и др.; Под общ. ред. А. В. Чичинадзе. / Основы трибологии (трение, износ, смазка).  2-е изд. переработ, и доп. - М.: Машиностроение, 2001.
2. Доценко А.И., Буяновский И.А. / Основы триботехники. Учебник. - М.: Инфра-М, 2014.