Трибология

Физико-механические явления в смазываемом контакте

Контактная гидродинамика, основы которой излагаются в данной монографии, отличается от классической гидродинамической теории смазки тем, что учитывает нормальные и касательные перемещения поверхностей упругих тел произвольной формы, вязкоупругие и тепловые явления в жидкости и в телах, сильную зависимость вязкости жидкости от давления и температуры, условия ограниченной смазки. Именно учет этих факторов позволяет с достоверностью определить основные характеристики контакта – толщину смазочной пленки , напряжения трения, температуру и ввести их в расчет технических УГД систем, в то время как классическая теория смазки дает ошибки на один или несколько порядков. На основании расчета могут быть даны рекомендации по выбору материалов и геометрии деталей машин и приборов, вида и способа смазки, обработки поверхностей, условий охлаждения и монтажа, режима смазки. Расчетные формулы и алгоритмы контактной гидродинамики могут служить основой для машинного проектирования подвижных соединений. Как правило, смазываемый контакт работает в экстремальных условиях. Давление достигает значений , скорость сдвига имеет порядок , температура достигает и выше, а градиент температуры достигает значений   . Время прохождения частицы смазки через область контакта обычно мало . Все это создает трудности для построения теории и постановки эксперимента. По-видимому, ни на одной экспериментальной установке, кроме установок, воспроизводящих непосредственные условия работы контакта качения-скольжения, нельзя обеспечить все характерные для контакта значения механических и термодинамических параметров. Поэтому математическое моделирование УГД процессов, аналитическое и численное исследование моделей и сравнение результатов с экспериментом являются наиболее действенным и фундаментальным подходом к решению задач контактной гидродинамики. В УГД контакте качения-скольжения смазка движется вместе с поверхностями тел и втягивается в зазор между ними. Большое контактное давление деформирует тела, увеличивает область зазора и в стационарном случае делает ее почти плоскопараллельной. При возрастании давления от атмосферного до максимального контактного вязкость смазки возрастает на несколько порядков. Вблизи границы УГД контакта зазор уменьшается, и высоковязкая смазка встречает большое сопротивление при вытекании из узкой щели, почти закрытой со всех сторон, кроме той, откуда смазка поступает. В результате в области контакта образуется пленка значительной для смазки толщины . Форма зазора, распределение давления и толщина пленки могут быть определены экспериментально, в результате численного решения УГД уравнений или приближенными методами. Толщина пленки, полученная любым из этих способов, примерно на порядок превосходит толщину, рассчитанную по обычной гидродинамической теории смазки для жестких тел и жидкости постоянной вязкости. Скольжение и значительные градиенты давления в контакте приводят к большим скоростям сдвига в смазке. Тепловыделение от сдвига повышает температуру смазки на десятки градусов и увеличивает температуру тел вблизи контакта. Поле температур в области контакта может быть найдено в результате совместного решения уравнений движения и энергии в смазке и уравнений теплопроводности в телах. Большие скорости сдвига, высокие давления и малые времена процесса приводят к сложному поведению смазки, в частности к вязкоупругим эффектам. Совместный учет тепловых процессов и сложного реологического поведения смазки необходим для оценки и хотя бы приближенного расчета напряжений и температуры в контакте. Классическая теория смазки, не учитывающая указанных факторов, и решение УГД задач для ньютоновских жидкостей приводят к напряжениям трения, более чем на порядок отличающимся от экспериментальных.

Области применения теории и пределы ее применимости

Контактная гидродинамика (УГД теория смазки) может применяться при расчете и проектировании, а также при анализе повреждений тех машин и приборов, в которых имеются подвижные смазываемые контакты с большим контактным давлением. Практически это относится почти ко всем областям техники. Материалы контактирующих тел – сталь и другие металлы, полимеры. Смазки также различные – обычные технические масла на основе минеральных и синтетических масел, вода, жидкие металлы, расплав стекла и т.д.

Наиболее широкой областью применения УГД теории смазки являются подшипники качения и зубчатые передачи. Расчет подшипника качения включает в себя определение его динамики и кинематики, толщины пленки в контактах, углов контакта, жесткости, момента сопротивления вращению, сил взаимодействия сепаратора с телами качения и ряда других характеристик. Это сложная задача об определении движения многих тел в двухфазной среде. Она не может быть решена традиционными методами без применения УГД теории.

УГД расчет зубчатых передач должен дать толщину пленки и напряжения трения в контакте зубьев, поле температур в зоне контакта и привести к оценке долговечности и обоснованному критерию заедания.

Тяжелонагруженные опоры скольжения также нецелесообразно рассчитывать на основе классической теории смазки. Необходим учет деформаций поверхностей и зависимости вязкости смазки от давления.

При обработке материалов давлением, как правило, применяются технологические смазки. Вид смазки и способ ее подачи существенно влияют на качество изделий. Расчет режима – задача упругопластогидродинамической теории, которая развивается на основе УГД теории.

Интересны применения УГД теории в биомеханике (суставы, движение тел, например эритроцитов, в жидкой среде по упругим каналам).

Среди других применений – уплотнения, фрикционные передачи, упорные гребни зубчатых колес, подвижные шлицевые соединения, направляющие различных типов, торцевые контакты роликов [].

Из приведенного разнообразия областей применения контактной гидродинамики следует, что ее расчеты и рекомендации имеют общетехнический характер. Универсальный расчет толщины пленки относится к любому подвижному смазанному контакту, независимо от машины и узла, в котором он имеется.

Основой для расчетов служит единый математический аппарат. Уравнения описывают движение тонкого слоя жидкости, контактные деформации и поле температур в зоне контакта.