Teorije podmazivanja

Trajnost i pouzdanost rada mašina i različitih mehanizama bitno zavise od pravilnog izbora i primene maziva. Loše odabrano mazivo ili njegova pogrešna primena je uzrok nenormalnom, ubrzanom trošenju površina koje su u kontaktu i pojava trajnih deformacija, odnosno oštećenja. Jedan od osnovnih kriterijuma izbora je specifičnost rada mehanizma: brzina i oblik kretanja, specifična opterećenja, temperatura itd. Uopšteno, može se reći, da se maziva ne biraju za mašine u celini, već posebno za različite sklopove jedne mašine. Tako na primer, kod pogonske grupe nekog motornog vozila motor se podmazuje motornim uljem, prenosni mehanizam transmisionim uljem, neke ležajeve mazivim mastima itd.

Budući da je habanje mašinskih elemenata posledica trenja, a trenje otpor relativnom kretanju, osnovna uloga maziva je da smanji taj otpor. Mazivo se može definisati kao materija koja smanjuje trenje, ali osim toga ispunjava i neke sasvim određene i strogo postavljene zahteve. Na primer, savremeno motorno ulje pre svega mora podmazivati površine, ali ujedno mora imati sposobnost hlađenja, zaštite od korozije, zaptivanja, čišćenja i pranja elemenata motora i mora biti oksidaciono i termički stabilno. Bez tih osobina ono ne bi moglo zadovoljiti složenim zahtevima savremenih motora.

U zavisnosti od debljine sloja maziva, njegovog međupovršinskog rasporeda, stepena geometrijske sličnosti spregnutih površina i radnih uslova elemenata mehaničkog sistema moguće je ostvariti različite vidove podmazivanja:

granično
hidrodinamičko
hidrostatičko
elastohidrodinamičko
mešovito podmazivanje

Granično podmazivanje

Granično podmazivanje nastaje kada sloj maziva nema dovoljnu debljinu da spreči kontakt površina čvrstih tela. Površine elemenata su u neposrednom dodiru i opterećenje se prenosi s jedne na drugu preko spregnutih neravnina..

Šematski prikaz graničnog podmazivanja

Mazivo se nalazi između kontaktnih površina u obliku monomolekularnog sloja (detalj „A”) koji putem fizičko-hemijskih veza reaguje sa metalnom površinom. Granično podmazivanje se analizira preko promena koeficijenata trenja. Vrednost koeficijenta trenja graničnog podmazivanja određena je koeficijentom trenja u graničnom sloju i koeficijentom trenja na mestima dodira čistih metala:

m = a_w m_m + (1 - a_w) m_g ......... (2.5)

gde je:

a_w – deo stvarne površine dodira metala

m_m – koeficijent trenja spregnutih površina metala

m_g – koeficijent trenja graničnog sloja

Kod slučaja graničnog podmazivanja najviše su izražena adhezivna i abrazivna habanja materijala, a u manjem obimu su prisutni tribohemijski procesi i habanje usled površinskog zamora materijala. U cilju smanjenja trenja i habanja u procesu graničnog podmazivanja potrebno je obezbediti pogodni površinski, odnosno granični sloj. Stvaranje graničnih slojeva moguće je postići: fizičkom adsorpcijom, hemijskom adsorpcijom, hemijskim reakcijama.

Fizička adsorpcija se javlja kada se aktivni molekuli iz maziva vezuju za površine. Polarni aditivi formiraju na površinama metala čvrst sloj koji ima sposobnost da se odupre prodiranju neravnina i na taj način sprečava dodir metal-metal. Ovaj vid stvaranja graničnih slojeva pogodan je za mala opterećenja, niže temperature i male brzine..

Kod hemijske adsorpcije aktivni molekuli maziva vezani su za metalne površine hemijskim vezama, kao na primer vezivanje masnih kiselina za metale i njegove okside, pri čemu nastaju metalni sapuni veoma dobrih triboloških svojstava. Ovi granični slojevi su pogodni za srednja opterećenja, srednje temperature i srednje brzine.

Hemijskom reakcijom između aktivnih molekula maziva (EP – aditiva) i metala stvaraju se nova hemijska jedinjenja na površinama. Ova maziva u svom sastavu sadrže hlor, fosfor i sumpor u obliku različitih jedinjenja. Deluju tako što, usled visokih temperatura, na površinama stvaraju slojeve hlorida, fosfida i sulfida koji štite površinu metala od visokih opterećenja i ekstremnih pritisaka.

Hidrodinamičko podmazivanje

Hidrodinamičko podmazivanje predstavlja način podmazivanja pri kome su površine koje se podmazuju razdvojene kontinualnim slojem maziva u toku kretanja, odnosno gde se trenje površinskih reljefa u potpunosti zamenjuje unutrašnjim trenjem čestica maziva. U toku mirovanja, pokretanja ili zaustavljanja površine se nalaze u direktnom kontaktu.

Elementi mehaničkih sistema kod kojih se ostvaruje hidrodinamičko podmazivanje odlikuju se sledećim tribološkim karakteristikama:

površine koje se podmazuju razdvojene su kontinualnim slojem maziva dovoljne debljine tako da ne dolazi do njihovog dodira, izuzev pri pokretanju i zaustavljanju,
opterećenje se prenosi s jedne na drugu površinu preko sloja maziva koji poseduje određenu moć nošenja nastalu kao rezultat relativnog kretanja površina,
otpor usled trenja u sistemu je određen veličinom unutrašnjeg trenja u mazivu.

Debljina uljnog sloja, kod hidrodinamičkog podmazivanja, mora biti veća od zbira visina površinskih reljefa kliznih površina.

Debljina sloja koja je jednaka zbiru visina površinskih reljefa površina naziva se kritičnom i ispod nje prestaju zakonitosti hidrodinamičkog podmazivanja.

Šematski prikaz hidrodinamičkog podmazivanja

Ovaj način podmazivanja ima najznačajniju primenu kod radijalnih i aksijalnih kliznih ležaja.

Hidrostatičko podmazivanje

Da bi se obezbedila kontinualna debljina sloja maziva između spregnutih površina, neophodan je pritisak u sloju maziva koji je veći od opterećenja koje deluje na površine. Ako se pritisak u sloju maziva održava pomoću posebnog uređaja – hidrostatičkog sistema, radi se o hidrostatičkom podmazivanju, slika 2.8. Koristi se tamo gde se moraju otkloniti nedostaci hidrodinamičkog podmazivanja, odnosno teškoće stvaranja hidrodinamičkih slojeva kod malih brzina ili brzine jednake nuli (pokretanje i zaustavljanje sistema).

Šematski prikaz hidrostatičkog podmazivanja

Za ovaj vid podmazivanja koristi se poseban tip kliznih ležajeva koji se nazivaju hidrostatičkim. To su ležajevi u kojima se moć nošenja uljnog sloja ostvaruje stalnim dodavanjem ulja pod pritiskom iz nekog uljnog rezervoara.

Ovakav način podmazivanja je zastupljen kod kliznih ležaja turbina, pumpi, mašina alatki, zatim kod kliznih vodjica itd.

Elastohidrodinamičko podmazivanje

Za hidrodinamičko podmazivanje je karakteristično da se opterećenje prenosi preko velike površine dodira. Međutim postoje mnogi elementi mašina (zupčanici, kotrljajni ležajevi, bregasti mehanizmi) kod kojih se teorijski dodir ostvaruje u tački ili po liniji. Stvarni dodir je po nekoj maloj ali konačnoj površini. Mala dodirna površina uzrokuje visoka specifična opterećenja, što izaziva elastične deformacije površinskih slojeva i promenu geometrije površine dodira. Za ove uslove važe Hercovi (Hertz) zakoni, na osnovu kojih se određuje veličina pritiska, kao i veličina dodirne površine.

Šematski prikaz elastohidrodinamičkog podmazivanja

U oblasti dodira visoko opterećenih spregnutih površina javlja se pritisak koji ima paraboličnu raspodelu. Izvan Hercove oblasti vladaju zakoni hidrodinamičkog podmazivanja. Na ulazu u Hercovu oblast pritisak u mazivu je manji od Hercovog pritiska, ali dovoljno visok da bi razdvojio površine. U samoj Hercovoj oblasti pritisak u sloju maziva prati raspodelu Hercovog pritiska.

Mešovito podmazivanje

Mešovito podmazivanje predstavlja prelazni oblik između potpunog i graničnog podmazivanja. Kada je debljina sloja maziva nedovoljna da potpuno razdvoji površine, javlja se mestimični direktni kontakt površina.

Ono je prisutno i u slučaju malih brzina kretanja mašinskih elemenata pri visokim opterećenjima.

Šematski prikaz mešovitog podmazivanja