P roblem s o f T ribology

62
Структурно - термодинамические подходы в механизмах граничного смазывания
СТРУКТУРНО - ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИЕ
ПОДХОДЫ В МЕХАНИЗМАХ
ГРАНИЧНОГО СМАЗЫВАНИЯ
Дыха А.В.
Хмельницкий национальный университет,
г. Хмельницкий, Украина
В настоящее время все большего развития получают кинетические и термодинамические методы
оценки смазочного действия масел [1 - 3]. Эти методы базируются на анализе механизмов смазочного
действия, образования и разрушения граничных смазочных слоев при трении. При трении в режиме граничной смазки способность смазки уменьшать трение и изнашивание определяется образованием на
рабочих поверхностях прочных граничных слоев адсорбционного или химического происхождения со
сниженным сопротивлением сдвигу по сравнению с основным материалом. Граничный слой или граничная пленка снижает силу трения по сравнению с трением без смазочного материала в разы, а изнашивание сопряженных деталей – в десятки раз.
Практически все масла способны адсорбироваться на металлических поверхностях. Поверхностно-активные вещества присутствуют как в минеральных маслах, так и в смазочных материалах
растительно-животного происхождения. В связи с этим практически все смазочные материалы образуют на металлических поверхностях предельную квазикристаллическую фазу с прочными связями с
поверхностью и между молекулами в самом смазочном слое. Молекулы смазочного материала ориентируются перпендикулярно к твердой поверхности, в тангенциальном направлении молекулярные слои
легко выгибаются и скользят друг по другу. На площадках фактического контакта может произойти
взаимное внедрение поверхностей без нарушения целостности смазочной пленки.
Сопротивление перемещению при скольжении состоит из сопротивления сдвига граничного
слоя и сопротивления на срез внедренными объемами. Кроме того, при высоких местных нагрузках и
температурах на отдельных участках может произойти разрушение смазочного слоя и, как следствие,
адгезия и даже сцепление основных материалов. В результате большой подвижности молекул смазки и
большой скорости процесса адсорбции поврежденные участки быстро восстанавливаются, предотвращая развитие процесса схватывания. Эффективность смазочного действия, кроме адсорбции, зависит от
химического взаимодействия основного и смазочного материалов. Жирные кислоты, вступая во взаимодействие с металлом, образуют химические пленки, которые способны выдерживать без разрушения
значительные деформации. Для повышения химической активности в масло вводят химически активные присадки, которые в условиях высоких температур разлагаются, образуя на поверхности металла
защитные пленки, что, в свою очередь, снижает сопротивление трению и последующее повышение
температуры.
При жестких режимах эксплуатации (больших нагрузках, малых скоростях), характерных для
большинства современных узлов трения, контактные нагрузки разрушают полимолекулярный слой смазочного материала. Тонкие смазочные пленки не могут предотвратить механическое взаимодействие поверхностей в пределах контурных площадок контакта и отдельных пятен контакта, что приводит к их изнашиванию.
Следовательно, работоспособность узла трения при граничной смазке определяется соотношением двух процессов: образования и разрушения граничного слоя. Соотношения между скоростями этих
процессов характеризуют тот или другой этап процесса трения при граничной смазке.
Характерная зависимость коэффициента трения от температуры при граничном смазывании показана на рис. 1.
f
fг
1
1
Tкр1
2
2
Tхм
Tкp 2
Рис.1 − Зависимость коэффициента трения от температуры при ганичном смазывании
На первом участке разделение поверхностей трения обеспечивается адсорбционным слоем. При
этом коэффициент трения имеет небольшие значения (до 0,1) и происходит умеренное адгезионное изПроблеми трибології (Problems of Tribology) 2006, № 3
63
Структурно - термодинамические подходы в механизмах граничного смазывания
нашивание. При температуре Т кр1 происходит термическое разрушение граничного смазочного слоя с
интенсивным адгезионным изнашиванием в результате десорбционных процессов и дезориентации граничного слоя. Последующий рост температуры приводит к скачкообразному росту коэффициента трения
и схватыванию поверхностей. При наличии в масле химически-активных веществ, в результате фрикционного повышения температуры молекулы этих соединений разлагаются, а активные компоненты вступают в химические реакции с металлом поверхностей трения, образуя модифицированные слои со сниженным сопротивлением сдвигу. Разделяя поверхности трения, модифицированные слои предотвращают
металлический контакт и этим самым предотвращают адгезионное изнашивание и заедание. При температуре химической модификации Tхм достигается равновесие между процессами образования и разрушения модифицированных слоев. При этом в достаточно широком диапазоне температур устанавливается низкий коэффициент трения. При температуре Têð 2 скорость разрушения модифицированных слоев
становится больше скорости их образования, что приводит к металлическому контакту и заеданию поверхностей.
Таким образом критерием начала нового этапа является достижение соответствующей переходной температуры.
Температурно-кинетический метод позволяет определять значения переходных температур
[6, 8].
Первая критическая температура. При относительно невысоких температурах смазочное действие обеспечивается за счет граничных слоев, образованных поверхностно-активными молекулами
смазочного материала и присадок к ним. Уравнение для определения Têp1 имеет вид:
E x  
,
 b1 
R ln  n m 
c V H 
Têð1 
где
(1)
E x − энергия активации образования связей между поверхностями;
 − разность химических потенциалов поверхностно-активного вещества (ПАВ) смазочно-
го материала в адсорбированном состоянии и в объеме среды;
R  8,314 Дж/(моль∙К), универсальная газовая постоянная;
b1 , n, m − константы трибосистемы;
c − концентрация ПАВ в смазочном материале;
 − номинальное контактное давление;
V − относительная скорость скольжения;
H − твердость более мягкого компонента трибосистемы.
Наибольшее влияние на величину Têð1 имеет значение ( E x  ) , которое может быть определено экспериментально по методике приведенной в [6].
Температура химической модификации. Температура при которой наступает равновесие в процессах образования и разрушения химически модифицированных пленок определеяется из следующего
уравнения [6]:
Tõì 
Ep
b cn 
R ln  2 m 
V 
,
(2)
где E p − энергия активации процесса химического модифицирования.
Как и в предыдущем случае энергия активации процесса химического модифицирования может
быть определена по экспериментальным данным зависимости коэффициента трения от температуры.
Вторая критическая температура. Дальнейший нагрев приводит к нарушению равновесия
между процесом образования и разрушения пленок в сторону разрушения. При этом начинается интенсивное адгезионное изнашивание со схватыванием и выходом из строя поверхностей. Температура при
которой реализуется этот переход определяется по уравнению [6]:
Têð 2 
Ex  E p
 Vm  
R ln b2 n

 c Ht 
.
Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2006, № 3
(3)
64
Структурно - термодинамические подходы в механизмах граничного смазывания
В этом уравнении необходимо учитывать уменьшение твердости с увеличением температуры.
Представленные уравнения переходных температур в последующем могут быть использованы
при построении математической структурно-термодинамической модели процесса граничного смазывания трущихся поверхностей.
Из устоявшихся уже положений [1 - 3] практическая любая трибосистема обладает свойствами
для саморегулирования процессов, происходящих в ней, образования самоорганизующихся диссипативных структур. Возможность образования самоорганизующихся структур в природе теоретически обосновано [4, 5] и имеет важное значение для технических приложения. Трибологическая система, как правило, явлется термодинамически открытой, то есть обменивается энергией и веществом со средой. Процессы образования и разрушения адсорбированных и химически модифицированных пленок при граничном
смазывании, очевидно, также следует рассматривать как самоорганизующиеся процессы в термодинамической системе трения. При этом, как было указано выше, уравнения, использующиеся для описания
процессов, происходящих в трибосистеме с граничным смазыванием, носят нелинейный характер. Качественные переходы на новые устойчивые уровни происходят при отклонении от равновесия критических
параметров системы с последующей самоорганизацией на новом уровне. Попытки представления общих
структурно-динамические принципов при граничном смазывании были нами проведены в работе [7].
Будем полагать что, структурная схема процессов саморегулирования для граничных адсорбированных и химически - модифицированных пленок одинакова. То есть трибосистема с граничным смазыванием в нашем случае состоит из двух подсистем (рис. 1) с переходными процессами к ним , от них и
между ними.
Структурную схему процессов саморегулировани при граничном смазывании (рис. 2) представим по аналогии со структурной схемой образования вторичных структур при трении [1].

F
Fг
V
T
V ,T)
Fр
c
fг

V ,T)
Fв

V
T
Рис. 2 − Структурная схема саморегулирования процессов образования и разрушения
граничных смазочных слоев
При работе трибосопряжения в режиме граничного смазывания необходимо стремиться к тому,
чтобы вся площадь контакта (рис. 2) была покрыта граничной пленкой, т.е. F  Fã . В процессе эксплуа-
тации трибосопряжение находится под воздействием внешних факторов: нагрузки  , скорости скольжения V , температуры T . Таким образом под вляинием внешних воздействий (вектор (,V , T ) )
пленка разрушается Fp . Одновременно происходит восстановление разрушенной пленки
Fâ также под
действием внешних факторов (вектор (,V , T ) ). Для минимизации энергии потерь на трение, когда
трибосстема является термодинамически устойчивой, вся площадь контакта должна быть покрыта граничной пленкой F  Fã . Разница в этих площадях  являетя управляющим воздействием для регулирования процесса образования граничных пленок. Коэффициент граничного трения f ã связан с площадью граничной пленки через постоянный вектор с.
Таким образом, представленной структурной схеме соответствует система уравнений:
Fã  F  ;


  Fp  Fâ ;


Fp  (,V , T ) Fã ;

f  cFp .

Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2006, № 3
(4)
65
Структурно - термодинамические подходы в механизмах граничного смазывания
С учетом уравнений переходных температур и системы уравнений для каждой подсистемы
можно построить математическую структурно-термодинамическую модель трения при граничном смазывании.
Вывод
На основе физической модели трения при граничном смазывании и основных термодинамических положений применительно к открытым трибологическим системам определены основные подходы
по созданию структурно-термодинамической модели трения при граничном смазывании.
Литература
1. Костецкий Б.И., Носовский И.Г., Караулов А.К. и др. Поверхностная прочность материалов
при трении. ─ К.: "Техніка", 1976. ─ 296 с.
2. Бершадский Л.И. Структурная термодинамика трибосистемы. ─ К.: О-во "Знание" УССР,
1990. ─ 32 с.
3. Костецкий Б.И. Структурно-энергетические основы управления трением и износом в машинах. ─ К.: О-во "Знание" УССР, 1990. ─ 32 с.
4. Глендорф, Пригожин И. Термодинамическая теория структуры, устойчивости и флуктуации.
─ М.: Мир, 1973. ─ 280 с.
5. Хакен Г. Синергетика, иерархии неустойчивости в самоорганизующихся системах. ─ М.: Мир,
1985. ─ 419 с.
6. Смазочные материалы:Антифрикционные и противоизносные свойства. Методы испытаний:
справочник/ Р.М. Матвееевский, В.Л.Лашхи, И.А.Буяновский и др. ─ М.: Машиностроение, 1989. ─224 с.
7. Диха О.В. Принципи побудови структурно-динамічної схеми при граничному змащуванні, Тези допов. міжнар. наук.-техн. конф. “Зносостійкість і надійність вузлів тертя машин (ЗНМ-2001)”. − Хмельницький: ТУП, 2001. − С. 52.
8. Материалы в триботехнике нестационарных процессов / А.В. Чичинадзе, Р.М. Матвеевский,
Э.Д. Браун и др. ─ М.: Наука, 1986.
9. Противозадирная стойкость смазочных сред при трении в режиме граничной смазки / Р.М.
Матвеевский, И.А. Буяновский, О.В. Лазовская. ─ М.: Наука, 1978.
Надійшла 24.06.2006
ЧИТАЙТЕ
журнал
“P r o b l e m s o f T r i b o l o g y”
во всемирной сети
INTERNET !
http://www.tup.km.ua/science/journals/tribology/
Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2006, № 3