Почему двигатель изнашивается сильнее всего в первые секунды после пуска? Грей и морози масло, меняй обороты и нагрузку и смотри, как точка едет по кривой трения от граничного режима к жидкостному.
Если вал стоит или едва ползет под большой нагрузкой, масло выдавлено из зазора, и детали касаются вершинками неровностей. Это граничный режим: спасают только присадки. Чем быстрее вал и гуще масло, тем больше масла он затягивает в зазор, и пленка приподнимает его. Сначала часть нагрузки несет масло, часть вершинки: смешанный режим. Потом пленка становится толще неровностей, и металл вообще не касается металла. Это жидкостный режим, трение в нем самое малое. Но если дальше поднимать вязкость и скорость, трение снова растет: теперь вал тратит силу на то, чтобы сдвигать слои густого масла.
Вязкость, скорость и давление собираются в число Герси. Справа на кривой трение считает формула Петрова, слева решает отношение пленки к неровностям. Числа берутся из опыта.
Где точка на кривой?
Чем гуще масло и быстрее вал, тем больше масла затягивается в зазор. Чем больше давление, тем сильнее оно выдавливается. Число безразмерное, если брать единицы СИ.
Сколько трения в жидкостном режиме?
Формула Петрова. Когда металл разделен маслом, трение это только сдвиг слоев масла в зазоре. Оно растет прямо с числом Герси: вот почему правая ветвь кривой поднимается.
Касается ли металл металла?
Толщину пленки сравнивают с высотой неровностей обеих деталей. Это правило, а не точный закон: при λ около 1 вершинки уже касаются, при λ больше 3 почти никогда.
Трение складывается из двух частей. Первая: вершинки неровностей, которые касаются друг друга. Их трение большое, около 0,1, но доля нагрузки, которую они несут, быстро падает, когда пленка растет. Вторая: вязкое трение в самом масле. Оно маленькое, но растет прямо с числом Герси.
Слева главная первая часть, справа вторая. Где одна уже ушла, а другая еще не выросла, получается дно кривой. Подшипник выгоднее всего держать чуть правее дна: там пленка с запасом, и небольшой нагрев масла или лишняя нагрузка не сбросят его в смешанный режим.
Сами вершинки и их износ разобраны в теме «Износ: абразивный, усталостный, задир». Как пленка рождается в подшипнике скольжения, смотри в следующей теме «Подшипник скольжения и масляный клин».
Каждый пуск проводит вкладыши через граничный и смешанный режим. Основной износ коленвала набирается в первые секунды после пуска, особенно на морозе, пока масло не дошло до вкладышей. Поэтому на руднике зимой дизели греют подогревателем.
Малые обороты и большая нагрузка сдвигают точку влево. Подшипники колесных редукторов и шестерни работают на грани смешанного режима, им нужны масла с противозадирными присадками.
Стрела и рукоять экскаватора качаются медленно и под огромным давлением. Клин там не возникает, поэтому их смазывают пластичной смазкой с дисульфидом молибдена и шприцуют часто.
При перегреве вязкость падает, точка сползает в смешанный режим. Датчик температуры масла и сигнал перегрева в кабине защищают именно от этого.
У новых деталей σ больше, кривая сдвинута вправо, смешанный режим длиннее. Первые часы после ремонта двигатель гоняют без полной нагрузки, пока вершинки не притрутся.
Петля поворачивается медленно и под нагрузкой: всегда граничный режим. Поэтому ее смазывают густой смазкой, а не жидким маслом, которое сразу выдавится.
Толщина пленки задана простым законом h ≈ 1 мкм · (He / 10−8)0,7, похожим на теорию упругогидродинамической смазки, и ограничена 40 мкм, то есть размером зазора. Доля нагрузки на вершинках взята как φ = exp(−(λ / 1,1)2,2), трение вершинок 0,12 с учетом присадок. Жидкостное трение считается по формуле Петрова для вала в центре вкладыша при r/c = 1000. Вязкость пересчитывается по формуле Вальтера из вязкости при 40 и 100 °C, плотность слегка падает с нагревом. Подача масла не моделируется: при холодном пуске опыт показывает режим уже после того, как масло дошло. Реальная кривая зависит от формы деталей, присадок и прогрева масла в самом зазоре.