Мастило, енциклопедія Навколосвіт

Перше з цих вимог виконується шляхом оптимізації проектування. При обертанні шипа (шийки вала) в підшипнику в умовах рідинного тертя за рахунок внутрішнього тиску рідини автоматично підтримується така товщина плівки мастильного матеріалу, при якій поверхні кінематичної пари, поки вона працює, не можуть прийти в пряме зіткнення. Коли ж машина зупиняється, гідравлічний підпір шийки вала в підшипнику припиняється, і товщина плівки мастила під шийкою зменшується внаслідок її витискування силою тяжіння вала. Само по собі це не страшно, але при подальшому включенні машини проходить деякий час, поки не встановиться режим рідинного тертя. У цей початковий період підшипник працює в умовах граничного тертя. У важкому механічному обладнанні деяких типів передбачається подача мастила в підшипник під тиском через отвори і по канавках в області контакту, завдяки чому перед пуском створюється досить товста, повністю захищає поверхні контакту мастильна плівка.

Хімічне вплив мастила.

Від хімічних властивостей мастильного матеріалу істотно залежить розвиток таких небажаних явищ, як корозія, освіта смолистого залишку і вуглецевих відкладень. Встановлено також, що деякі хімічні компоненти мастила досить сприяють зменшенню тертя і зносу. В умовах граничного тертя хімічні властивості мастила набагато важливіше фізичних (в'язкості, щільності, температури спалаху і затвердіння). В умовах же рідинного тертя картина зворотна. Так, наприклад, в'язкість мастила, що не відіграє великої ролі при граничному терті, вкрай важлива в режимі рідинного тертя. Основним фактором в умовах граничного тертя (тонкої плівки) є хімічна структура молекул мастильного матеріалу.

Роль молекулярних сил в граничному терті.

На вільній поверхні чистого твердого тіла діють молекулярні сили тяжіння. Усередині тіла такі сили врівноважуються, а на поверхні залишаються нестійкими і можуть утворювати міцні зв'язки з активними молекулами, якщо останні наблизяться на достатню відстань. Радіус дії цих сил порядку часткою нанометра. Вільні сили, що діють на поверхні, можуть бути майже повністю нейтралізовані одним шаром нанесених на неї активних молекул.

Це ілюструється наступним досвідом. Предметне скло мікроскопа промивають миючим засобом і, коли воно висохне, обливають слабким розчином пальмітинової кислоти в чистому бензолі, а потім ретельно протирають тампонами з чистою тонкою (цигаркового) паперу. Якщо після такої обробки скло занурити в чисту воду і вийняти, воно залишиться зовсім сухим. Це свідчить про те, що водовідштовхувальний шар молекул пальмітинової кислоти утворює міцне поверхневе з'єднання і не видаляється простим стиранням. При стирання видаляється вся нанесена пальмітинова кислота, крім мономолекулярного шару, оскільки поверхневі молекулярні сили різко слабшають за межами товщини першого, адсорбованого шару. Цей міцний шар можна видалити сильним окислювальним агентом, хімічно руйнують молекули пальмітинової кислоти, або абразивом, що видаляє їх механічно.

Пальмітинова кислота, хімічна формула якої має вигляд COOH- (CH2) 14 -CH3. відноситься до класу органічних сполук, молекули яких виявляють високу полярну активність з одного кінця. Метильная група CH3 на одному кінці довгої ланцюгової молекули пальмітинової кислоти неактивна, так як її валентності заповнені. На іншому ж кінці молекули розташована дуже активна карбоксильная група COOH. Така молекула зв'язується з поверхнею своїм полярним кінцем (рис. 2). Електронограмми показують, що пов'язаний шар складається з щільно «упакованих» молекул, що утворюють як би килим, товщина якого дорівнює довжині однієї молекули. При цьому молекули орієнтовані відносно поверхні під кутом близько 90 ° до неї.

Поведінка добре очищеного мінерального масла медичного якості дивно контрастує з поведінкою такого з'єднання, як пальмітинова кислота. Вуглеводневі медичні масла повністю насичені, тобто їх молекули не мають незаповнених валентних зв'язків і, отже, неактивні. Плівка медичного масла, нанесена на предметне скло в досвіді типу описаного вище, легко видаляється простим стиранням, залишаючи поверхню, легко змочується водою. Очевидно, що сили зв'язку в цьому випадку дуже слабкі, і плівка медичного масла, по товщині відповідна граничному тертю, не може служити захистом від зношування поверхні.

Раніше здатність мастильного матеріалу зменшувати тертя пояснювали його «олійністю». Вважалося, що жирність - це особливе властивість масла, не пов'язане з його в'язкістю. Тепер відомо, що жирність є результат взаємодії молекулярних сил, існуючих на вільної поверхні, з молекулярними силами, діючими на полярних кінцях ненасичених молекул в контактному шарі мастила. Цікаво, що половини відсотка активних молекул в змащувальному матеріалі достатньо, щоб помітно зменшити тертя. Це пояснюється тим, що такі молекули селективно адсорбуються на контактної поверхні.

Рідинне тертя.

Про режим рідинного тертя можна говорити, коли рухомі поверхні повністю розділені товстою плівкою мастила і безпосередній контакт елементів пари відсутня. Тертя в цьому випадку зводиться до вязкостной опору в самому шарі мастила, зумовленого зрушенням сусідніх шарів плівки, тобто до внутрішнього тертя. Поки така рідка плівка ціла, матеріал рухомих поверхонь і їх шорсткість не мають значення. Від рідкої плівки потрібно, щоб вона прилипала до рухомих поверхонь, тобто щоб не було прослизання мастила щодо поверхонь.

Випадки рідинного і граничного тертя зіставляються на рис. 3, де A - рухома поверхня, B - нерухома поверхню, а C - плівка. Шорсткість поверхонь для наочності сильно перебільшена. В умовах граничного тертя (рис. 3, а) деякі виступи стикаються один з одним. У разі ж рідинного тертя (рис. 3, б) рухомі частини повністю розділені досить товстою плівкою мастила.

В'язкість рідини визначається співвідношенням, яке експериментально встановив И.Ньютон. Якщо простір між двома горизонтальними паралельними пластинами заповнений рідиною і менша верхня пластина рухається з постійною швидкістю, тоді як нижня залишається на місці, то виконується рівність