O Podmazivanju

O podmazivanjuTRIBOLOGIJA I  PODMAZIVANJE Tribologija je naučna disciplina koja obuhvata istraživanje pojava i procesa na površinama koje su u

međusobnom delovanju, direktnom ili indirektnom dodiru i relativnom kretanju.Naziv tribologija potiče od grčke reči TRIBOS (y) što znači trenje ili trljanje i reči LOGOS –

nauka. Kod proučavanja triboloških fenomena koriste se područja iz više nauka: organska i neorganska hemija, fizička hemija, fizika, poznavanje mašinskih elemenata, elektronika, mehanika, nauka o metalima, termodinamika, tehnologija, organizacija proizvodnje itd. Iako ne sasvim tačno, tribologijom često nazivamo nauku o trenju, habanju i podmazivanju. Tribologija je veoma važna multidisciplinarna nauka koja se, naročito poslednjih tridesetak godina, intezivno razvija.

Osnovni cilj tribologije je istraživanje uslova za optimalnu eksploataciju proizvodnih procesa, odnosno smanjenje potrošnje energije, smanjenje troškova održavanja mašina i povećanje pouzdanosti mehaničkih sistema.

TEORIJE TRENJA, HABANJA I PODMAZIVANJA

Osnovni procesi koji se javljaju pri relativnom kretanju dva čvrsta tela su trenje na dodirnim površinama i habanje dodirnih površina. Usled pojave trenja dolazi do gubitka mehaničke energije pri radu mehaničkog sistema. Zbog pojave habanja dolazi do promena površina mašinskih delova tokom eksploatacije.

Karakteristike površina čvrstih tela

Pojam površina, u tribološkim istraživanjima, podrazumeva površinski sloj materijala male debljine.  Neravnine koje se mogu uočiti na površini mogu se podeliti na makroneravnine (iskrivljenost i

valovitost površine) i mikroneravnine (izbrazdanost površine).Sa aspekta tribologije najznačajniji pojam je hrapavost površine, odnosno skup neravnina koje

obrazuju reljef površine. Geometrija površina tela koji su u kontaktu, menja se tokom vremena. U toku prvog perioda kontakta promena geometrije površine je intezivnija, što se naziva periodom “uhodavanja”.

Trenje

Trenje predstavlja mehanički otpor koji nastaje na površini dodira dva tela pri kretanju jednog tela po drugom ili pri međusobnom relativnom kretanju. Izražava se silom trenja (Ft), koja se javlja kao otpor pojavi kretanja.

Trenje se može podeliti u dva osnovna oblika:        Unutrašnje trenje        Spoljašnje trenje

Unutrašnjim trenjem naziva se međusobno delovanje molekula fluida, pri čemu dolazi do suprostavljanja relativnom kretanju slojeva. Unutrašnje trenje fluida se naziva viskoznost.

Spoljašnjim trenjem naziva se međudelovanje tela koje se javlja na mestima njihovog neposrednog dodira, a suprostavlja se njihovom relativnom kretanju. U zavisnosti od vrste kretanja mogu se razlikovati:

        Trenje klizanja         Trenje kotrljanja

Trenje klizanja

Trenje klizanja predstavlja otpor relativnom kretanju koje se javlja kada jedno čvrsto telo klizi po drugom. Sila trenja je proporcionalna normalnoj sili koja deluje na površine koje su u kontaktu, što se može prikazati sledećim izrazom:

 Ft = Fn

gde je: Ft – sila trenja - koeficijent trenjaFn – normalna sila

 Po ovoj teoriji sila trenja ne zavisi od veličine površina koje su u dodiru i brzine klizanja, već zavisi

jedino od opterećenja, stepena hrapavosti i prirode materijala elemenata. Međutim, novija ispitivanja su pokazala da ova formula ne zadovoljava u potpunosti. Po teoriji Bowdena, Tabora, Derjagina i drugih, sila trenja zavisi od normalnog opterećenja, stepena hrapavosti, stvarnoj dodirnoj površini, međumolekulskim privlačenjima na mestima neposrednog dodira, tvrdoće materijala a takođe od procesa smicanja. To se može izraziti na sledeći način:

 F = { Fn, v, A r, F0, K }

gde je:  A r – ukupna površina neposrednih dodira  v - brzina klizanja  F0 – dopunsko opterećenje usled međumolekulskog privlačenja Kad površine koje se dodiruju nisu nekim mazivim slojem potpuno razdvojene tada, prema teoriji

Bodwena, dolazi do sudaranja izbočina površinskih reljefa. Na tim mestima se u delićima vremena ostvaruje hladno ili toplo zavarivanje.

Hladno zavarivanje je pojava stvaranja jakih međuatomskih veza (adhezivno privlačenje), a javlja se u uslovima malih brzina klizanja. Na mestima dodira, naročito ako su površine potpuno čiste, javljaju se izrazita međuatomska privlačenja, pa i mogućnost prelaza atoma.

Toplo zavarivanje je pojava koja nastaje usled velike brzine klizanja. Kada u takvim uslovima dođe do sudaranja izbočina, na mestima sudara trenutno se javljaju visoki pritisci i temperature. Ako temperatura prekorači kritičnu tačku topljenja jedne od komponenata, dolazi do trenutnog zavarivanja na mestu sudara.

Bez obzira o kojoj se vrsti adhezije radi, da bi se klizanje nastavilo potrebna je neka dodatna sila za prekidanje veza i nastavljanje smicanja. To je naročito izraženo kod površina elemenata različitih tvrdoća, jer se u tim slučajevima izbočine tvrđeg materijala utiskuju u mekši, izazivajući na njemu plastične deformacije uz brazdanje mekšeg materijala. U tom slučaju klizanje će zahtevati veću energiju a konačna posledica je brzo erozivno i abrazivno trošenje.

Da bi se izveo model jednačine suvog trenja, prvo se mora definisati stvarna dodirna površina, jer se samo na njoj odvijaju navedene pojave. Kada neka tvrda ploča klizi po mekšoj ili obrnuto, a obe imaju izrazite reljefe, stvarna dodirna površina (A r) može se izraziti kao funkcija opterećenja (Fn) i tvrdoće (pm) mekše ploče:

 Fn = pm A r

gde je:  pm – penetracijska tvrdoća (po Brinellu ili Vickersu) Jednačina se jednostavno može objasniti na sledeći način: kad je opterećenje malo, stvarna dodirna

površina će takođe biti mala, jer površine naležu jedna na drugu samo preko najisturenijih vrhova reljefa; postepenim povećanjem opterećenja, neravnine se sve više plastično deformišu, naležući preko sve više isturenih vrhova. Broj neposrednih dodira sve više raste, pa raste i stvarna dodirna površina. Proces je ograničen tvrdoćom tela: promena stvarne dodirne površine će rasti sa opterećenjem toliko dugo dok se ne stvori neka površina koja će moći da podnese to opterećenje. Posle toga proces se zaustavlja. Takva granična površina zavisi od tvrdoće: što je tvrdoća veća, površina će biti manja i obrnuto.

Trenje kotrljanja

Trenjem kotrljanja naziva se otpor relativnom tangencijalnom kretanju koji se javlja kotrljanjem nekog predmeta po površini. Ako je dodirivanje u tački ili liniji, što je slučaj za kotrljanje idealne kugle ili valjka po idealnoj površini, sila trenja (Ft) je upravo proporcionalna opterećenju (Fn) a obrnuto proporcionalna poluprečniku kotrljajućeg tela (R):

 Ft = (Fn / R)

 Koeficijent trenja () zavisi od vrste materijala predmeta. Ako su tvrdoće kuglice i podloge dovoljno

velike, a njihove površine idealne, može se predpostaviti da će kod nekog opterećenja dodirno mesto biti tačka.  Povećavanjem opterećenja, dolazi se u područje elastičnih deformacija, a dodirno mesto postaje površina. Usled savlađivanja kotrljanja i deformacija, dolazi do porasta sile trenja i koeficijenta trenja. Iznad nekog graničnog opterećenja nastupa preopterećenje sa trajno plastičnim deformacijama. Vrednosti koeficijenta trenja kotrljanja su znatno manje nego u slučaju klizanja.

Habanje

Površine mašinskih elemenata koje su prilikom kretanja u međusobnom kontaktu, menjaju s vremenom i svoja svojstva. Menja im se geometrija, veličina, struktura i svojstva površinskih slojeva, a veličina i karakter promena zavise od:

        uslova opterećenja,        količine kretanja,        prirode materijala elemenata koji su u kontaktu,        sastava i svojstava okoline (vlaga, vazduh itd.),        sastava i svojstava maziva itd.

Po definiciji, habanje je progresivni proces gubitka materijala elemenata ili delova mašina koji su u neposrednom kontaktu i nalaze se u relativnom kretanju. Kao posledica procesa habanja dolazi do istrošenosti delova mašina, smanjenja efikasnosti njihovog rada, potrošnje energije itd. Može se podeliti na mehaničko i hemijsko habanje.

Pod mehaničkim habanjem se podrazumevaju:        adhezija         abrazija         zamor materijala        erozija

Pod hemijskim habanjem se podrazumeva:        habanje kao posledica oksidacije površine materijala        habanje usled procesa korozije

U najvećem broju realnih slučajeva javlja se kao posledica kombinacije mehaničkog i hemijskog habanja.

Adhezivno habanje

Adhezivno habanje predstavlja osnovni vid habanja opterećenih površina koje su u kontaktu. Pojava ovog vida habanja nalazi se u direktnoj vezi sa trenjem klizanja, sa kontaktom površina i adhezivnim vezama molekula tih površina.

Do pojave adhezivnog trošenja dolazi kod visokoopterećenih površina, kod kojih se, bez obzira na prisutno mazivo između njih, ostvaruje kontakt vrhova neravnina. Razlog tome je visoka vrednost specifičnog pritiska na mestu kontakta, što dovodi do cepanja sloja maziva.

Kod razdvajanja dve mikrozavarene neravnine može doći do lepljenja materijala s jedne površine na drugu, a često i do odvajanja delića od osnovnog materijala, koji se kasnije slobodno kreću između površina i dovode do abrazivnog habanja. Ova pojava kod mikropovršina može se proširiti i na pojavu

adhezivnog habanja i zaribavanja celih površina. Srazmerno sa povećanjem pritiska na površini, proporcionalno se povećava broj spojeva i stvarna površina kontakta.

Kod ekstremnih pritisaka, deformacija i visokih temperatura, dolazi do međusobnog zavarivanja mikrospojeva po značajnom delu površina u kontaktu. Tako zavareni spojevi neravnina se raskidaju pa dolazi do habanja cele površine. Ako u karakterističnim slučajevima opterećenja i kontakta dođe do intenzivnog i brojnog mikrozavarivanja, suma otpora smicanja može porasti do te veličine da se celi sistem zaustavi, odnosno zariba.

 Abrazivno habanje

Abrazivno habanje je oblik odstranjivanja materijala sa površina u kontaktu kao posledice zadiranja neravnina površine veće tvrdoće ili čvrstih delića raznog porekla u površinu manje tvrdoće. Delići materijala mogu biti slobodni i ponašati se kao treće telo, ali i utisnuti u jednu ili obe površine. Oni mogu nastati ili unutar samog tribomehaničkog sistema kao rezultat procesa habanja površina ili se mogu uneti sredstvom za podmazivanje.

Čestice koje su veće ili jednake veličini zazora imaju najveći uticaj na oštećenje površina. Zato je neophodno obezbediti da se između površina nađu samo čestice čija je veličina manja od veličine zazora. U cilju sprečavanja ulaza čvrstih čestica, mora se obezbediti dobro zaptivanje odgovarajućih elemenata mašine, a u sisteme podmazivanja ili hidraulike ugrađuju se uređaji za filtriranje. Abrazivno habanje može u pozitivnom smislu imati široku primenu kod obrade metala brušenjem, struganjem, poliranjem i dr.

Habanje usled zamora materijalaHabanje usled zamora se javlja u slučajevima kada se površine stalno kližu ili valjaju po istom putu.

Ciklusi promenljivih opterećenja, kao i naprezanja na pritisak i istezanje mogu prouzrokovati površinske i podpovršinske pukotine.

Takođe makro i mikro neravnine kao posledica mehaničke ili termičke obrade, pogoduju nastanku površinskih mikropukotina. Pukotine se, naročito usled promenljivih opterećenja, progresivno šire sve do momenta otkidanja sitnih komadića materijala.

Ovaj vid habanja nije karakterističan za mašinske elemente kod kojih je prisutno stalno ili vrlo malo promenljivo opterećenje. Često se javlja kod zupčanika, svih vrsta kotrljajućih i kliznih ležajeva, bregastih osovina i dr.

Erozija

Erozija nastaje kada se oštre čestice neke čvrste materije zalepe na jednu od kliznih površina. Često se pogrešno upoređuje s adhezijom. Osnovna razlika je u tome da je hrapavost izazvana erozijom površine daleko veća, a i mehanizam je različit. Može biti izazvana i višestrukim delovanjem udara toka fluida, što se često javlja na lopaticama turbina i centrifugalnih pumpi. Tako nastala oštećenja superponiraju se ako fluid nosi abrazivne čestice.

Habanje usled oksidacijeHabanje usled oksidacije je mehanohemijski proces postupnog razaranja površina uzrokovan

povezivanjem aktivnih plastično deformisanih površinskih slojeva s kiseonikom. Tanki sloj metalne površine, koji je stupio u hemijsku vezu sa kiseonikom naziva se oksidni sloj ili korozija.

Direktna oksidacija metala u normalnim uslovima u principu ne predstavlja posebnu opasnost za površine. Kada debljina oksidnog sloja nije velika poboljšavaju se osnovne tribološke karakteristike površine, smanjuje se koeficijent trenja i povećava tvrdoća površine. Suprotno ovome, oksidni slojevi većih debljina, mogu stvoriti probleme zato što je neelastičan. On puca, pa se stvara sloj podložan habanju, a proces oksidacije se proširuje u dubinu.

Habanje usled korozijeKorozivno habanje je proces oštećivanja površina koje klize u korozivnoj sredini, pri čemu delovanje

korozivnog medija može biti hemijsko ili elektrohemijsko. U zavisnosti od intenziteta i stepena zahvaćenosti površine, ono može biti neprekinuto ili mestimično prekinuto. Kad bi površine mirovale

produkti korozije mogli bi na njima stvarati sekundarne zaštitne slojeve. Klizanjem se, međutim ti slojevi kidaju i oštećuju, pa korozija može dalje da se širi.

TEORIJE PODMAZIVANJA  

Definicija i klasifikacija vrsta 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 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 podmazivanjeVrsta podmazivanja se može odrediti prema veličini (hg), koja se proračunava prema: 

h g = h / (R a1 + R a2) h – debljina sloja maziva,Ra1, Ra2 – srednje odstupanje od nominalnog profila površinehg 1 granično podmazivanjehg 5 mešovito podmazivanje (prelazni oblik ka hidrostatičkom ili

hidrodinamičkom podmazivanju)5 hg 100 hidrostatičko ili hidrodinamičko 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.

 Mazivo se nalazi između kontaktnih površina u obliku monomolekularnog sloja 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:

  = aw m + (1 - aw) g

gde je:aw – deo stvarne površine dodira metalam – koeficijent trenja spregnutih površina metalag – 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 (npr. masna ulja) 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.   

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. 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).

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.

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.

 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 podmazivanjeMešovito 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.Mešovito podmazivanje je prisutno i u slučaju malih brzina kretanja mašinskih elemenata pri visokim opterećenjima.