Відповідно до різних мастильних матеріалів між парами тертя, мастило можна розділити на рідке (рідке, газове) і тверде (див. мастило). Відповідно до різних станів тертя між парами тертя, змащення можна розділити на рідке змащення та граничне змащення. Стан змащення між рідинним змащенням і граничним змащенням називається змішаним змащенням або частково еластичним рідинно-динамічним змащенням. Рідинне змащення За відповідних умов дві взаємно тертя поверхні можуть бути розділені шаром в’язкої рідини певної товщини (понад 1,5-2 мкм), а зовнішнє навантаження врівноважується тиском рідини. Більшість молекул у шарі рідини не зазнають впливу іонного електричного поля поверхні тертя і можуть вільно рухатися, тобто тертя існує лише в стані змащення між молекулами рідини. Коефіцієнт тертя рідинного змащення дуже низький (менше 0.01). Відповідно до способу створення тиску мастильної плівки рідинне змащення можна розділити на динамічне змащення та статичне змащення. У традиційних дослідженнях механіки змащування тіло тертя та змащувальна рідина розглядаються як тверді тіла та в’язкі рідини (ньютонівські рідини) відповідно. Насправді тіло тертя є пружним тілом, але іноді його можна спростити як тіло тверде. Рідинодинамічне змащення, яке потребує врахування впливу пружної деформації та тиску на в’язкість, називається пружним рідинно-динамічним змащенням. Коли тіло тертя перебуває в пластичному стані, рідиннодинамічне мастило, яке потребує врахування пластичного ефекту, називається пластичним рідиннодинамічним мастилом. Традиційний метод дослідження рідкої мастила почався в 1886 році, а засновником був О. Рейнольдс з Великобританії. Наступні покоління спільно називали результати досліджень традиційної механіки змащення класичною механікою змащення. У рідинному мастилі в'язкість рідини зазвичай оцінюється в'язкістю. На рисунку 1 показано модель, яка передбачає, що рідина є нестисливою і тече пластинчасто. Взаємозв’язок між в’язким опором зсуву рідини до тангенціального руху, тобто напругою зсуву τ і градієнтом швидкості (швидкість зміни швидкості рідини u вздовж напрямку, перпендикулярного ламінарному напрямку y), де η є пропорційна константа, тобто в'язкість, також відома як динамічна в'язкість. Наведене вище співвідношення називається законом внутрішнього тертя ламінарного потоку рідини (рис. 2), також відомим як закон внутрішнього тертя Ньютона. Рідини, поведінка течії яких відповідає цьому закону, називаються ньютонівськими рідинами. Для ліпідних пластичних тіл (так звані неньютонівські рідини) відповідний закон внутрішнього тертя де τ0 — початковий опір зсуву ліпіду. Іноді також слід враховувати залежність витрати рідини від часу. Рівняння Рейнольдса є основним рівнянням, яке описує розподіл тиску плівки динамічного змащення. Традиційне рівняння Рейнольдса базується на рівнянні руху в’язкої рідини, також відомому як рівняння Нав’є-Стокса. Його спрощують на основі певних припущень після поєднання з рівнянням безперервності маси. Універсальне рівняння Рейнольдса, яке описує розподіл тиску мастильної плівки, має вигляд: де v1 і v2 — швидкості граничних поверхонь 1 і 2 уздовж напрямку x відповідно; t - час; η – динамічна в’язкість рідини; p - тиск плівки рідини; h – щільність рідини; h – товщина плівки. Два доданки в лівій частині цього рівняння характеризують розподіл тиску плівки, а три доданки в правій частині вказують на причини тиску рідинно-динамічної мастильної плівки, а саме ефект розклинювання, ефект розтягування поверхні та ефект стиснення. Зазвичай ефект розтягування поверхні дуже малий і ним можна ігнорувати. Коли товщина плівки h не змінюється, ефектом стискання також можна знехтувати. Таким чином, у більшості робочих умов ефект розклинення мастильної рідини є основним фактором, який створює тиск плівки. Для газогідродинамічного змащування до загального рівняння Рейнольдса необхідно додати рівняння стану. Якщо мастильний газ вважається справжнім газом і задовольняє політропну залежність, додаткове рівняння має такий вигляд: де Т — абсолютна температура; R газова стала конкретного газу; n – індекс політропного розширення, n=cp/cv, cp і cv – питома теплоємність при постійному тиску та питома теплоємність при постійному об’ємі відповідно. Коли n=1, це ізотермічний потік; коли n=1.401 (повітря), це адіабатичний потік. Крім того, коли температура мастильної плівки сильно змінюється, викликаючи значну зміну в’язкості, до загального рівняння Рейнольдса необхідно додати енергетичне рівняння, щоб одночасно вирішити його. Граничне змащення Стан змащення, коли між двома поверхнями, що труться, є тонка плівка (обмежувальна плівка). Це явище зазвичай відбувається під час запуску або зупинки машини. Граничну плівку можна розділити на адсорбційну та реакційну (рис. 3). Плівка, утворена полярними молекулами в мастилі, адсорбованими на поверхні тертя, називається адсорбційною плівкою. Адсорбційна плівка далі поділяється на фізичну адсорбційну плівку та хімічну адсорбційну плівку. ① Фізична адсорбційна плівка: тяжіння молекул міцно адсорбує полярні молекули на твердій поверхні, і вони розташовані в спрямованому порядку, утворюючи поверхневу плівку товщиною від одного до кількох молекулярних шарів. ② Хімічна адсорбційна плівка: поверхнева плівка, утворена реакцією деградації або полімеризації певних органічних сполук у мастилі (таких як діалкілдитіофосфати, двоосновні діольні ефіри кислот тощо), або сила хімічного зв’язування, створена обміном валентними електронами полярні молекули в мастилі з електронами на поверхні металу, що робить полярні молекули металевого мила розташовані спрямованим чином і адсорбовані на поверхні з утворенням поверхневої плівки. Добавки до мастила, такі як агенти екстремального тиску, що містять органічні сполуки, такі як сірка, фосфор і хлор, хімічно реагують з поверхнею металу, утворюючи поверхневу плівку, яка може витримувати велике навантаження, яка називається реакційною плівкою. Під дією тепла тертя, що утворюється, коли опуклі вершини на двох поверхнях тертя знаходяться в прямому контакті та відносному русі, реакційна плівка безперервно утворюється та руйнується. Коли адсорбційна плівка досягає насичення, полярні молекули розташовані тісно, а сила зчеплення між молекулами надає плівці певну несучу здатність, запобігаючи прямому контакту двох поверхонь тертя одна з одною. На малюнку 4 представлена модель ефекту змащування адсорбційної плівки. Коли пара тертя ковзає одна відносно одної, адсорбційна плівка ковзає одна відносно одної, як дві щітки, які можуть відігравати мастильну роль і зменшувати коефіцієнт тертя. Реакційна плівка має високу температуру плавлення, її непросто приклеїти, має низьку міцність на зсув, має низький опір тертю, її можна постійно руйнувати та формувати, тому вона може запобігати прямому контакту між металевими поверхнями та відігравати роль мастила. Фактори, що впливають на ефективність змащення адсорбційної плівки, включають структуру та кількість адсорбції полярних молекул, температуру, швидкість і навантаження. Коли кількість атомів вуглецю в полярних молекулах збільшується, коефіцієнт тертя зменшується. Коли адсорбційна кількість полярних молекул досягає насичення, змащувальні характеристики плівки є хорошими та стабільними. Коли робоча температура перевищує певний діапазон, адсорбційна плівка буде розсіяна або десорбована, і змащування вийде з ладу. Зазвичай коефіцієнт тертя адсорбційної плівки зменшується зі збільшенням швидкості до певного значення. За нормальних робочих умов коефіцієнт тертя адсорбційної плівки такий самий, як і при сухому терті, і на нього не впливає навантаження. Реакційна плівка має сильну антиадгезійну здатність під надзвичайно високим тиском, а її змащувальні властивості є більш стабільними, ніж будь-яка адсорбційна плівка. Його коефіцієнт тертя зростає зі збільшенням швидкості до певного значення. Реакційні плівки часто використовуються в умовах великого навантаження, високої швидкості та високої температури. За певних умов роботи здатність граничної плівки протистояти розриву називається міцністю граничної плівки. Його можна виразити критичним значенням pv, критичним значенням температури або критичним коефіцієнтом тертя. ① Критичне значення pv: при нормальному граничному змащуванні, коли навантаження p або швидкість v зростає до певного значення, температура пари тертя раптово підвищується, а коефіцієнт тертя та знос різко зростають. Відповідне значення pv, коли міцність граничної плівки досягає граничного значення, називається критичним значенням pv. ② Значення критичної температури: коли температура поверхні тертя досягає ступеня розладу, розм’якшення або плавлення граничної плівки, адсорбційна плівка десорбується, коефіцієнт тертя швидко зростає, але все ще має певний ефект змащення. Температура в цей час називається першою критичною температурою. Коли температура продовжує зростати до точки, коли мастило (жир) полімеризується або розкладається, прикордонна плівка повністю розривається, пара тертя стає липкою, а знос різко зростає, температура називається другою критичною температурою. Критична температура є основним параметром для вимірювання міцності граничної плівки. ③ Критичний час тертя: кількість повторних тертя, коли гранична плівка досягає відмови змащення, називається критичним часом тертя
Додавання мастила між двома поверхнями відносного тертя, щоб утворити зменшуючий знос шар мастильної плівки, може зменшити коефіцієнт тертя, підтримувати опір тертю та зменшити споживання енергії. Наприклад, за хороших умов рідинного тертя його коефіцієнт тертя може становити лише 0.001 або навіть менше. У цей час опором тертя є в основному низький опір зсуву взаємного ковзання між молекулами в рідкій мастильній плівці. Мастила між тертьовими поверхнями можуть підтримувати знос, спричинений зносом твердих частинок, поверхневою іржею, зварюванням і розривом між металевими поверхнями. Таким чином, якщо між тертьовими поверхнями подається достатня кількість мастила, можуть бути створені хороші умови змащування, можна запобігти пошкодженню масляної плівки та можна підтримувати точність узгодження деталей, тим самим значно зберігаючи знос. Мастила можуть зменшити коефіцієнт тертя та підтримувати утворення тепла тертя. Ми знаємо, що робота, яку виконує машина, що працює, щоб подолати тертя, перетворюється на тепло, частина якого розсіюється назовні від тіла, а частина постійно підвищує температуру машини. Централізована циркуляційна система змащування з використанням рідких мастильних матеріалів може відводити тепло, що утворюється від тертя, грати роль в охолодженні та контролювати роботу механізмів у необхідному діапазоні температур. Поверхня обладнання неминуче контактуватиме з навколишнім середовищем (наприклад, повітрям, водою, водяною парою, корозійними газами та рідинами тощо), що спричинить іржавіння, корозію та пошкодження металевої поверхні обладнання. Особливо високотемпературні цехи металургійних і хімічних заводів є більш серйозними щодо корозії та зносу. Для циліндрів і поршнів парових двигунів, компресорів, двигунів внутрішнього згоряння тощо мастило може не тільки змащувати та зменшувати тертя, але й посилювати ефект ущільнення, щоб не було витоку повітря під час роботи та підвищити ефективність роботи. Мастило має особливий вплив на формування ущільнення, яке може запобігти проникненню води або іншого пилу та домішок у пару тертя. Наприклад, використання масляного сальника, покритого мастилом, має хороший змащувальний ефект для ущільнення головки вала водяного насоса, може запобігти витоку та проникненню пилу в корпус насоса та відіграє хорошу роль ущільнення. Крім того, мастило також зменшує вібрацію та шум.
