При проектировании эффективных и долговечных смазываемых механизмов сегодня как никогда необходимо учитывать различные ограничения, например, постоянное снижение толщины смазочной плёнки в смазываемых системах, появление инновационных материалов, публикации новых требований в отношении экологической безопасности, необходимость уменьшения потерь энергии и сохранение природных ресурсов. Такие постоянно меняющиеся условия приводят к необходимости более глубокого понимания механизмов образования смазочной плёнки и рассеивания тепла, выделяющегося при трении, чтобы в итоге создать надёжные инструменты прогнозирования.

Смазочный материал и его термофизические свойства играют важнейшую роль, что побуждает нас решать новые задачи, связанные с изменяющимися рабочими условиями в подшипниках качения и с влиянием этих изменений на смазочный материал. Исследованием этих проблем занимается лаборатория LaMCoS, Национальный институт прикладных наук Лиона, в сотрудничестве с SKF.

В середине 1990-х годов Европейский научно-исследовательский центр SKF (SKF ERC, сегодня это Научно-технический центр SKF — SKF-RTD) и лаборатория Laboratoire de Mécanique des Contacts (LMC, сегодня это Laboratoire de Mécanique des Contacts et des Structures, LaMCoS) в Национальном институте прикладных наук Лиона приступили к совместному изучению процессов смазывания в зонах контакта торцов роликов с бортами подшипников, происходящих, например, в крупногабаритных роликоподшипниках. Главной целью была разработка нового испытательного стенда (Tribogyr), предназначенного для исследования процессов смазывания в таких зонах контакта, которые в то время практически не рассматривались в научной литературе. Сформулированные SKF технические условия включали ряд уникальных задач:

• моделирование в масштабе 1:1 реального контакта, встречающегося в роликоподшипниках с наружным диаметром 600–1000 мм;
• воспроизведение конкретных кинематических условий с определённой скоростью увлечения, а также с элементами проскальзывания и перекоса, характерными для таких зон контакта;
• соблюдение радиусов кривизны тел качения в зоне контакта;
• измерение крутящего момента и трёх усилий, действующих на каждый из двух опытных образцов.

После проверки и ввода в эксплуатацию испытательного стенда Tribogyr при сравнении экспериментальных результатов с результатами моделирования были быстро обнаружены ограничения, которые позволяли легко расширять масштабы исследования или принудительно заменять смазочный материал. В проводившемся с использованием стенда Tribogyr исследовании обширных смазываемых зон контакта с вращением (см. http://evolution.skf.com/the-beast-of-lyon-putting-large-bearing-contacts-to-the-test/) были последовательно рассмотрены другие подходы. Это исследование, основным инициатором которого выступила SKF, стало частью более обширной научно-исследовательской программы «Количественная оценка мультифизических процессов, многомасштабного моделирования и комбинированного подхода к смазыванию и смазочным материалам», утверждённой ранее лабораторией LaMCoS.

Представленные результаты этой обширной работы сопровождаются иллюстрациями, относящимися к зонам контакта торцов роликов с бортами подшипников. Помимо иллюстраций приведены более подробные описания некоторых аспектов исследования, также связанных с эластогидродинамическим смазыванием и со смазыванием зон контакта, подверженных тяжёлым нагрузкам.

Общее описание количественной оценки мультифизических процессов, многомасштабного моделирования и комбинированного подхода к смазыванию и смазочным материалам

На рис. 1 представлена схема, иллюстрирующая используемый комбинированный подход. Трибология и смазывание по своей природе находятся на стыке нескольких областей знания. Это означает, что необходимо учитывать возможное взаимодействие различных дисциплин, при этом наиболее важным моментом, вероятно, является способность проведения экспериментальных исследований одновременно с численным моделированием.

Для ясности правая часть схемы на рис. 1 разделена на две составляющие. Первая — трибометрия, подразумевающая количественное измерение относящихся к трибологии параметров (трение, толщина плёнки, давление, температура и т. д.), а также метрология, подразумевающая точную калибровку, воспроизводимость и наличие определённых погрешностей. Вторая составляющая должна быть неотъемлемой частью каждого исследования процессов смазывания — она касается физических характеристик смазочного материала и в первую очередь его реологических свойств. Не стоит забывать, что вязкость и плотность смазочного материала — это две величины, непосредственно присутствующие в уравнении Рейнольдса. Таким образом, они являются важными параметрами, которые необходимо надлежащим образом определять и учитывать. В отношении вязкости это не представляет сложности, однако необходимо помнить, что толщина смазочной плёнки в центре эластогидродинамического контакта также напрямую зависит от влияния давления на плотность смазочного материала. Кроме того, для решения любых температурных проблем необходимо знать и, соответственно, характеризовать проводимость и удельную теплоёмкость смазочного материала. Следует отметить, что эти два параметра могут значительно меняться в зависимости от давления и температуры, при этом мы показали, что их колебания могут оказывать существенное влияние на трение [1]. После экспериментального определения этих параметров необходимо представить колебания измеренных величин в виде надёжных моделей, созданных на физической основе, а не на простых математических формулах или регрессиях. Последние могут допустить интерполяцию, но не экстраполяцию значений вне зон, охватываемых экспериментально, а этого может оказаться недостаточно для тех диапазонов, которые встречаются в процессах эластогидродинамического смазывания. Это не только важный фактор оценки того, насколько свойства смазочного материала подходят для широкого диапазона условий, но ещё и фундаментальный фактор, необходимый для проведения количественного моделирования.

Левая часть схемы на рис. 1 относится к численному методу. Крайний левый блок — это молекулярно-динамическое моделирование на основе факторов, которые необходимо учитывать на атомарном уровне. Такое моделирование позволяет получить результаты двух типов на нанометрическом уровне, используемом для численных моделей. С одной стороны, можно получить результаты компьютерного моделирования физического состояния и транспортных свойств жидкости при воздействии заданных температурных условий и давления. В этом смысле молекулярно-динамическое моделирование может служить полезным дополнением к экспериментам, целью которых является определение физических характеристик смазочного материала. С другой стороны, подобный вычислительный метод позволяет исследовать поведение жидкостных плёнок в крайне ограниченном пространстве, а также зон их контакта с твёрдыми поверхностями в таком пространственном масштабе, где обычный подход к механике уже неприменим. Последний подход является основой для мультифизического алгоритма, в этом случае использующего метод конечных элементов (рис. 1). Данный инструмент позволяет прогнозировать толщину смазочной плёнки и характеристики трения в зонах эластогидродинамического контакта для любой геометрии (линия, круг, эллипс, тор/плоскость) и любой кинематики (качение, скольжение, вращение, перекос). Принимается во внимание фактическое поведение смазочного материала, при этом алгоритм учитывает рассеивание тепла. Входными данными, помимо рабочих условий, являются реологические и физические свойства смазочного материала, учитываемые согласно упомянутым выше моделям.

Прежде чем использовать эти модели (или испытательный стенд Tribogyr), необходимо было провести количественную оценку инструментов, разработанных нашей группой в лаборатории LaMCoS. Такая задача была решена путём проведения экспериментов и численного моделирования смазываемых зон контакта торцов роликов с бортами подшипников, встречающихся, например, в крупногабаритных роликоподшипниках. На рис. 2 проиллюстрированы этапы такой оценки для двух контактов качения, скольжения и вращения в условиях смазывания, рассматриваемые для двух конфигураций: слева — контакт сферы с плоскостью [2], справа — контакт тора с плоскостью ([3] узкий эллипсообразный контакт). Рабочие условия указаны в подписи к рисунку, где U0 — скорость увлечения в центре контакта (следует отметить, что для проведения интерферометрии белого света обе используемые в экспериментах плоскости были изготовлены из стекла). При моделировании свойства материала плоскостей были соответствующим образом модифицированы, а результаты представлены в цвете с использованием градуировочных кривых интерферометра.

На рис. 2 (слева) можно увидеть довольно точное совпадение результатов экспериментов с численной моделью для контакта шарика с плоскостью при максимальном отклонении в 1 % вне зависимости от конкретного участка, для которого проводилась оценка толщины смазочной плёнки. Для ситуации контакта тора с плоскостью совпадение также оказалось довольно точным при отклонении в 1,5 % на криволинейной осевой линии контакта и 5 % для участков, где смазочная плёнка имеет минимальную толщину.

Ниже представлены основные моменты и результаты работы, проведённой на кафедре в LaMCoS, Национальный институт прикладных наук Лиона, в рамках исследования «Смазываемые поверхности будущего». Выбранное название проводимого совместно с SKF исследования прямо указывает на то, что его основным предметом является смазывание. Основные цели смазывания:

• разделение поверхностей для предотвращения износа и преждевременного отказа механизма вследствие разрушения поверхностей;
• уменьшение трения (приводящего к потерям энергии) путём сдвига смазочного материала, обладающего заданными свойствами.

Разделение поверхностей и надёжность контакта

Как упомянуто выше, двойной подход, предполагающий моделирование с проведением экспериментальных исследований, позволяет получить достоверные прогнозы в отношении толщины плёнки смазочного материала сразу после включения реологических характеристик смазочного материала на уровне контакта в мультифизические модели, учитывающие неньютоновские и температурные эффекты. В настоящее время задача заключается в том, чтобы спрогнозировать толщину образующейся плёнки в реальных условиях, включая условия недостаточного смазывания, с кинематикой возможных вращений/перекосов, а в некоторых случаях и при нулевой скорости увлечения смазочного материала в зоне контакта. Это применимо к бессепараторным подшипникам, в которых контакт между двумя соседними телами качения затрагивает две поверхности, движущиеся в противоположных направлениях. В этом случае для построения модели, позволяющей прогнозировать толщину плёнки для контактов с нулевой скоростью увлечения, необходимо учитывать сжатие и тепловое воздействие (рис. 3), что в принципе не описано в литературе по теме эластогидродинамического смазывания, хотя могло бы существенно помочь при проектировании подобных подшипников [4].

С экспериментальной точки зрения значительные успехи были достигнуты в измерении давления и поля распределения температур в зоне контакта в реальных условиях, что позволяет проверить правильность результатов моделирования. Была разработана новая методика, основанная на чувствительности флуоресцентных нанодатчиков к изменениям температуры и давления. Такие нанодатчики добавляются в смазочный материал, при этом зависимость энергии их излучения от температуры и давления калибруется в статических условиях в камере высокого давления с алмазными наковальнями. Возможности подобных нанодатчиков были подтверждены при использовании этого метода в реальных условиях применительно к тонким плёнкам смазочного материала, характерным для эластогидродинамических контактов [5]. В качестве иллюстрации на рис. 4 приведено сравнение измеренных значений давления при различных рабочих условиях с прогнозами, полученными путём вычислений. Этот метод можно применить, например, для количественной оценки и сравнения тепловыделения в зонах контакта для полностью стальных и гибридных подшипников, а также во многих других ситуациях.

Неоптимальное разделение поверхностей также может иметь место, когда в смазываемые зоны контактов попадают твёрдые частицы. Для прогнозирования риска возникновения поверхностных повреждений было проведено исследование поведения таких частиц на входе в смазываемую зону контакта с использованием комбинированного подхода.  Анемометрию по изображениям частиц (µ-PIV) объединили с прогнозами, полученными путём вычислений, и сравнили с результатами наблюдений за вмятинами на поверхности роликов, образовавшимися в процессе экспериментов с двумя дисками. Процесс попадания твёрдых частиц в зону контакта исследовался с помощью оборудования для анемометрии по изображению частиц, установленного на трибометр, в котором используются шарик с диском [6]. Это позволило провести оценку скоростных функций на входе в зону контакта и отследить траектории движения твёрдых частиц непосредственно в зоне эластогидродинамического контакта (рис. 5). Была разработана численная модель потока частиц на входе в зону эластогидродинамического контакта с отслеживанием траекторий их движения. Наконец, для подтверждения ранее сделанных выводов были проведены испытания на установке с двумя дисками с контролируемым уровнем загрязнения твёрдыми частицами. Результаты показали, каким образом попадание частиц в зону контакта зависит от скоростной функции смазочного материала, геометрии контакта и характера контактных поверхностей, при этом вместо подшипниковой стали использовался нитрид кремния [7].

Трение в зоне эластогидродинамического контакта

Точное прогнозирование характеристик трения в смазываемых зонах контактов, подверженных большим нагрузкам, и в наше время представляет собой непростую трибологическую задачу. С характеристиками трения тесно связаны многие физические аспекты. Например, на вязкостную диффузию смазочного материала (ньютоновскую или неньютоновскую вследствие разжижения при сдвиге) также влияют изменения температуры, возникающие при больших сдвиговых усилиях, и в условиях высокого давления вместо диффузии может возникнуть пластический эффект (который характеризуется напряжением предельного сдвига). Совместная работа позволила кафедре внести свой вклад в исследование этой крайне важной темы.

Во-первых, параллельно с экспериментальными исследованиями трения эталонных жидкостей было проведено исследование физических свойств смазочных материалов при различном давлении. На эталонных смазочных материалах в состоянии покоя в камерах высокого давления были проведены измерения с использованием бриллюэновского рассеяния света в широком диапазоне значений давления и температуры, характерных для эластогидродинамических контактов. Они выявили изменение характеристик, вызванное стеклованием смазочного материала [8]. Кроме того, такое изменение коррелировало с измерениями трения в зоне контакта качения/скольжения (рис. 6) [9]. На том же рисунке ширина спектров бриллюэновского рассеяния света (полная ширина на уровне половинной амплитуды, FWHM, выделено синим цветом) и эффективная вязкость смазочного материала в зоне контакта (выделено оранжевым цветом) показали изменение характеристик при среднем давлении в зоне контакта того же порядка, что и стеклование смазочного материала. Насколько нам известно, это первый случай, когда подобная корреляция была подтверждена экспериментальными результатами. Наконец, было показано, что стабилизация трения приводит к возникновению напряжения предельного сдвига, когда максимальное давление в зоне контакта (давление по Герцу) достигает давления стеклования смазочного материала [8].

Во-вторых, молекулярно-динамическое моделирование различных молекул смазочного материала в равновесном состоянии или в условиях давления и сдвига [10] позволило получить потоки с разными характеристиками. При этом скольжение по стенкам, образование сдвиговых полос и скопление в центре являются следствиями таких свойств поверхностей, как шероховатость и смачиваемость (не следует путать с трением, связанным с термодинамическим состоянием конкретного смазочного материала при воздействии на него давления и высоких температур) (рис. 6). Это проиллюстрировано на рис. 7: проведённые с использованием сквалана испытания на трение и молекулярное моделирование показывают возникновение режима напряжения предельного сдвига при 313 °К и 1,2 ГПа — условия, при которых смазочный материал уже не находится в жидком состоянии. Молекулярно-динамическое моделирование также показало, что в основе характеристик трения лежит подвижность каждой молекулы, что является отправным моментом для построения реологической модели, основанной на физических принципах. В идеале такие свойства необходимо учитывать в непрерывных моделях (например, в мультифизических моделях, основанных на методе конечных элементов), что, в свою очередь, можно было бы сопоставить с экспериментальными измерениями. Такой подход должен позволить, во-первых, моделировать и прогнозировать характеристики трения на непрерывной шкале в широком диапазоне значений давления и сдвига и, во-вторых, прогнозировать характеристики трения в зонах контактов в промышленных механизмах и системах.

Выводы и заключения

1. На протяжении многих лет SKF развивала сотрудничество с лабораторией LaMCoS в Национальном институте прикладных наук Лиона на предмет смазывания контактов вращения большой площади. Это сотрудничество началось в середине 1990-х годов и продолжилось в 2000-х годах с охватом большего спектра проблем, касающихся смазывания.
2. В мае 2013 г. в LaMCoS, Национальный институт прикладных наук Лиона, при финансовом участии SKF была организована кафедра «Смазываемые поверхности будущего». Кафедра учреждена при поддержке фонда Национального института прикладных наук Лиона (INSA Lyon Foundation) и Insavalor — дочерней структуры института, занимающейся научными исследованиями, трансфером технологий и профессиональным обучением. Кафедра создана с целью поиска баланса между прикладными исследованиями, которым SKF уделяет особое внимание, и более фундаментальными изысканиями, позволяющими научным сотрудникам университета разрабатывать новые концепции или инструменты, а также углублять свои знания и делиться ими с инженерами-разработчиками и специалистами компании.
3. В данной статье описаны примеры проектов, реализованных в период с 2013 по 2019 г. в рамках этой кафедры и наглядно демонстрирующих результаты исследовательской работы. Все эти работы касаются количественной оценки мультифизических процессов, многомасштабного моделирования и комбинированного подхода к смазыванию и смазочным материалам.
4. Кафедра была изначально организована в 2013 г. для работы в течение шестилетнего периода, однако в марте 2019 г. её работа была продлена ещё на такой же срок.