Продуктами износа могут быть как продукты взаимодействия металла со смазочным материалом, так и частицы самого металла, поскольку имеет место контакт по вершинам отдельных неровностей. На других участках происходит контакт металлических поверхностей через модифицированный слой продуктов химических реакций. Остальная часть контакта покрыта адсорбированным слоем молекул смазочного материала. В самом общем случае коэффициент трения f в режиме граничной смазки может быть оценен из уравнения:
f = fm · ά + fχm ·β + fI · [1 – (ά + β)],
где: fm, fχm, fI - коэффициенты трения соответственно на участках металлического контакта, контакта через слой продуктов химической реакции (модифицированный слой), контакта через адсорбированный слой (как моно, так и полимолекулярный);
ά – доля металлического контакта;
β – доля поверхности контакта, покрытой модифицированным слоем.
Таким образом, для того чтобы обеспечить минимальные потери на трение, необходимо максимально уменьшить величину ά, вплоть до полного устранения металлического контакта. При умеренных режимах трения молекулы смазочного материала могут обеспечить достаточную прочность граничного слоя и достаточно малое значение ά, вплоть до устранения металлического контакта и образования полимолекулярного граничного слоя на всей площади граничного контакта (поскольку химически активные компоненты в чистых маслах отсутствуют, здесь β=0). При ужесточении режима трения возросшие нагрузки приводят к уменьшению толщины граничного слоя, увеличению доли металлического контакта, так что коэффициент трения возрастает. Это увеличивает фрикционный разогрев, и эффективность смазочного слоя снижается. Поэтому при жестких режимах граничной смазки в смазочный материал добавляют присадки, повышающие его смазывающую способность. Такие присадки бывают двух типов – поверхностно активные и химически активные. Поверхностно активные присадки (например, высшие жирные кислоты, мыла этих кислот, амины и т.д.) обеспечивают увеличение прочности граничного слоя, его несущей способности, препятствуя выдавливанию молекул смазочной среды из контакта. Причем длинноцепные молекулы ПАВ, обеспечивают утолщение смазочного слоя, что ведет к более полному разделению трущихся поверхностей, более полному экранированию силовых полей этих поверхностей и, тем самым, к снижению адгезионной составляющей силы трения. Однако ПАВ обеспечивают эффективное смазочное действие лишь в достаточно узком интервале температур и нагрузок.
В смазочные материалы, работающие в жестких условиях, добавляют химически активные присадки, представляющие собой малорастворимые соединения, включающие такие химические компоненты, как сера, фосфор, хлор и азот или их сочетания. Более подробно химический состав присадок описан ниже в этой главе. Молекулы этих соединений при достижении жестких режимов трения разлагаются, выделяя химически активные агенты. Они вступают в химическое взаимодействие с молекулами поверхностно активного слоя контактирующих тел, образуя на поверхности трения модифицированные слои продуктов взаимодействия металлов с активными компонентами этих смазок. Указанные слои покрывают поверхности фактического контакта трущихся тел слоем, достаточно толстым (обычно, десятки молекулярных слоев), чтобы надежно разделить контактирующие поверхности, так что изнашивание металла заменяется изнашиванием этих модифицированных слоев, постоянно восстанавливаемых по мере изнашивания.
Образование граничных слоев на поверхностях трения происходит в процессе взаимодействия трущихся тел со смазочной средой, сопровождающейся трибоактивизацией этих поверхностей и механоактивацией компонентов смазочных сред. Основными факторами, активирующими процессы поверхностных взаимодействий при трении, являются механически активируемая электронная эмиссия, каталитическое влияние свежеобнаженной поверхности металла, фрикционный подъём температуры и высокие контактные давления.
2. Устройство маслосистем
Маслосистема ГТД объединяет в себе системы смазки и суфлирования. В некоторых двигателях в ее состав входят также гидравлические устройства, использующие масло, как рабочую жидкость.
Типы маслосистем
По способу использования масла различают циркуляционные маслосистемы с однократной подачей масла к потребителям (разомкнутые).
В разомкнутой системе масло после прокачки через потребителя удаляют из двигателя, выводя в камеру сгорания или выходное устройство. Вместо насосной подачи масла в них часто используют вытеснительную. Такие системы весьма просты, имеют минимально возможное число элементов и малый вес, однако отличаются большим расходом масла. Поэтому их главным образом применяют в ГТД однократного действия.
В циркуляционных системах масло используют многократно. После прокачки через двигатель и восстановления свойств (охлаждения, очистки) его вновь подводят к потребителям. Системы смазки такого типа имеют малый расход масла, в связи с чем получили основное применение в ГТД. По характеру циркуляции масла относительно двигателя и маслобака эти системы подразделяют на замкнутые и короткозамкнутые. В замкнутых системах, (которые иногда называют нормально замкнутыми), циркуляция масла происходит через бак, после прокачки через потребителей оно поступает в бак с последующим возвратом в двигатель. В короткозамкнутых системах основное количество масло циркулирует через двигатель, минуя бак, из которого происходит восполнение циркулирующего контура с помощью специального подкачивающего маслонасоса (насоса подпитки), подводящего масло к нагнетательному насосу с повышенным давлением и обеспечивающего, вследствие этого, увеличение высотности системы. Благодаря более короткому циркуляционному контуру, в короткозамкнутых системах прогрев масла в начале работы ГТД происходит быстрее, чем в замкнутых, что особенно важно для маслосистем большой емкости (свойственных обычно для ТВД). Однако по сравнению с замкнутыми системами короткозамкнутые сложнее и имеют больший вес.
В зависимости от избыточного давления в системе суфлирования различают маслосистемы открытого и закрытого типов. В открытых системах масляные полости двигателя и воздушная полость маслобака, объединенные системой суфлирования сообщают с атмосферой, а в закрытых системах указанные полости наддувают, поддерживая в них постоянное избыточное давление небольшой величины с целью увеличения высотности системы, достигаемой снижением интенсивности кавитации масла на входе в нагнетающий и откачивающий насосы.
Структура циркуляционных маслосистем
Данные системы независимо от их разновидностей имеют три характерных магистрали – подпитки, нагнетания и откачки (образующие циркуляционную систему смазки двигателя) – и дополнены системой суфлирования.
Магистраль подпитки служит для подвода необходимого количества масла из бака к нагнетательному насосу. Чтобы высотность системы смазки была по возможности наибольшей, давление масла на входе в нагнетающий насос при его работе не должно быть чрезмерно низким (ниже 0,04…0,06Мпа), когда из масла происходит выделение пузырьков воздуха, т.е. возникает кавитация. Для создания необходимого статического давления перед нагнетающим насосом бак располагают возможно выше относительно насоса, а в закрытых маслосистемах его воздушную полость надувают. В магистрали подпитки короткозамкнутых систем устанавливают подкачивающий насос, редукционный клапан которого поддерживает постоянное давление масла перед нагнетающим насосом в пределах 0,06-0,08 МПа, что обеспечивает автоматическое восполнение циркуляционного контура системы и существенно увеличивает высотность.
Магистраль нагнетания обеспечивает подвод масла к потребителям под давлением 0,35-0,5 МПа. Такой диапазон давлений определен опытным путем и является оптимальным для маслосистем ГТД. При давлении масла меньше 0,35 МПа трубопроводы магистрали нагнетания необходимо выполнять увеличенного диаметра, что приведет к возрастанию веса маслосистемы. При давлении больше 0,5 МПА возможно существенное увеличение гидродинамического нагрева потребителей от высокоскоростной струи масла из форсунок.
В состав магистрали нагнетания входят следующие элементы:
1. Нагнетающий насос с редукционным клапаном, автоматически поддер-живающим заданное давление масла в магистрали. Производительность насоса в расчетных условиях (на земле) принимают в 1,5-2,5 раза выше потребной прокачки масла через двигатель, чтобы с увеличением высоты полета не происходило снижение фактической прокачки масла из-за уменьшения производительности насоса. Избыточное количество масла, подаваемого насосом на малых высотах, редукционный клапан перепускает с выхода из насоса на его вход и за счет этого поддерживает постоянное давление в магистрали нагнетания на всех высотах полета;
2. Запорный (или обратный) клапан, препятствующий перетеканию масла из бака в систему при неработающем двигателе. Пружина запорного клапана удерживает его в закрытом положении при давлении масла, не превышающем 0,02-0,05 МПа. В начале работы двигателя клапан открывается давлением, создаваемым нагнетающим насосом;