Selon les différents matériaux lubrifiants entre les paires de friction, la lubrification peut être divisée en lubrification fluide (liquide, gaz) et lubrification solide (voir lubrifiant). Selon les différents états de frottement entre les paires de friction, la lubrification peut être divisée en lubrification fluide et lubrification limite. L’état de lubrification entre la lubrification fluide et la lubrification limite est appelé lubrification mixte ou lubrification dynamique fluide partiellement élastique. Lubrification fluide Dans des conditions appropriées, les deux surfaces de friction mutuelle peuvent être séparées par une couche de fluide visqueux d'une certaine épaisseur (plus de 1,5 à 2 microns), et la charge externe est équilibrée par la pression du fluide. La plupart des molécules de la couche fluide ne sont pas affectées par le champ électrique ionique de la surface de friction et peuvent se déplacer librement, c'est-à-dire que la friction n'existe qu'à l'état de lubrification entre les molécules fluides. Le coefficient de frottement de la lubrification fluide est très faible (inférieur à 0.01). Selon la manière dont la pression du film lubrifiant est générée, la lubrification fluide peut être divisée en lubrification dynamique et lubrification statique. Dans la recherche traditionnelle en mécanique de lubrification, le corps de friction et le fluide lubrifiant sont considérés respectivement comme des corps rigides et des fluides visqueux (fluides newtoniens). En fait, le corps de friction est un corps élastique, mais il peut parfois être simplifié en corps rigide. La lubrification dynamique des fluides qui doit prendre en compte les effets de la déformation élastique et de la pression sur la viscosité est appelée lubrification dynamique des fluides élastiques. Lorsque le corps de friction est dans un état plastique, la lubrification dynamique fluide qui doit prendre en compte l'effet plastique est appelée lubrification dynamique fluide plastique. La méthode de recherche traditionnelle sur la lubrification fluide a débuté en 1886 et son fondateur était O. Reynolds du Royaume-Uni. Les générations ultérieures ont collectivement qualifié les résultats de la recherche en mécanique de lubrification traditionnelle de mécanique de lubrification classique. En lubrification fluide, la viscosité du fluide est généralement évaluée par la viscosité. La figure 1 montre un modèle qui suppose que le fluide est incompressible et s'écoule de manière lamellaire. La relation entre la résistance visqueuse au cisaillement du fluide au mouvement tangentiel, c'est-à-dire la contrainte de cisaillement τ et le gradient de vitesse (le taux de variation de la vitesse du fluide u dans la direction perpendiculaire à la direction laminaire y) est où η est le constante proportionnelle, c'est-à-dire la viscosité, également appelée viscosité dynamique. La relation ci-dessus est appelée loi de frottement interne de l'écoulement laminaire d'un fluide (Figure 2), également connue sous le nom de loi de frottement interne de Newton. Les fluides dont le comportement d'écoulement est conforme à cette loi sont appelés fluides newtoniens. Pour les corps plastiques lipidiques (appelés fluides non newtoniens), la loi de frottement interne correspondante est où τ0 est la résistance initiale au cisaillement du lipide. Parfois, la dépendance du débit de fluide au temps doit également être prise en compte. L'équation de Reynolds est l'équation de base qui décrit la distribution de pression du film de lubrification dynamique des fluides. L'équation de Reynolds traditionnelle est basée sur l'équation de mouvement d'un fluide visqueux, également connue sous le nom d'équation de Navier-Stokes. Elle est simplifiée sur la base de certaines hypothèses après avoir été combinée avec l'équation de continuité de masse. L'équation universelle de Reynolds qui décrit la distribution de pression du film de lubrification fluide est la suivante : où v1 et v2 sont les vitesses des surfaces limites 1 et 2 le long de la direction x respectivement ; c'est le moment ; η est la viscosité dynamique du fluide ; p est la pression du film fluide ; h est la densité du fluide ; et h est l'épaisseur du film. Les deux termes du côté gauche de cette équation caractérisent la distribution de la pression du film, et les trois termes du côté droit indiquent les causes de la pression du film de lubrification dynamique fluide, à savoir l'effet de coincement, l'effet d'étirement de la surface et l'effet de compression. Habituellement, l’effet d’étirement de la surface est très faible et peut être ignoré. Lorsque l’épaisseur du film h ne change pas, l’effet de compression peut également être ignoré. Par conséquent, dans la plupart des conditions de travail, l’effet de calage du fluide lubrifiant est le principal terme qui génère la pression du film. Pour la lubrification hydrodynamique au gaz, une équation d’état doit être ajoutée à l’équation générale de Reynolds. Si le gaz lubrifiant est considéré comme un gaz réel et satisfait à la relation polytropique, l'équation supplémentaire est : Où T est la température absolue ; R est la constante du gaz spécifique ; n est l'indice d'expansion polytropique, n=cp/cv, cp et cv sont respectivement la chaleur spécifique à pression constante et la chaleur spécifique à volume constant. Lorsque n=1, c'est un écoulement isotherme ; lorsque n=1.401 (air), c'est un écoulement adiabatique. De plus, lorsque la température dans le film lubrifiant change fortement, provoquant un changement important de viscosité, une équation énergétique doit être ajoutée à l'équation générale de Reynolds pour la résoudre simultanément. Lubrification limite L'état de lubrification lorsqu'il y a un film mince (film limite) entre deux surfaces se frottant mutuellement. Ce phénomène se produit généralement au démarrage ou à l'arrêt de la machine. Le film limite peut être divisé en film d’adsorption et film de réaction (Figure 3). Le film formé par les molécules polaires du lubrifiant adsorbées sur la surface de friction est appelé film d'adsorption. Le film d'adsorption est divisé en film d'adsorption physique et film d'adsorption chimique. ① Film d'adsorption physique : l'attraction des molécules adsorbe fermement les molécules polaires sur la surface solide, et elles sont disposées de manière directionnelle pour former un film de surface d'une épaisseur d'une à plusieurs couches moléculaires. ② Film d'adsorption chimique : film de surface formé par la réaction de dégradation ou de polymérisation de certains composés organiques dans l'huile lubrifiante (tels que les dithiophosphates de dialkyle, les esters de diol d'acide dibasique, etc.), ou la force de liaison chimique générée par l'échange d'électrons de valence de molécules polaires dans l'huile lubrifiante avec des électrons sur la surface métallique, ce qui rend les molécules polaires du savon métallique disposées de manière directionnelle et adsorbées sur la surface pour former un film de surface. Les additifs contenus dans l'huile lubrifiante, tels que les agents extrême pression contenant des composés organiques tels que le soufre, le phosphore et le chlore, réagissent chimiquement avec la surface métallique pour former un film de surface pouvant résister à une charge importante, appelé film de réaction. Sous l'action de la chaleur de friction générée lorsque les pics convexes sur les deux surfaces de friction sont en contact direct et en mouvement relatif, le film de réaction se forme et se détruit en continu. Lorsque le film d'adsorption atteint la saturation, les molécules polaires sont étroitement disposées et la force de cohésion entre les molécules confère au film une certaine capacité portante, empêchant les deux surfaces de friction d'entrer directement en contact. La figure 4 est un modèle de l'effet lubrifiant du film d'adsorption. Lorsque la paire de friction glisse l'une par rapport à l'autre, le film d'adsorption glisse l'un par rapport à l'autre comme deux brosses, ce qui peut jouer un rôle lubrifiant et réduire le coefficient de frottement. Le film de réaction a un point de fusion élevé, n'est pas facile à adhérer, a une faible résistance au cisaillement, a une faible résistance au frottement et peut être détruit et formé en continu, de sorte qu'il peut empêcher un contact direct entre des surfaces métalliques et jouer un rôle lubrifiant. Les facteurs affectant les performances de lubrification du film d'adsorption comprennent la structure et la quantité d'adsorption des molécules polaires, la température, la vitesse et la charge. Lorsque le nombre d’atomes de carbone dans les molécules polaires augmente, le coefficient de frottement diminue. Lorsque la quantité d'adsorption des molécules polaires atteint la saturation, les performances de lubrification du film sont bonnes et stables. Lorsque la température de fonctionnement dépasse une certaine plage, le film d'adsorption sera dispersé ou désorbé et la lubrification échouera. Habituellement, le coefficient de frottement du film d'adsorption diminue avec l'augmentation de la vitesse jusqu'à une certaine valeur. Dans des conditions normales de travail, le coefficient de frottement du film d'adsorption est le même que celui du frottement sec et n'est pas affecté par la charge. Le film de réaction a une forte capacité anti-adhésive sous une pression extrêmement élevée et ses performances de lubrification sont plus stables que n'importe quel film d'adsorption. Son coefficient de frottement augmente avec l'augmentation de la vitesse jusqu'à une certaine valeur. Les films réactionnels sont souvent utilisés dans des conditions de charge élevée, de vitesse et de température élevées. Dans certaines conditions de travail, la capacité du film limite à résister à la rupture est appelée résistance du film limite. Elle peut être exprimée par la valeur pv critique, la valeur critique de température ou le coefficient de frottement critique. ① Valeur pv critique : dans une lubrification limite normale, lorsque la charge p ou la vitesse v augmente jusqu'à une certaine valeur, la température de la paire de friction augmente soudainement, et le coefficient de friction et l'usure augmentent fortement. La valeur pv correspondante lorsque la résistance du film limite atteint la valeur limite est appelée valeur pv critique. ② Valeur de température critique : lorsque la température de la surface de friction atteint le degré de désordre, de ramollissement ou de fusion du film limite, le film d'adsorption se désorbe, le coefficient de frottement augmente rapidement mais a toujours un certain effet de lubrification. La température à ce moment est appelée la première température critique. Lorsque la température continue d'augmenter jusqu'au point où l'huile lubrifiante (graisse) polymérise ou se décompose, le film limite se brise complètement, la paire de friction devient collante et l'usure augmente fortement, la température est appelée la deuxième température critique. La température critique est le paramètre principal pour mesurer la résistance du film limite. ③ Temps de frottement critiques : le nombre de frottements répétés lorsque le film limite atteint une défaillance de lubrification est appelé temps de frottement critiques.
L'ajout de lubrifiant entre deux surfaces en friction relative pour former une couche de film d'huile lubrifiante réduisant l'usure peut réduire le coefficient de friction, maintenir la résistance au frottement et réduire la consommation d'énergie. Par exemple, dans de bonnes conditions de frottement liquide, son coefficient de frottement peut être aussi bas que 0,001 ou même inférieur. À l’heure actuelle, la résistance au frottement est principalement la faible résistance au cisaillement du glissement mutuel entre les molécules dans le film lubrifiant liquide. Les lubrifiants entre les surfaces de friction peuvent entretenir l’usure causée par l’usure des particules dures, la rouille superficielle, ainsi que les soudures par morsure et les déchirures entre les surfaces métalliques. Par conséquent, si suffisamment de lubrifiants sont fournis entre les surfaces de friction, de bonnes conditions de lubrification peuvent être formées, le film d'huile peut être empêché d'être endommagé et la précision d'adaptation des pièces peut être maintenue, maintenant ainsi considérablement l'usure. Les lubrifiants peuvent réduire le coefficient de friction et maintenir la génération de chaleur de friction. Nous savons que le travail effectué par les machines en marche pour surmonter les frottements est entièrement converti en chaleur, dont une partie se diffuse vers l'extérieur du corps et dont une partie augmente continuellement la température des machines. Le système de lubrification par circulation centralisée utilisant des lubrifiants liquides peut évacuer la chaleur générée par la friction, jouer un rôle dans le refroidissement et contrôler le fonctionnement des machines dans la plage de température requise. La surface de la machine entrera inévitablement en contact avec le milieu environnant (tel que l'air, l'eau, la vapeur d'eau, les gaz et liquides corrosifs, etc.), provoquant la rouille, la corrosion et l'endommagement de la surface métallique de la machine. En particulier, les ateliers à haute température des usines métallurgiques et chimiques sont plus graves en termes de corrosion et d'usure. Pour les cylindres et les pistons des moteurs à vapeur, des compresseurs, des moteurs à combustion interne, etc., l'huile lubrifiante peut non seulement lubrifier et réduire la friction, mais également améliorer l'effet d'étanchéité, de sorte qu'il n'y ait pas de fuite d'air pendant le fonctionnement et améliorer l'efficacité du travail. La graisse a un effet particulier sur la formation d'un joint, ce qui peut empêcher l'eau ou d'autres poussières et impuretés de pénétrer dans la paire de friction. Par exemple, l'utilisation d'une garniture immergée dans l'huile et recouverte de graisse a un bon effet lubrifiant sur le joint de la tête d'arbre de la pompe à eau, et peut empêcher les fuites et les impuretés de poussière de pénétrer dans le corps de la pompe et jouer un bon rôle d'étanchéité. De plus, l’huile lubrifiante a également pour effet de réduire les vibrations et le bruit.
