Как коленчатый вал держится на пленке масла тоньше волоса? Нагружай шейку, меняй обороты, температуру масла и зазор и смотри, как вал опускается к вкладышу и где в клине рождается давление.
Вал всегда немного тоньше вкладыша, между ними зазор в сотые доли миллиметра. Под нагрузкой вал смещается вбок и вниз, и зазор становится похож на клин: широкий с одной стороны, узкий с другой. Вращаясь, вал тащит масло в узкую часть, как водные лыжи загоняют воду под себя. Масло не успевает убежать, его давление растет в сотни раз выше, чем в масляной магистрали, и вал всплывает. Чем быстрее вал и гуще масло, тем выше он всплывает. Чем больше нагрузка, тем ближе он к вкладышу. Так работают вкладыши коленвала, шатунов и турбокомпрессора.
Конструктор считает S, по графику находит ε и проверяет, что пленка толще неровностей и частиц в масле. Числа берутся из опыта.
Как высоко всплывет вал?
Это число Герси из кривой Штрибека, умноженное на квадрат отношения радиуса к зазору. Большое S: вал почти в центре. Малое S: вал прижат к вкладышу.
Какой толщины пленка в самом узком месте?
Вал сместился на долю ε зазора, значит, с узкой стороны осталось c · (1 − ε). Ее сравнивают с неровностями и с частицами в масле: если частица крупнее пленки, она режет вкладыш.
Почему изношенный вкладыш роняет давление?
Масло вытекает через торцы вкладышей, и расход через щель растет как куб ее высоты. Насос подает столько же, а дыр стало больше: давление в магистрали падает. В опыте это упрощенное правило с живыми числами.
Слой масла, прилипший к валу, едет вместе с ним, а слой у вкладыша стоит. Через каждое сечение зазора вал протаскивает примерно половину своей скорости, умноженную на толщину зазора. Но зазор сужается: в узкое место столько масла не пролезет. Лишнему маслу некуда деться, и его давление растет, пока оно не начнет выдавливаться назад и в стороны. Это уравнение Рейнольдса.
Давление поднимается в сужающейся части и падает перед самым узким местом. В расширяющейся части масло не выдерживает разрежения, и давление там почти ноль. Равнодействующая всего давления и держит нагрузку W. Если нагрузка растет, клин должен стать круче: вал опускается, ε растет, hmin тает.
Как это зависит от выбора масла и его старения, показано в химии: «Смазочные материалы: вязкость и присадки». Как масло доходит до вкладышей, смотри в теме «Охлаждение и смазка».
Коренные и шатунные вкладыши держат вал на пленке в несколько микрон. Пока давление масла в норме, вкладыши служат до капремонта, то есть десятки тысяч моточасов.
Если давление упало, клин не наполняется, и вкладыш выплавляется за минуты. Поэтому двигатель останавливают сразу, а система защиты глушит его сама.
Когда зазор растет, давление на холостом ходу падает. По тренду давления масла в телеметрии и по меди и свинцу в анализе масла видно, что вкладыши пора менять.
При ремонте зазор меряют пластиковой калиброванной проволокой (пластигейдж) или микрометром и нутромером. Номинальный и предельный зазор берут из руководства по ремонту.
Вал турбины крутится до 100 000 об/мин на плавающих втулках. Если заглушить горячий дизель сразу, масло в подшипнике закоксуется: поэтому мотор перед остановкой охлаждают на холостом ходу.
Огромные валы шаровых мельниц на фабрике лежат в подшипниках скольжения. Перед пуском в них подают масло под давлением насосом, чтобы вал всплыл до начала вращения.
Эксцентриситет и давление посчитаны по теории короткого подшипника (Окверк) для L/D = 0,4 с граничным условием Гюмбеля: давление в расширяющейся части принято нулевым. Нагрузка постоянная, хотя в настоящем двигателе она меняется за каждый оборот, а вал описывает сложную орбиту. Вязкость 15W-40 пересчитана по Вальтеру и одинакова во всем зазоре, нагрев масла в клине не учтен. Влияние давления в магистрали задано простым правилом: клин наполняется на долю (1 − exp(−pм / 1 бар))², а падение давления с ростом зазора как pм = pн / (1 + ((c/c0)³ − 1) · 0,5). Граница 2 мкм для минимальной пленки условная. Зазор на рисунке увеличен в десятки раз.