Có 04 chế độ bôi trơn: Bôi trơn đường biên, bôi trơn màng dầu hỗn hợp, bôi trơn thủy động đàn hồi (EHL) và bôi trơn thủy động.
Bôi trơn đường biên (ranh giới)
Bôi trơn đường biên liên quan đến tiếp xúc kim loại với kim loại giữa hai bề mặt trượt của máy móc. Trong quá trình khởi động ban đầu hoặc tắt máy của một số thiết bị (ví dụ: ổ trục) hoặc trong điều kiện tải nặng (chốt và bạc lót của thiết bị xây dựng), các bề mặt kim loại trong hệ thống bôi trơn thực sự có thể tiếp xúc nghiêm trọng với nhau. Nếu màng dầu không đủ dày để khắc phục độ nhám bề mặt của kim loại, giá trị lambda sẽ nhỏ hơn một.
Chúng ta thường muốn tránh bôi trơn đường khi có thể. Các chuyên gia bôi trơn đồng ý rằng ma sát có thể ở mức cao nhất trong chế độ bôi trơn này. Điều này xảy ra khi khởi động, tắt máy, tốc độ thấp hoặc điều kiện tải cao.
Chế độ bôi trơn đường biên xảy ra trong bất kỳ điều kiện nào mà độ nhám của hai bề mặt được bôi trơn trong chuyển động tương đối có thể tiếp xúc vật lý và có khả năng mài mòn và/hoặc bám dính. Các kỹ sư bôi trơn và nhà nghiên cứu về ma sát đã nói rằng có tới 70% mài mòn xảy ra trong giai đoạn khởi động và tắt máy.
Một phương pháp chính để giảm bôi trơn đường biên là cung cấp độ nhớt bôi trơn phù hợp. Chất bôi trơn có độ nhớt quá thấp không thể giữ cho các bề mặt kim loại tách biệt và xảy ra hiện tượng tiếp xúc kim loại với kim loại. Chất bôi trơn có độ nhớt quá cao sẽ làm tăng ma sát phân tử của dầu bôi trơn. Ảnh hưởng của lực cắt trượt dầu bên trong cơ phận máy móc sẽ khiến các lớp dầu trượt qua nhau và do đó sẽ làm tăng nhiệt độ vận hành và tổn thất năng lượng.
Một phương pháp dự phòng để giảm hiện tượng này trong chế độ bôi trơn đường biên là sử dụng dầu bôi trơn được pha chế đầy đủ bao gồm các chất phụ gia chống mài mòn hoặc chịu cực áp (EP). Các chất phụ gia này phản ứng với các bề mặt kim loại, tiếp xúc bằng cách phản ứng với áp suất và nhiệt độ cao khi chúng tiếp xúc và ngay lập tức tạo thành một lớp màng mềm (dẻo) trên bề mặt kim loại (sắt).
Sau đó, lớp màng mới này hoạt động như một lớp màng hy sinh khi các bề mặt trượt hoặc lăn qua nhau. Lớp màng hóa học do chất phụ gia tạo thành bị mài mòn thay vì bề mặt kim loại.
Bôi trơn màng dầu hỗn hợp
Nói chung, bôi trơn đường biên giảm khi tốc độ trượt tăng, tạo ra một lớp màng bôi trơn giữa các bề mặt chuyển động. Khi khả năng tiếp xúc về độ nhám giảm và độ dày của màng dầu tăng, hệ số ma sát giảm đáng kể được gọi là bôi trơn hỗn hợp.
Một số tải bề mặt nhám kim loại-kim loại vẫn xảy ra kết hợp với tải (lực nâng) trên chất bôi trơn. Đây là trạng thái trung gian giữa chế độ bôi trơn đường biên và chế độ bôi trơn thủy động/đàn hồi thủy động, vùng xám giữa chúng. Khi độ dày của màng dầu tăng thêm, chế độ bôi trơn này chuyển sang màng dầu bôi trơn đầy đủ, có thể là bôi trơn đàn hồi thủy động hoặc bôi trơn thủy động.
Bôi trơn thủy động (HD)
Chế độ bôi trơn này xảy ra giữa các bề mặt trượt khi một lớp dầu đầy đủ hỗ trợ và tạo ra khoảng hở làm việc (ví dụ: giữa trục quay và ổ trục). Để bôi trơn thủy động được áp dụng thành công, phải có mức độ phù hợp hình học cao giữa các thành phần máy (ví dụ: đường cong của trục và đường cong của vỏ trong ổ trục rất giống nhau) và áp suất tiếp xúc thấp (100 đến 300 psi trong ổ trục công nghiệp) giữa các bề mặt chuyển động tương đối.
Điều kiện để chế độ bôi trơn này xảy ra sau khi máy móc bắt đầu quay, tốc độ và tải trọng tạo thành một lớp màng dầu giữa bề mặt trục và ổ trục. Lớp dầu này nâng trục ra khỏi bề mặt của ổ nên ít có nguy cơ tiếp xúc với độ nhám của bề mặt kim loại. Đây là tình trạng mong muốn để tránh ma sát và mài mòn xảy ra.
Bất kỳ loại ma sát nào còn lại đều nằm trong chính chất bôi trơn, vì các cấu trúc phân tử của dầu trượt qua nhau trong quá trình vận hành. Các màng dầu thường có độ dày từ 2 - 100 micron (0,00008 - 0,004 inch). Chúng có thể lớn hơn (300 micron hoặc 0,012 inch) ở các ổ trục có đường kính rất lớn. Giá trị lambda (tỷ lệ độ dày màng dầu trên độ nhám bề mặt) thường lớn hơn 2.
Để bôi trơn thủy động có hiệu quả, độ nhớt của dầu phải đủ để đảm bảo điều kiện thủy động được duy trì trong mọi điều kiện vận hành, chẳng hạn như tốc độ và tải trọng cao, tốc độ thấp và tải trọng cao, tốc độ thấp và tải trọng thấp, v.v. Nếu điều kiện vận hành khiến khe hở làm việc bị giảm quá nhiều, có thể xảy ra tiếp xúc kim loại với kim loại giữa các điểm cao hoặc điểm gồ ghề của kim loại.
Nếu độ nhớt của dầu quá cao (màng dầu dày), lực cản bên trong (lực cản) của các phân tử dầu sẽ làm giảm hiệu quả vận hành và nhiệt độ sẽ tăng. Bạn có thể nghĩ về bôi trơn thủy động giống như hiện tượng vận động viên trượt nước hoặc khi lốp xe ô tô mất tiếp xúc với mặt đường. Chiếc ô tô nặng có thể được hỗ trợ trên chất lỏng có độ nhớt thấp (nước) và mất tiếp xúc với mặt đường do tốc độ của ô tô. Nhiều yếu tố tương tự đang diễn ra trong quá trình bôi trơn thủy động.
Bôi trơn thủy động đàn hồi (EHL)
Điều kiện bôi trơn thủy động đàn hồi xảy ra khi có chuyển động lăn giữa các phần tử chuyển động và vùng tiếp xúc có mức độ phù hợp thấp. Ví dụ, lưu ý rằng đường cong của con lăn và rãnh trong ổ bi lăn rất khác nhau.
Trên thực tế, con lăn và rãnh bên trong cong theo các hướng ngược nhau và do đó có diện tích tiếp xúc nhỏ (gần như là một điểm tiếp xúc duy nhất). Điều này tạo ra áp suất tiếp xúc cao (hàng trăm nghìn psi)
Khi dầu đi vào vùng tiếp xúc giữa bi và rãnh lăn (bằng tác động lăn), áp suất của dầu tăng mạnh. Áp suất cao này lần lượt làm tăng đáng kể độ nhớt và khả năng chịu tải của dầu. Tải trọng tập trung này sẽ làm biến dạng nhẹ kim loại của các phần tử lăn và lăn trong vùng tiếp xúc. Biến dạng chỉ xảy ra trong vùng tiếp xúc và kim loại trở lại trạng thái bình thường một cách đàn hồi khi quá trình quay tiếp tục.
Rõ ràng, quá trình luyện kim và xử lý nhiệt của kim loại rất quan trọng đối với chế độ bôi trơn này. Vì độ nhớt của dầu bị ảnh hưởng trực tiếp bởi nhiệt độ, rõ ràng là nhiệt độ vận hành không chính xác hoặc bất thường sẽ ảnh hưởng đến quá trình hình thành lớp bôi trơn thủy động đàn hồi (EHL).
Ví dụ về các ứng dụng máy móc hoạt động theo EHL là ổ đỡ bi lăn, răng của bánh răng và tiếp xúc lăn là nơi xảy ra tải trọng tiếp xúc lăn cao nhất. Nếu các điều kiện vận hành như tốc độ, tải trọng và nhiệt độ không bị vượt quá, tiếp xúc nhám có thể không bao giờ xảy ra do đặc tính đáng chú ý này của chất bôi trơn và kim loại.
Độ dày của lớp dầu thường ở mức 1 micron (rất, rất mỏng). Tuy nhiên, EHL được coi là hoạt động trên lớp màng dầu đầy đủ (độ nhám bề mặt ở mức 0,4 đến 0,8 micron).