La lubrificazione è il processo o la tecnica di utilizzo di un lubrificante per ridurre l'attrito e l'usura a contatto tra due superfici. Lo studio della lubrificazione è una disciplina nel campo della tribologia.
I lubrificanti possono essere solidi (come bisolfuro di molibdeno MoS2), dispersioni solido/liquido (come grasso), liquidi (come olio o acqua), dispersioni liquido-liquido o gas.
I sistemi lubrificati a fluido sono progettati in modo tale che il carico applicato sia parzialmente o completamente sostenuto dalla pressione idrodinamica o idrostatica, che riduce le interazioni del corpo solido (e di conseguenza l'attrito e l'usura). A seconda del grado di separazione superficiale si possono distinguere diversi regimi di lubrificazione.
Una lubrificazione adeguata consente un funzionamento regolare e continuo degli elementi della macchina, riduce il tasso di usura e previene sollecitazioni eccessive o grippaggi sui cuscinetti. Quando la lubrificazione si interrompe, i componenti possono sfregare in modo distruttivo l'uno contro l'altro, causando calore, saldature locali, danni distruttivi e guasti.
La lubrificazione è il controllo dell'attrito e dell'usura mediante l'introduzione di una pellicola di riduzione dell'attrito tra le superfici mobili a contatto. Il lubrificante utilizzato può essere una sostanza fluida, solida o plastica.
Sebbene questa sia una definizione valida, non riesce a realizzare tutto ciò che la lubrificazione effettivamente ottiene.
Molte sostanze diverse possono essere utilizzate per lubrificare una superficie. Olio e grasso sono i più comuni. Il grasso è composto da olio e un addensante per ottenere la sua consistenza, mentre l'olio è ciò che effettivamente lubrifica. Gli oli possono essere sintetici, vegetali o minerali, nonché una combinazione di questi.
L'applicazione determina quale olio, comunemente indicato come olio base, deve essere utilizzato. In condizioni estreme, gli oli sintetici possono essere utili. Laddove l'ambiente è fonte di preoccupazione, possono essere utilizzati oli di base vegetali.
I lubrificanti contenenti olio hanno additivi che migliorano, aggiungono o sopprimono le proprietà all'interno dell'olio base. La quantità di additivi dipende dal tipo di olio e dall'applicazione per la quale verrà utilizzato. Ad esempio, all'olio motore potrebbe essere aggiunto un disperdente.
Un disperdente mantiene la materia insolubile conglomerata insieme per essere rimossa dal filtro durante la circolazione. In ambienti soggetti a temperature estreme, da fredde a calde, può essere aggiunto un miglioratore dell'indice di viscosità (VI). Questi additivi sono lunghe molecole organiche che rimangono raggruppate in condizioni di freddo e si disfano in ambienti più caldi.
Questo processo cambia la viscosità dell'olio e gli consente di fluire meglio in condizioni di freddo pur mantenendo le sue proprietà ad alta temperatura. L'unico problema con gli additivi è che possono essere esauriti e, per riportarli a livelli sufficienti, generalmente è necessario sostituire il volume dell'olio.
Le funzioni primarie di un lubrificante sono:
A volte le funzioni di riduzione dell'attrito e prevenzione dell'usura vengono utilizzate in modo intercambiabile. Tuttavia, l'attrito è la resistenza al movimento e l'usura è la perdita di materiale a causa dell'attrito, della fatica da contatto e della corrosione. C'è una differenza significativa. Infatti, non tutto ciò che provoca attrito (ad es. attrito fluido) provoca usura e non tutto ciò che provoca usura (ad es. erosione cavitazionale) provoca attrito.
La riduzione dell'attrito è un obiettivo chiave della lubrificazione, ma ci sono molti altri vantaggi di questo processo. Le pellicole lubrificanti possono aiutare a prevenire la corrosione proteggendo la superficie dall'acqua e da altre sostanze corrosive. Inoltre, svolgono un ruolo importante nel controllo della contaminazione all'interno dei sistemi.
Il lubrificante funziona come un condotto in cui trasporta i contaminanti ai filtri da rimuovere. Questi fluidi aiutano anche nel controllo della temperatura assorbendo il calore dalle superfici e trasferendolo in un punto a temperatura più bassa dove può essere dissipato.
Esistono tre diversi tipi di lubrificazione:border, mixed e full film. Ogni tipo è diverso, ma si basano tutti su un lubrificante e sugli additivi all'interno degli oli per la protezione dall'usura.
La lubrificazione a film fluido è il regime di lubrificazione in cui, attraverso forze viscose, il carico è completamente supportato dal lubrificante all'interno dello spazio o spazio tra le parti in movimento l'una rispetto all'altra (la congiunzione lubrificata) e si evita il contatto solido-solido .
Nella lubrificazione idrostatica, viene applicata una pressione esterna al lubrificante nel cuscinetto per mantenere il film di lubrificante fluido dove altrimenti verrebbe spremuto.
Nella lubrificazione idrodinamica, il movimento delle superfici di contatto, così come il design del cuscinetto, pompano lubrificante attorno al cuscinetto per mantenere il film lubrificante. Questo design del cuscinetto può usurarsi quando viene avviato, arrestato o invertito, poiché il film lubrificante si rompe.
La base della teoria idrodinamica della lubrificazione è l'equazione di Reynolds. Le equazioni di governo della teoria idrodinamica della lubrificazione e alcune soluzioni analitiche si trovano nel riferimento.
Per lo più per superfici non conformi o condizioni di carico più elevate, i corpi subiscono sollecitazioni elastiche al contatto. Tale deformazione crea un'area portante, che fornisce uno spazio quasi parallelo attraverso il quale il fluido può fluire.
Proprio come nella lubrificazione idrodinamica, il movimento dei corpi in contatto genera una pressione indotta dal flusso, che funge da forza portante sull'area di contatto. In tali regimi di alta pressione, la viscosità del fluido può aumentare considerevolmente.
Alla lubrificazione elastoidrodinamica a film pieno, il film lubrificante generato separa completamente le superfici. A causa del forte accoppiamento tra l'azione idrodinamica del lubrificante e la deformazione elastica nei solidi a contatto, questo regime di lubrificazione è un esempio di interazione fluido-struttura.
La teoria elastoidrodinamica classica considera l'equazione di Reynold e l'equazione di deflessione elastica per risolvere la pressione e la deformazione in questo regime di lubrificazione. Può verificarsi anche il contatto tra elementi solidi in rilievo o asperità, che portano a un regime di lubrificazione mista o di confine.
Gli effetti idrodinamici sono trascurabili. I corpi entrano in contatto più stretto alle loro asperità; il calore sviluppato dalle pressioni locali provoca una condizione che prende il nome di stick-slip e si staccano alcune asperità.
In condizioni di temperatura e pressione elevate, i costituenti chimicamente reattivi del lubrificante reagiscono con la superficie di contatto, formando sulle superfici solide in movimento uno strato tenace o un film altamente resistente (film di confine) che è in grado di sopportare il carico e si verifica una forte usura o rottura evitato. La lubrificazione limite è anche definita come quel regime in cui il carico è sopportato dalle asperità superficiali piuttosto che dal lubrificante.
Questo regime si trova a metà strada tra i regimi elastoidrodinamici a film completo e quelli di lubrificazione al contorno. Il film lubrificante che si genera non è sufficiente a separare completamente i corpi, ma gli effetti idrodinamici sono notevoli.
La lubrificazione è necessaria per il corretto funzionamento di sistemi meccanici come pistoni, pompe, camme, cuscinetti, turbine, ingranaggi, catene a rulli, utensili da taglio, ecc. dove senza lubrificazione la pressione tra le superfici in stretta vicinanza genererebbe calore sufficiente per una rapida superficie danni che in condizioni grossolane possono letteralmente saldare tra loro le superfici, provocandone il grippaggio.
In alcune applicazioni, come i motori a pistoni, la pellicola tra il pistone e la parete del cilindro sigilla anche la camera di combustione, impedendo ai gas di combustione di fuoriuscire nel basamento.
Se un motore richiedesse lubrificazione pressurizzata, ad esempio, cuscinetti a strisciamento, ci sarebbero una pompa dell'olio e un filtro dell'olio. Sui primi motori (come un diesel marino Sab), dove non era richiesta alimentazione pressurizzata, sarebbe sufficiente la lubrificazione a sbattimento.
