Режимы трения в подшипниках; трение скольжения

При наличии смазочного материала, количества которого достаточно для проявления его объемных свойств, реализуется жидкостная смазка. Жидкостная смазка характеризуется тем, что поверхности трения разделены слоем жидкого смазочного материала (масла), причем последний находится под давлением. Давление смазочного материала уравновешивает внешнюю нагрузку. Масляный слой при этом называют несущим. При толщине слоя большей толщины граничной пленки уменьшается степень влияния поверхностей деталей на далеко отстоящие от них молекулы масла. Слои, находящиеся на расстоянии больше 0,5 мкм от поверхности, приобретают возможность свободно перемещаться один относительно другого. При жидкостной смазке сопротивление движению определяется внутренним трением (вязкостью) масла и складывается из сопротивлений скольжению его слоев по толщине смазочного слоя. Этот режим трения характеризуется исключительно малыми коэффициентами трения и поэтому является оптимальным для узлов трения вследствие малых потерь энергии, долговечности и износостойкости. Причем сила трения при жидкостной смазке не зависит от природы сопрягаемых поверхностей.

Явления трения при жидкостной смазке было открыто в 1883 г. Н. П. Петровым, создавшим основы гидродинамической теории смазки и сформулировавшим основные требования, выполнение которых обеспечивает проявление гидродинамического эффекта. Современная гидродинамическая теория позволяет определить несущую способность масляного слоя и его минимальную толщину. Однако выводы теории относятся к абсолютно жестким, идеально гладким поверхностям сопряженных деталей, которые выполнены и смонтированы достаточно точно.

Существуют два способа создания давления в несущем слое. При первом способе специально предусмотренный насос создает гидростатическое давление, достаточное для разделения поверхностей трения (рис. 10). На приведенном принципе работают так называемые гидростатические опоры скольжения. Утечка масла в подшипнике компенсируется соответствующей подачей насоса. При втором способе давление в смазочном слое развивается автоматически. Такие опоры называют гидродинамическими. Для этого необходимы соответствующие конструктивные решения и подбор марки масса в зависимости от скорости скольжения.

Рис. 10. Схема создания давления в гидростатическом подшипнике

Механизм образования давления в гидродинамическом слое рассмотрим на примере плоской опоры (рис. 11).

Рис. 11. Схема образования гидродинамического несущего слоя в подшипнике (а) и распределение давления по длине зазора (б)

Пусть пластина A-A переместится с некоторой скоростью v под углом α к неподвижной опоре B-B. Промежуток между пластиной и опорой заполнен вязкой жидкостью. Слой жидкости, смачивающий пластину A-A, силами вязкого трения приводит в движение смежные с ним по высоте слои. Так движение будет передаваться от одного слоя к другому за исключением слоя, смачивающего неподвижную опору B-B. В итоге масло будет вовлекаться в сужающийся клиновый зазор и в нем будет поддерживаться давление. Это давление не будет постоянным по длине, поскольку на входной и выходной кромках масло соприкасается с атмосферой и здесь избыточное давление равно нулю. Графики скоростей движения жидкости в зазоре показаны на рисунке. Несущая способность (или грузоподъемность) смазочного слоя равна равнодействующей силе давления. Такой силой можно нагрузить пластину при заданных ее размерах, скорости перемещения и вязкости масла.

Клиновый зазор является необходимым условием поддержания режима трения в гидродинамической опоре. В плоских опорах клиновый зазор создается конструктивно, с помощью скосов поверхности, как это имеет место в ползунах и кольцевых опорах, либо благодаря самоустановке опорной поверхности (упорные подшипники типа подшипника Мичелла).

В опорном подшипнике скольжения диаметр отверстия больше диаметра цапфы (вала или шейки подшипника), в результате между цапфой и вкладышем образуется клиновой серповидный зазор. При вращении цапфы смазочная жидкость вовлекается силами вязкости в сужающийся зазор, что приводит к повышению давления в слое жидкости. При достаточных вязкости смазочного материала и скорости на окружности цапфы в слое масла создается давление – цапфа как бы всплывает на слое масла. Центр цапфы смещается от своего начального положения. Давление в слое масла поддерживается насосным действием вращающейся цапфы.

На рис. 12 показано положение цапфы в подшипнике при жидкостной смазке и приведены графики распределения давления в слое масла по поперечному сечению и по длине.

Рис. 12. Схема распределения давления в поперечном (а) и продольном (б) сечении подшипника

Для осуществления жидкостной смазки необходимо, чтобы наименьшая толщина смазочного слоя при гладких поверхностях и прочих идеальных условиях была не менее толщины, при которой проявляются объемные свойства жидкости. Для шероховатых поверхностей наименьшая толщина слоя – минимальное расстояние между вершинами выступов неровностей сопрягающихся поверхностей. Согласно прикладной гидродинамической теории смазки в качестве необходимого условия трения при жидкостной смазке минимальный зазор между поверхностями должен быть не менее суммы средних высот неровностей поверхностей, что позволяет избежать зацепления неровностей. При этом одно из тел трение должно «всплыть» не менее чем на сумму средних высот неровностей. При определении наименьшей допустимой (критической) толщины смазочного слоя учитывают также степень деформации под нагрузкой, погрешности изготовления и монтажа деталей и возможность присутствия твердых примесей в масле.

Трение при жидкостной смазке возможно не только между скользящими поверхностями. При качении, либо качении со скольжением цилиндрических и вообще криволинейных поверхностей в сужающийся со стороны входа зазор вовлекается смазочная жидкость, которая при некоторых условиях (нагрузке, скорости, упругих характеристиках и геометрии поверхностей) разделяет их своим слоем.

Остановимся на условиях перехода от одного вида трения к другому при наличии между поверхностями трения жидкостной смазки. Если существует избыток масла сверх количества, необходимого на образование граничной пленки, то этот избыток восстанавливает изнашиваемую граничную пленку. При этом процесс трения при граничной смазке протекает устойчиво. Дальнейшее увеличение количества масла в зазоре сопряженных деталей приводит к переходу трения при граничной смазке в трение при жидкостной смазке. Этот вид трения при наличии достаточного количества масла присущ любой паре трения независимо от скорости скольжения поверхностей и вязкости масла.

Пусть в подшипнике скольжения нагрузка, геометрические параметры, зазор между цапфой и корпусом, вязкость смазочного материала постоянны, а изменяется лишь скорость вращения цапфы. При малой скорости скольжения поверхностей масло выдавливается из зазора и гидродинамического эффекта не наблюдается - имеет место полужидкостная смазка. При повышении скорости скольжения наступает момент, при котором давление в слое жидкости повышается настолько, что происходит полное разделение поверхностей. При дальнейшем увеличении скорости возрастает внутреннее трения в слое смазочного материала и коэффициент трения повышается.

Аналогичное явление наблюдается при изменении вязкости смазочного материала. Удельная нагрузка оказывает противоположное действие. При большом давлении на опору условия для жидкостной смазки неблагоприятны. При слишком малой нагрузке увеличивается толщина смазочного слоя, в котором повышается внутреннее трение.

Из вышесказанного следует, что режим трения определяется вязкостью μ масла, скоростью скольжения v и давлением p. Совокупность приведенных параметров называют фактором μv/p. Для описания режима трения в подшипниках используют зависимость коэффициента трения от приведенного фактора, которую называют диаграммой Герси, приведенную на рис. 13.

Рис. 13. Диаграмма режимов трения в подшипнике: 1 - трение несмазанных поверхностей; 2 - режим трения при граничной и полужидкостной смазке; 3 - гидродинамическая смазка

Фактор μv/p является характеристикой режимов трения при полужидкостной и жидкостной смазке, при других видах трения вязкость смазочного материала обычно не принимают во внимание. Приведенная диаграмма может использоваться для анализа явлений в парах трения с возвратно-поступательным движением и подпятниках. Для этих механизмов характерны различные режимы трения на протяжении одного хода подвижного звена.

Раздел 7

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском: