Лабораторна робота №2 дослідження тертя у підшипниках ковзання

Вяжевич І. В. МА-111

2.1. Мета роботи

Експериментальне визначення моменту тертя; визначення коефіцієнта тертя.

2.2. Теоретичні відомості

Підшипники ковзання – це елемент опор валів і осей, поверхня цапф яких взаємодіє через шар мастила або безпосередньо з оновлюючою її нерухомою поверхнею підшипника. Підшипники ковзання вимагають систематичного нагляду і безперервного змащування, мають більш високі втрати на тертя при малих швидкостях обертання валів і потребують підвищення пускових моментів під час пуску машин в дію. Підшипники ковзання застосовують у випадках, коли довговічність підшипників кочення досить низька: при високій швидкості обертання, при високому навантаженні, при роботі у воді або агресивному середовищі, а також при необхідності мати роз’ємну конструкцію.

Вантажопідйомність і момент тертя залежать від геометричних і режимних параметрів підшипника ковзання: його діаметра d, довжини l , зазора , товщини мастильного шару у вузькому місті h_min, динамічної в’язкості мастила , кутової швидкості цапфи  і середнього тиску p=F_r/(ld), де F_r – радіальне навантаження на підшипник, а також параметра pV, де V=0,5d – швидкість ковзання або колова швидкість цапфи.

Більш загальною характеристикою геометрії та режиму роботи підшипників є безрозмірні відношення:

=/d – відносний зазор;

=(0,5–h_min)/0,5 – відносний ексцентриситет;

С_F – коефіцієнт навантаженості (критерій Зоммерфельда)

C_F=F_r²/(ld)=p²/() (1)

C_T=f/(C_F) – коефіцієнт опору обертанню.

Коефіцієнт тертя f у підшипниках ковзання прийнято характеризувати діаграмою Герci (рисунок 1).

По осі абсцис відкладаються C_F^-1 – величина, зворотня коефіцієнту навантаженості, яку можна назвати “коефіцієнтом розвантаженості”. Як тільки цапфа починає обертатися, тертя спокою замінюється сухим тертям. При цьому дотик шорстких поверхонь відбувається в умовах відсутності шарів мастила (мономолекулярного і граничного– квазикристалічного). Поява цих шарів обумовлює ковзання при граничній плівці мастила товщиною до 0,1 мкм. Молекули мастила орієнтуються перпендикулярно поверхні, як ворс. Гранична плівка знижує сили тертя в 2–10 разів порівняно з тертям сухих поверхонь і зменшує їх спрацьовування в сотні разів.

Між сухим і граничним тертям є перехідне – напівсухе або змішане. У цьому випадку гранична плівка має високий опір нормальному тиску, тоді як в дотичному напрямку молекулярні шари легко ковзають одне відносно другого. Опір відносному руху складається з опору зсуву граничного шару і опору пружно–пластичному деформуванню шорсткостей спряжених поверхонь.

На дільниці 0 – 1 діаграми Герсі f залежить не від в’язкості мастила, а від антифрикційних властивостей поверхонь цапфи і вкладиша. Для сталі по бронзі f=0,1...0,15; по сірому чавуну f=0,15...0,20; по бабітовій заливці f=0,07...0,12; по фторопласту f=0,05...0,08.

У цих умовах (біля точки 1) для оцінки вантажності підшипників ковзання користуються критеріями [p] i [pV], які відображають стійкість проти спрацьовування (невитискання мастила з контакту деталей) і теплостійкість робочих поверхонь.

Поза точкою 1 і до точки 2 тертя напіврідинне, бо на частині поверхонь цапфи і вкладиша залишається мастило, а на решті частин поверхонь тертя вже є шар рідинного мастила, що знаходиться під тиском (шар, що несе навантаження). Опір відносному руху складається з опору зсуву граничного шару і опору в’язкому зсуву шару рідинного мастила (шару, що несе навантаження). При зростанні С_F^-1 зменшується частина поверхонь з граничним шаром, зростає частина поверхонь з рідинним шаром, внаслідок чого зменшується f.

Д ля дільниць 0–1–2 діаграми Герсі цапфа має ексентричне положення у вкладиші замість початкового симетричного відносно лінії дії радіального навантаження F_r. На рисунку 2 рівнодіюча F_r реактивного тиску і тертя на цапфу зміщена проти руху на радіус r=0,5df. Аналогічний вираз f приймається як лінійне зниження на дільниці 1–2, бо плями рідинного, граничного й навіть сухого тертя з’являються і руйнуються безперервно. Цапфа із зростанням частоти її обертання і в’язкості мастила, а також із зменшенням тиску, відходить від вкладиша, при цьому зменшується дотик шорсткостей.

Рисунок 2 – Положення цапфи у вкладиші, сили і параметри

Точка 2–це є початок рідинного тертя. Під час якого робочі поверхні цапфи і вкладиша роз’єднані шаром мастила, товщина h_min якого більша за суму висот нерівностей поверхонь цапфи R_Z1 і вкладиша R_Z2. Опір руху дає тільки в’язкість мастила. При цьому коефіцієнт тертя дуже малий f=0,010...0,001. В точці 2 значення коефіцієнта C_F отримало назву критичного. Цапфа має ексцентричне положення у вкладиші (рисунок 3) без дотику до його поверхні, але з відносним ексцентриситетом . Рівнодіюча F_r реактивного гідродинамичного тиску і тертя від шару мастила у клиновому зазорі зміщена проти руху на мінімальну відстань r_T. Зовнішнє навантаження зрівноважується гідродинамічним тиском у мастильному шарі, який розподіляється нерівномірно згідно з епюрами

У гідростатичних підшипниках шар мастила .між поверхнями тертя створюється підведенням до них мастила під тиском.

Підшипник, що досліджується, – нероз’ємної конструкції. Сталевий загартований шип діаметром d=60мм і довжиною l=60мм входить в отвір бронзової втулки з діаметральним зазором =0,12мм.

Рідке мастило надходить до ненавантаженої зони втулки самопливом з мастильної арматури.

Кутова швидкість обертання шипа =169 с^-1 і швидкість його ковзання наближено V=5 м/с. Умовним розрахунком за показниками [p]=5МПа i [pV]=10МПам/с отримуємо вантажність підшипника ковзання.

[F_r]=[pV]ld/V=106060/5=7200 H