7.2. Гидродинамическая жидкостная смазка

Условием реализации жидкостной смазки является полное разделение трущихся поверхностей слоем жидкого смазочного материала. Обеспечить такое разделение можно, зная закономерности механизма взаимодействия смазочного материала и трущихся поверхностей.

Один из таких механизмов реализуется в подшипниках скольжения при смещении трущихся поверхностей – это режим гидродинамической смазки.

На рис.7.3 и 7.4 представлены схемы поведения деталей подшипника скольжения при изменении скорости вращения вала.

Рис. 7.3. Схема возникновения несущего масляного слоя в подшипнике:

а – отсутствие вращения вала; б – вращающийся вал

Рис. 7.4. Положение вала в подшипнике:

a - момент трогания; б - установившийся режим;

в - изменение положения центра вала в подшипнике (полукруг Гюмбеля)

Исходное положение вала в подшипнике скольжения (рис.7.3,а) определяется диаметральным зазором и радиальным зазором = / 2. В момент трогания вал накатывается на подшипник, и ось вала отклоняется на угол (рис.7.4,а), а при последующем проворачивании вала осуществляется захват смазочного материала.

При достижении номинальной скорости вал занимает положение, соответствующее рис. 7.3,б и 7.4,б. Между валом и подшипником скольжения формируется слой смазочного материала с толщиной в месте максимального сближения. Разность между радиальным зазором и минимальной толщиной слоя смазочного материала определяет эксцентриситет оси вала относительно оси подшипника. Величина эксцентриситета зависит от величины Р нагрузки на подшипник и частоты вращения вала . Для характеристики подшипника скольжения используется относительный эксцентриситет .

В слое смазочного материала возникают напряжения, эпюры которых представлены на рис.7.4,в.

Величина номинального давления находится из зависимости

, (7.1)

где и - диаметр и длинна подшипника.

Величина максимального напряжения

Величина слоя смазочного материала в соответствии с гидродинамической теорией жидкостной смазки зависит от:

- частоты вращения вала ;

- номинального давления ;

- относительного диаметрального зазора ;

- вязкости смазочного материала .

Положение центра вала определяется безразмерным параметром . С ростом этого параметра центр вала перемещается к центру подшипника по траектории, близкой к полуокружности диаметром, равным радиальному зазору (полукруг Гюмбеля). На рис. 7.4,в в качестве величины диаметра использована относительная величина – относительная толщина масляного слоя

. (7.2)

При бесконечно большой величине параметра центр вала совпадает с центром подшипника. При этом , клиновидность зазора исчезает, а давление в масляном клине должно быть равным нулю. Такое состояние может наступить при отсутствии внешней нагрузки.

С уменьшением параметра толщина масляного слоя уменьшается, вытекание масла, нагнетаемого в эту область насосным действием вала, затрудняется, давление в масляном слое повышается, теоретически до бесконечности. Реально отклонение от цилиндричности, шероховатость, наличие загрязнения в смазочном материале ограничивают несущую способность подшипника.

При гидродинамической смазке относительный эксцентриситет и относительная минимальная толщина являются функциями безразмерного числа Зоммерфельда

. (7.3)

Существует оптимальное значение, , при котором режим гидродинамической жидкостной смазки наиболее устойчив.

Выше этого значения небольшие изменения нагрузки ведут к значительному смещению центра вала (полукруг Гюмбеля), которые легко переходят в циклические вихревые движения.

Взаимосвязь между числом Зоммерфельда и относительной минимальной толщиной смазочного слоя может быть выражена следующими зависимостями для различных значений отношения длины к диаметру подшипника :

(7.4)

. (7.5)

Для этих случаев оптимальный относительный зазор

. (7.6)

Предельное значение относительного зазора, при котором еще реализуется гидродинамическая жидкостная смазка:

. (7.7)

Ограничение на реализацию режима гидродинамической смазки накладывает и величина безразмерного параметра Рейнольдса

,

где - минимальный слой смазочного материала, мм;

- средняя скорость жидкостной пленки, мм/с;

- кинематическая вязкость смазочного материала, мм²/с.

При Re > 1900 ламинарное течение смазочного материала переходит в турбулентное, что ведет к нарушению режима жидкостной смазки.