4.1 Трение при полужидкостной смазке

Такое трение имеет место при наличии одновременно жидкостной и граничной смазки.

Нормальная нагрузка в случае трения при полужидкостной смазке уравновешивается нормальной составляющей сил взаи­модействия поверхностей на площадках их контакта и силами гидродинамического давления в смазочном слое. Относительная доля каждой реакции зависит от нагрузки, скорости взаимного перемещения поверхностей, их шероховатости, жесткости и макрогеометрии, количества и вязкости смазочного материала. Сила трения складывается из касательной составляющей сил взаимодействия поверхностей и сопротивления вязкому сдвигу.

Рис. 4.1. Схема элементарного гидроди­намического клина, образованного не­ровностями поверхностей трения (а — длина элементарного масляного клина; hо— начальный зазор между поверхно­стями в вершине элементарного клина)

Гидродинамическое действие жидкости может возникнуть в двух случаях: 1) если макрогеометрия соприкасающихся поверх­ностей такова, что существует сужающийся зазор, в который масло может попасть при трении, то при подаче масла в доста­точном количестве и при подходящих параметрах режима тре­ния возникнет поток и образуется подъемная сила; однако эта сила недостаточна для полного восприятия нагрузки при полу­жидкостной смазке; поток жидкости обтекает участки взаимно­го контакта поверхностей; 2) если неровности между площад­ками контакта образуют в направлении относительного переме­щения деталей места сужения и расширения по высоте. При достаточном количестве масла между поверхностями трения для заполнения микрополостей сужения играют роль гидродинами­ческих микроклиньев (рис. 4.1.). Гидродинамическое действие масла на микроклиньях проявляется уже при самой малой ско­рости скольжения.

Преимущество смазочных масел перед твердыми смазочны­ми материалами заключается в том, что они могут не только создавать гидродинамический эффект при соответствующих ус­ловиях, но и служить для охлаждения узла трения.

4.2. Режимы трения в подшипнике скольжения

Рассмотрим условия перехода от одного вида трения к другому в присутствии жидкого смазочного материала. Если количество масла ограничено, но достаточно для образования адсорбированного монослоя и граничной пленки, то при трении первичный слой на вершинах неровностей поверхностей быстро износится, и трение при граничной смазке перейдет частично в трение без смазочного материала. Правда, благодаря подвиж­ности полярно-активных молекул адсорбированный монослой быстро восстанавливается, но на восстановление граничной фа­зы за счет передвижения масла из впадин неровностей потребу­ется значительное время. После восстановления граничной пленки условия трения улучшаются. Это может привести к ко­лебаниям коэффициента трения.

Весь смазочный материал через какой-то период срабаты­вается. Если же, помимо расхода на образование граничной пленки, имеется избыток масла, который заполняет впадины неровностей, то он служит для восстановления изнашиваемой граничной пленки. В этом случае трение при граничной смазке устойчиво. С увеличением подачи масла до необходимой для создания гидродинамического эффекта на выступах неровностей поверхностей или на макрогеометрических неровностях сопря­гаемых тел трение при граничной смазке переходит в трение при полужидкостной смазке. Последний вид трения вне зависи­мости от скорости скольжения поверхностей и вязкости смазоч­ного материала присущ любой паре трения при наличии доста­точного количества смазочного материала.

Рассмотрим более подробно подшипник скольжения. Пусть нагрузка, геометрические размеры, диаметральный зазор под­шипника, вязкость смазочного материала сохраняются постоян­ными. Будем изменять скорость вращения цапфы. При малой скорости скольжения поверхностей гидродинамический эффект их полного отделения не наблюдается, так как масло выдавли­вается из зазора. Трение только полужидкостное. С увеличени­ем скорости скольжения гидродинамические силы возрастают и взаимодействие поверхностей снижается, наконец, при некоторой скорости произойдет полное разделение поверхностей и наступит режим трения при жидкостной смазке. Дальнейшее увеличение скорости скольжения приведет к повышению внутреннего трения в слое смазочного материала, и коэффициент трения возрастет. Минимальный коэффициент трения соответствует началу трения при жидкостной смазке.

Аналогичное явление наблюдается при изменении вязкости смазочного материала: при малой вязкости масла жидкостной смазки не будет, но после достижения минимального коэффици­ента трения с увеличением вязкости масла повышается сопротив­ление трению. Противоположно действует удельная нагрузка: при большом давлении на опору условия для жидкостной смаз­ки неблагоприятны, снижение нагрузки до некоторой величины приводит к «всплыванию» цапфы: дальнейшее уменьшение на­грузки сопровождается увеличением толщины несущего слоя смазочного материала и сопротивления трению. Таким образом, режим трения в подшипнике определяется вязкостью , скоро­стью скольжения и давлением р, точнее, фактором ,.

Наглядное представление об условиях перехода одного ре­жима трения в другой дает диаграмма Герси, в которой коэф­фициент трения связан с параметром ,. (рис. 4.2). Этот па­раметр называют характеристикой режима подшипника. На диаграмме линия аа, проходящая через точку минимума коэф­фициента трения, разделяет области трения при жидкостной и других видах смазки. Последняя является областью неустойчивого коэффициента трения. Допустим, что подшипник работа­ет в режиме граничной смазки и по какой-либо причине повысилось давление. Тогда значение ,.уменьшится, и начальная точка на диаграмме переместится влево вверх. Сила Р трения возрастет, температура поверхностей и смазочного материала повысится, вязкость смазочного материала понизится, и сила трения еще более возрастет. При граничной смазке с повышени­ем нагрузки возрастает температура, и граничная пленка местами разрушается — трение будет происходить без смазочного мате­риала. Линия ,. отделяет область трения при граничной смазке от области трения несмазываемых поверхностей.

Фактор ,. является характеристикой режимов трения при полужидкостной и жидкостной смазке. При других видах трения вязкостные свойства смазочного материала можно не принимать во внимание. Что касается изменения коэффициента трения при малых, близких к нулю, значениях характеристики режима, то в зависимости от материалов деталей и среды кривая от точки, соответствующей коэффициенту трения покоя (скорость сколь­жения , может монотонно убывать либо возрастать и, пройдя через максимум, снижаться вплоть до критического ре­жима (минимального коэффициента трения).

Диаграмма Герси пригодна также для анализа явлений тре­ния в подпятниках и парах трения с возвратно-поступательным движением. В этих парах, как следует из диаграммы, на протя­жении одного хода возможны различные режимы трения.

В заключение коснемся вопроса о смазывании водой. Моле­кулы воды гидроксильной группы ОН способны прикрепляться к чистой поверхности металлов, пластмасс и резины. На неме­таллах образуется прочный ориентированный монослой. В ус­ловиях отсутствия гидродинамической смазки в парах металл — пластмасса и металл — резина осуществляется адсорбционное смазывание водой. В парах металл — металл такое трение быст­ро переходит в трение без смазочного материала.

Рис. 4.2. Диаграмма режимов трения в подшипнике:

1— трение несмазанных поверхностей; 2 — трение при граничной и при полужидкост­ной смазке; 3 — трение при жидкостной смазке