1.5.3 Граничное трение

Основной особенностью граничного трения является формирование граничных экранирующих слоев смазки. Чем толще такой слой, тем он устойчивее и медленнее разрушается на пиках давлений. Последнее обстоятельство способствует сохранению коэффициента трения на низком уровне. В 3,5 раза дольше сопротивляется износу слой смазки в 0,1 мкм по сравнению со слоем в 0,01 мкм (рисунок 1.15,а).

Толщина граничных смазочных слоев влияет и на их способность нивелировать шероховатость контактирующих поверхностей. Левая ветвь кривой 2 на рисунке 1.15,б падает пропорционально , а правая – растет с ростом деформационной составляющей.

Основные эксплуатационные режимы (нагрузка, скорость) также оказывают существенное влияние на процесс граничного трения. Рост нормальных контактных напряжений способствует увеличению коэффициента трения. Причем, этот процесс зависит от свойств применяемого смазочного материала (рисунок 1.15, в).

Рост скорости скольжения также вызывает увеличение коэффициента трения (рисунок. 1.15, г). Это экспериментально показано на паре сталь – бронза при смазке олеиновой кислотой. Увеличение сил трения вызвано ростом вязкостных характеристик смазочных слоев. Следует иметь в виду, что несмазанный подшипник качения зачастую обладает более низким моментом трения, чем смазанный. Это связано с вязкостным сопротивлением смазки движению.

1.5.4 Жидкостное трение

Этот вид трения реализуется при гидростатической, гидродинамической и эластогидродинамической смазке.

Гидростатическое трение определяется способом подачи смазки и конструкцией узла трения.

Гидростатическая смазка – это способ жидкостной смазки, когда давление в несущем смазочном слое между контактирующими поверхностями обеспечивается в результате постоянной принудительной циркуляции масла от гидронасоса.

При этом толщина смазывающего слоя определяется параметрами насоса и слабо зависит от нагрузки на узел. Гидростатическая смазка чаще всего используется для смазывания узлов трения с малым значением коэффициента перекрытия, прерывистыми контактными поверхностями, а также для малогабаритных тяжелонагруженных подшипниковых опор (рисунок 1.16).

Р асчёт гидростатических опор проводится на несущую способность (давление в смазочном слое, уравновешивающее рабочую нагрузку) и расход смазки (производительность насоса, создающего давление).

Гидродинамическое трение – это вид жидкостного трения, при котором слой смазки, разделяющий контактирующие поверхности, образуется за счёт формы и скорости относительных перемещений этих поверхностей.

Особенностью гидродинамической смазки является эффект возникновения уравновешивающего рабочие нагрузки давления в смазочном слое в результате относительного движения контактирующих тел.

Следовательно, для возникновения в зазоре гидродинамического трения необходимо: – относительное перемещение трущихся поверхностей;

– наличие в зазоре смазочной жидкости, обладающей вязкостью;

– форма сопрягаемых поверхностей должна обеспечивать затягивание жидкости в суживающуюся часть зазора.

Ч астицы смазки смачивают поверхность вала и «прилипают» к ней. Вращаясь, вал затягивает в зазор прилегающие частицы смазки благодаря силам инерции. Вязкость смазки обеспечивает захватывание прилегающими к валу частицами смазки соседних слоёв и смазка заполняет весь клиновой зазор (рисунок 1.17). Чем ниже скорость вращения вала, тем более вязкой должна быть смазочная среда для образования гидродинамического клина.

Соотношение инерционных и вязкостных сил определяется числом или критерием Рейнольдса

(1.11)

где – характерный размер (зазор), м; – скорость течения, м/с;

μ – кинематическая вязкость, м²/с.

Гидродинамический расчёт подшипников скольжения представляет собой достаточно сложную математическую задачу. На основании уравнения механики вязкой жидкости Навье-Стокса в 1883 г. Н.П. Петровым были заложены основы гидродинамических расчётов и получена формула, используемая в настоящее время для расчёта слабонагруженных подшипников. Формула Петрова имеет вид:

, (1.12)

где – сила трения;

S – площадь поверхности цилиндра единичной длины.

В 1886 г. Рейнольдс, исключив влияния инерции получил уравнение, носящее его имя:

(1.13)

где – ортогональные координаты в жидкости; – давление в смазочном слое;

ρ – плотность смазки; – скорость контактных поверхностей.

В уравнении Рейнольдса первый член правой части учитывает влияние клина, второй – растяжения, третий – сдавливания смазки. Сделав ряд упрощающих допущений, Рейнольдс решил это уравнение. В настоящее время гидродинамическая теория смазки интенсивно развивается в направлении снижения упрощений и повышения точности решений. Кроме того, в последнее время нашли применение смазочные жидкости неньютоновского типа - жидкости с нелинейными кривыми течения - зависимостями в координатах напряжения сдвига - скорость сдвига (рисунок 1.18).

Это так называемые микрополярные смазки, включающие до 10% массы твёрдых частиц размером 5…8 мкм. Давая значительный практический эффект, использование подобных жидкостей серьёзно усложняет гидродинамический расчёт подшипников.

Связь жидкостного и граничного трения наглядно прослеживается по диаграмме Герси-Штрибека (рисунок 1.19) в координатах: коэффициент трения – критерий Зоммерфельда, характеризующий нагруженность подшипника

, (1.14)

г де – угловая скорость.

На диаграмме ветвь ab соответствует жидкостному трению, cd – граничному, а зона bd – смешанному. Минимум зависимости, соответствующий – идеальная цель при проектировании узлов трения машин. Пунктирная прямая на этой диаграмме получена расчётом по формуле Петрова.

Следует отметить, что, несмотря на явные преимущества гидродинамической смазки, её реализация в целом ряде узлов трения конструктивно неосуществима.

Эластогидродинамическая смазка – это смазка, при которой толщина слоя жидкого смазочного материала между контактирующими поверхностями, находящимися в относительном движении, и трение, определяются упругими свойствами поверхностей трения и смазочного материала, а также реологическими (зависящими от времени) свойствами последнего в контактной зоне.

Этот режим наступает, когда подшипниковая втулка изготовлена из относительно низкомодульного материала (например, текстолита) или когда контактные напряжения весьма велики (например, между зубьями шестерён). В этих условиях опорные поверхности деформируются, а у смазочной среды повышается вязкость.

В настоящее время большинство задач эластогидродинамики может быть решено только численно на основе совместного решения уравнения Рейнольдса, уравнений механики сплошной среды (для упругих деформаций), зависимости изменения вязкости смазки от давления.

Эластогидродинамическая смазка нашла применение в так называемых некомфорных узлах трения.

Некомфорными узлами трения называются такие, в которых контактирующие поверхности не являются взаимным отображением (эквидистантами) друг друга. Это шарикоподшипники, зубчатые калёса, кулачковые механизмы и т.п.