книги из ГПНТБ / Подшипники из алюминиевых сплавов

Вычисленные по этим уравнениям значения и эксперименталь­ ные данные были близки по величине.

Сравнительные испытания различных сплавов на задиростой­ кость проведены в последнее время фирмой «Glacier» в Англии [288]. Испытания проводили на втулках, сопряженных со сталь­ ной цапфой, при различных нагрузках, изменявшихся после 24 ч работы в режиме пуск — остановка. Смазка подавалась в количе­ стве одной капли в течение 2000 циклов пуска и остановки. Испы­ тания проводили до тех пор, пока не возникал задир. Их резуль­ таты приведены в табл. 41, из которой видно, что наиболее высокой задиростойкостью обладают мягкие баббиты. Хорошие результаты получены для алюминиевых сплавов, содержащих 20% и более олова, и сплавов, содержащих свинец. У этих сплавов на­ грузка, вызывающая заедание, значительно выше, чем у свинцо­ вистой бронзы и алюминиевых сплавов с кадмием, несмотря на то что они испытывались с покрытиями.

В проведенных исследованиях при оценке сопротивляемости схватыванию и образованию задиров выгодно выделяются алю­ миниевые сплавы, содержащие мягкие структурные составляю­ щие, и среди них сплавы, содержащие свинец. Есть основание по­ лагать, что они найдут широкое использование для подшипников тяжело нагруженных дизелей.

4. ВЛИЯНИЕ РАЗЛИЧНЫХ ФАКТОРОВ НА РАБОТУ ПОДШИПНИКОВ

Общие сведения

Различают три основных режима трения: сухое, или трение юве­ нильных поверхностей, граничное, куда относят трение при на­ личии на трущихся поверхностях адсорбированных пленок, и жид­ костное трение.

Жидкостный режим трения определяется толщиной масляного слоя в наиболее узком месте зазора. Образование слоя в основ­ ном связано с тремя факторами: вязкостью масла Z, скоростью вращения вала ѵ и нагрузкой Р.

Чем выше нагрузка, тем больше сближение поверхностей вала и подшипника, т. е. больше эксцентриситет и меньше толщина масляного слоя. Скорость действует в обратном направлении: с увеличением ее повышается давление в масляном слое и умень­ шается эксцентриситет. В этом же направлении действует и вяз­ кость.

При жидкостном режиме главную роль играют объемные свойства масла — вязкость и изменение ее в зависимости от тем­ пературы. Основная работа трения затрачивается на преодоле­ ние сопротивления сдвигу отдельных слоев масла при движении вала.

Ф. П. Боуден [17] представил изменение толщины масляного слоя и коэффициента трения в зависимости от безразмерного критерия ZN/Р, как показано на рис. 120. С увеличением

223

трущейся пары. В реальных условиях эксплуатации подшипни­ ковый узел всегда работает с нарушениями режима жидкостного трения даже при установившейся работе, а запуск и остановка двигателей, как правило, происходят в режиме граничного тре­ ния. При работе в этом режиме перестают играть роль объемные свойства масла, а основное влияние оказывают его поверхност­

Изучением условий образования граничного режима и его па­ раметров занимались и занимаются многие исследователи [11, 18, 265]. Впервые изучением граничного трения начал заниматься В. Б. Гарди [265]. На основании опытов он установил, что поверх­ ности металлов обладают способностью адсорбировать за счет сил Ван-дер-Ваальса полярные молекулы смазки. При этом на трущихся поверхностях образуются граничные смазочные слои, обладающие большой прочностью и легкостью скольжения и сни­ жающие трение.

Ф. П. Боуденом [18] была создана химическая теория, соглас­ но которой при граничном трении, помимо физической адсорбции, создающей физическую связь масла с металлом, образуются гра­ ничные пленки в результате химического взаимодействия с метал­ лами жирных кислот, содержащихся в маслах. По способности вступать в реакцию с маслом металлы делятся на активные (на­ пример, Sn, Cu, Zn) и неактивные (Ag, Au, Pt и др.). Первые при взаимодействии с жирными кислотами образуют химические сое­ динения типа металлических мыл, которые являются хорошими смазками. Граничные пленки, образованные неактивными метал­ лами с жирными кислотами, имеют физическую связь с метал­ лами. Защитное действие их проявляется до температуры плавле­ ния жирной кислоты, а действие граничных пленок, образованных в результате химической реакции металлов с маслами,—до зна­ чительно более высоких температур [17, 238].

224

Защитное действие оказывают пленки толщиной в 1—2 моле­ кулы, но они быстро изнашиваются, а более длительную и эффек­ тивную защиту осуществляют толстые граничные пленки [185, 238], как это видно из рис. 121.

Различие между пленками, имеющими физическую и химиче­ скую связь с металлами, заключается также в том, что первые восстанавливаются в процессе разрушения или износа, поэтому повреждения поверхностей не наблюдается. Истирание или раз­ рушение химических пленок приводит к износу поверхностей

[185].

Трущиеся узлы даже при установившихся режимах эксплуа­ тации часто работают в условиях полужидкостного режима тре­ ния, когда одновременно проявляются объемные и поверхностные свойства масел. Относительная доля граничной и жидкостной смазки в этом режиме зависит от многих факторов.

Схематически процесс перехода из одного режима трения в другой представлен на рис. 122. Образование гидродинамического режима трения и доля этого режима в полужидкостном трении зависят от безразмерного критерия ZN/P, т. е. чем выше вязкость и скорость при одинаковой нагрузке, тем благоприятнее условия для создания режима жидкостного трения. Однако независимо от вязкости при малых скоростях нельзя получить режим жидко­ стного трения [291].

Скорость вращения вала оказывает также влияние на переход из режима полужидкостного трения в режим граничного.

Рис. 123. Влияние различных факторов на скорость, при которой происходит переход из режима жидкостного в режим граничного трения:

а — вязкости масла (парафиновое + 5% олеиновой кислоты); б — чистоты обработки трущихся поверхностей (/ — масло парафиновое, вязкость 88,5 SUS при 100° F; 2 — то же +5% олеиновой кислоты); в ~ нагрузки (масло парафиновое + 5% олеиновой кислоты)

нагрузки (рис. 123, в). Добавление в масло полярно-активных ве­ ществ влияния на скорость не оказывает, кроме случаев, когда изменяется вязкость масла.

Влияние чистоты обработки трущихся поверхностей

Чистота обработки трущихся поверхностей имеет большое значе­ ние для всех режимов работы узла.

2 2 6

Т а б л и ц а 42

При более высоком классе чистоты снижается доля граничного трения в общем режиме при прочих одинаковых условиях, облег­ чается переход к жидкостному режиму.

стей при этом намного больше толщины граничных пленок, кото­ рая не превышает 0,1 мк, поэтому граничные пленки только вос­ производят рельеф поверхности и затрудняют контактирование металлов трущейся пары и их схватывание. Предотвратить же зацепление микровыступов они не могут. Чем меньше высота вы­ ступов, т. е. чем выше класс чистоты, тем меньшая работа затра­ чивается на преодоление сопротивления сдвигу при зацеплении выступов. Граничные пленки будут сглаживать шероховатость только при V12 — V14 классе чистоты обработки, когда весь сдвиг при скольжении будет осуществляться в граничном слое.

Влияние температуры на режимы трения

Согласно современным представлениям большое влияние на проч­ ность масляной пленки и эффективность защиты трущихся поверх­ ностей от схватывания оказывает температура в зоне контакта. Это один из наиболее важных факторов, влияющих на работоспо­ собность трущегося узла.

228

При установившемся режиме работы повышение температуры масла в процессе эксплуатации приводит к снижению его вязко­ сти, уменьшению толщины масляного слоя и его несущей способ­ ности. В зависимости от типа материалов трущейся пары, сорта масла, его вязкости, степени очистки и других факторов трущийся узел по-разному реагирует на повышение температуры.

В режиме граничного трения влияние нагрева сказывается на смазывающей способности граничной пленки масла, связанной

схарактером взаимодействия масла с металлом.

X. Блок [236] предложил гипотезу о наличии определенной

для данного сочетания материалов и неактивной смазки темпера­ туры, превышение которой приводит к разрушению граничной пленки.

Причиной разрушения граничного слоя и вызванного им повы­ шения коэффициента трения является, как было доказано в даль­ нейшем [17, 238], десорбция граничного слоя в результате на­ грева. При этом повышается момент трения и изменяется харак­ тер скольжения поверхностей.

Температура, при которой происходит разрушение граничного слоя, определяет температурный предел применимости масла. При превышении этого предела масло не способно препятствовать кон­ такту металлов и их схватыванию. Эта температура была названа критической температурой для данного сочетания масла и ме­ таллов.

Обширные исследования по определению температурной стой­ кости граничных смазочных слоев проведены в ИМАШ Р. М. Мат­ веевским [146]. Были разработаны методики и созданы приборы для установления критических температур различных сочетаний масел и материалов [146, 145].

Испытания по определению критических температур произво­ дятся на приборе КТ2 [146, 225] по двум схемам:

трение одного вращающегося шарика по трем неподвижным — точечный контакт;

трение шарика по кольцевому образцу — линейный контакт. Чисто граничное трение при этих температурах достигается за

счет очень высоких нагрузок в зоне контакта и малых скоростей скольжения.

По первой схеме определяют критические температуры раз­ личных масел в процессе трения образцов из различных сталей при нагрузках до 300 кГ/см2 и очень малых скоростях (около 0,4 мм/сек). Вторая схема применяется для испытания масел в со­ четании с мягкими металлами при нагрузках и скоростях, не вызы­ вающих пластическую деформацию образцов.

Проверка влияния увеличения нагрузок на критическую тем­ пературу масла в сочетании с образцами из закаленной и отож­ женной стали показала [144], что при повышении нагрузок в пре­ делах 150—300 кГ/мм2 критическая температура вазелинового масла с присадкой 0,1% стеариновой кислоты при трении по об­ разцам из закаленной стали не изменяется, при испытании же

229

шариков из мягкой (отожженной) стали резко снижается. Объ­ ясняется это пластической деформацией мягких образцов, в ре­ зультате которой перемещение поверхностных слоев металла вы­ зывает разрушение граничной пленки.

Величина критических температур изменяется в зависим'-,сти от степени и характера легирования сплавов. Испытания алюми­ ниевых сплавов, содержащих различные легирующие элементы (Sn, Sb, Si, Zn, Cu), проведенные на машине КТ2 по схеме ша­ рик— кольцевой образец, показали, что легирование повышает температурную стойкость граничных слоев масла. Основное влия­ ние в этом случае оказывает характер окисной пленки. На чистом алюминии плотная и тонкая окисная пленка препятствует непо­ средственному контактированию металла со смазкой и образова­ нию граничных пленок. Удаление окисной пленки с алюминия приводит к образованию граничного слоя. При легировании алю­ миния свойства окисной пленки меняются, в ней появляются де­ фекты, что способствует взаимодействию металла со смазкой, при­ чем с повышением концентрации легирующего элемента умень­ шается различие в величине критических температур при

Влияние различных факторов на работу в режиме полужидкостного трения

Присутствие граничных слоев смазки на трущихся поверхностях уменьшает возможность схватывания и образования задира, но полностью ее не устраняет. Более приемлемым и чаще всего встре­

230

Рис. 128. Зависимость коэффициента трения от температуры масла при испы­ тании по стали:

а — баббита БК2; б — сплава А9-2; 1, 2, 3 и 4 — незакаленной цапфы при смазке соответственно вазелиновое масло, вазелиновое масло со стеариновой кислотой, дизельное масло и дизельное масло со стеариновой кислотой; 5, 6, 7 и 8 — закаленной цапфы при смазке соответственно вазелиновое

масло, вазелиновое масло со стеариновой кислотой, дизельное масло и дизельное масло со стеари­ новой кислотой

влияние, чем вязкость, оказывает степень очистки масла. Так, об­ разование режима граничного трения при испытании маловязких осевых масел грубой очистки только намечается при температу­ рах 150—190° С, в то время как переходная температура при испы­ тании высоковязкого дизельного масла равна примерно 100° С, после превышения которой резко повышается момент трения. Ме­ ханизм более надежного защитного действия масел грубой очистки подробно разбирается в работах [11, 17, 146, 185].

Резко повышается также переходная температура при введе­ нии в неактивное масло жирной кислоты. Так, добавка в высоко­ очищенные вазелиновое и дизельное масла 1% стеариновой ки­ слоты намного повышает температуру нарушения сплошности ма­ сляного слоя. Вместе с тем не наблюдается также резкого увеличения коэффициента трения при переходе за эти темпера­ туры (рис. 128).

231

объясняется более легкой приспосабливаемостью к геометриче­ скому контуру тех материалов, которые обладают большей спо­ собностью к пластической деформации.

Зависимость температуры перехода к режиму граничного тре­ ния от типа антифрикционного материала показана на рис. 129. Наиболее высокие температуры были получены при испытании мягкого баббита БК2. Этот сплав обладает самым низким коэффи­ циентом трения и плавным повышением его после переходной температуры. Наиболее высокий коэффициент трения и резкое повышение его при переходе к режиму граничного трения пока­ зал твердый цинковый сплав. Промежуточное положение зани­ мает алюминиевый сплав ACM.

Более благоприятное поведение баббита БК2 при нагреве объясняется лучшей способностью его приспосабливаться к мак­ рогеометрии сопряженной поверхности и образовывать прочные граничные пленки при ужесточении режимов трения.

На поведение различных сплавов при нагреве влияет не только род антифрикционного материала, но также содержание в мате­ риале одного рода различных структурных составляющих.

В работе [297] представлены результаты исследований, прове­ денных на оловянистых баббитах с различным содержанием сурьмы, меди и свинца. Эти элементы дают химические соеди­

232