Условия работы и виды разрушения

Вращению цапфы в подшипнике противодействует момент сил трения. Работа трения нагревает подшипник и цапфу. От поверхности трения тепло отводится через корпус подшипника и вал, а также уносится смазывающей жидкостью. Для любого установившегося режима работы подшипника существует тепловое равновесие: теплоотдача равна тепловыделению. При этом устанавливается определенная температура. Чем больше тепловыделение и хуже условия теплоотдачи, тем выше температура теплового равновесия. Эта температура не должна превышать некоторой предельной величины, допускаемой для данного материала подшипника и сорта смазки. С повышением температуры понижается вязкость масла и увеличивается вероятность заедания цапфы в подшипнике. В конечном результате заедание приводит к выплавлению вкладыша. Перегрев подшипника является основной причиной его разрушения.

Работа подшипника сопровождается износом вкладыша и цапфы, что нарушает правильную работу механизма и самого подшипника. Если износ превышает норму, подшипник бракуют. Интенсивность износа, связанная также с величиной работы трения, определяет долговечность подшипника.

При действии переменных нагрузок (например, в поршневых двигателях) поверхность вкладыша может выкрашиваться вследствие усталости.

Трение и смазка Режимы трения и критерии расчета

Величина работы трения является основным показателем работоспособности подшипника. Трение определяет износ и нагрев подшипника, а также его к.п.д. Для уменьшения трения подшипники скольжения смазывают.

В зависимости от режима работы подшипника в нем может быть полужидкостное или жидкостное трение. Схематизированное представление об этих режимах дает рис.15.3.

При жидкостном трении рабочие поверхности вала и вкладыша разделены слоем масла, толщина h которого больше суммы высот R_z неровностей поверхностей (на рис.15.3 разделяющий слой масла изображен толстой черной

Рис.15.3

линией) h > Rz1 + Rz2 (15.1) При этом условии масло воспринимает внешнюю нагрузку, предотвращая непосредственное соприкосновение рабочих поверхностей, т.е. их износ. Сопротивление движению в этом случае определяется только внутренним трением в смазочной жидкости. Величина коэффициента жидкого трения располагается в пределах 0,001  0,005 (эта ве-

личина может быть меньше коэффициента трения качения).

При полужидкостном трении условие (15.1) не соблюдается, в подшипнике будет смешанное трение – одновременно жидкостное и сухое. Величина коэффициента полужидкостного трения зависит не только от качества масла, но также и от материала трущихся поверхностей. Для распространенных антифрикционных материалов коэффициент полужидкостного трения колеблется от 0,008 до 0,1.

Полужидкостное трение сопровождается износом трущихся поверхностей.

Для работы подшипника самым благоприятным режимом является режим жидкостного трения. Образование режима жидкостного трения является основным критерием расчета подшипников скольжения. При этом одновременно обеспечиваются критерии работоспособности по износу и заеданию.

На рис.15.4 показаны две пластины А и Б, залитые маслом и нагруженные силой P. Под действием силы Q пластина А движется относительно Б со скоростью . Если скорость  мала (рис.15.4,а), а пластина А выжимает смазку с пластины Б. Поверхности пластин непосредственно соприкасаются. При этом образуется полужидкостное трение.

При достаточно большой скорости  (рис.15.4,б) пластина А поднимается в масляном слое и принимает наклонное положение, подобно тому, как поднимается глиссер или водные лыжи, скользящие по воде.

Рис. 15.4

Между пластинами образуется сужающий зазор. Вязкое и липкое масло непрерывно нагнетается в этот зазор. Протекание масла через сужающийся зазор сопровождается образованием давления p (рис.15.4,б), которое уравновешивает внешнюю нагрузку. В этом случае движение продолжается в условиях жидкостного трения. Переход к режиму жидкостного трения происходит при некоторой скорости, называемой критической _кр.

Гидродинамическая теория смазки доказывает, что гидродинамическое давление может развиваться только в сужающемся зазоре, который принято называть клиновым. В нашем примере начальный клиновый зазор образуется с помощью скошенной кромки пластины А.

Если конструкция подшипника не имеет клинового зазора, в подшипнике не может образоваться жидкостное трение. Например, простой плоский подпятник (рис.15.1,б) не имеет клинового зазора и не может работать при жидкостном трении.

Для образования клинового зазора, а следовательно, и условий жидкостного трения опорной поверхности подпятника придают специальную форму

(см.рис.15.11).

В радиальных подшипниках клиновая форма зазора свойственна самой конструкции подшипника. Она образуется за счет смещения центров цапфы вала и вкладыша (рис.15.5,а).

При угловой скорости   _кр цапфа всплывает в масле и несколько смещается в сторону вращения по траектории, указанной на рис.15.5,б. С увеличением угловой скорости увеличивается толщина разделяющего масляного слоя h, а центр цапфы сближается с центром вкладыша. При    расстояние между центрами е  0. Полного совпадения центров быть не может, так как при этом нарушается клиновая форма зазора, как одно из условий режима жидкостного трения.

Исследования показывают, что для подшипников с определенными геометрическими параметрами толщина масляного слоя h является некоторой функцией характеристики рабочего режима подшипника

h = Ф (/p), (15.2)

Рис. 15.5

где /p – характеристика рабочего режима подшипника;  - абсолютная вязкость масла (сопротивление относительному сдвигу слоев жидкости;  = n/30 – угловая скорость цапфы; p = P/ld – условная нагрузка подшипника. Толщина масляного слоя возрастает с увеличением вязкости масла

и угловой скорости цапфы. С увеличением нагрузки толщина масляного слоя уменьшается. Таким образом, для образования режима жидкостного трения необходимо соблюдать следующие основные условия:

1. Между скользящими поверхностями должен быть зазор клиновой формы.

2. Масло соответствующей вязкости должно непрерывно заполнять зазор.

3. Скорость относительного движения поверхностей должна быть достаточной для того, чтобы в масляном слое создалось давление, способное уравновесить внешнюю нагрузку.

Известно, что все жидкости и газы обладают вязкостью. Это значит, что при определенных условиях в качестве смазывающей жидкости можно применять воду и даже воздух, что и используется на практике.