DM_1 / Деталі машин КЛ [Стадник В. А

вал утягує в обертання кільце, яке захоплює оливу і подає її на поверхні тертя цапфи.

Подача пластичного мастила в підшипниковий вузол досягається за допомогою ковпачкової маслянки (рис. 17.31, д) або прес-маслянки (рис. 17.31,

ж).

Найбільш досконалим способом подачі оливи є циркуляційна система мащення підшипників, при якій олива подається до поверхонь тертя під тиском. На рис. 17.32 приведена схема живлення гідростатичного підп’ятника. Помпа 9 подає оливу до розподільного пристрою 8 через дросель 7 і трубопровід 6 нагнітає його в центральну камеру 5. Рівнодіюча епюри тиску оливи 3

зрівноважує зовнішнє навантаження Fa , яка передається п’ятою 1 на

Рис. 17.32. Схема циркуляційного живлення оливою підп’ятника

450

підп’ятник 4. Завдяки капілярному ущільненню 2 і каналу 11 забезпечується безперервна циркуляція оливи в системі живлення, тиск в якій контролюється манометром 10.

17.12. Режими тертя ковзаня, основи гідродинамічної теорії тертя і

мащення підшипників ковзання

В опорах ковзання в залежності від умов взаємодії тертя може бути сухим, граничним, напіврідинним і рідинним. Сухе тертя спостерігається при відносному ковзанні елементів опори без мастила. Граничне тертя відрізняється від сухого наявністю в окремих зонах контакту тонких мастильних шарів (порядку 0,1 мкм), завдяки яким величина коефіцієнту тертя знижується. Рідинний і напіврідинний режим тертя спостерігається за наявності між поверхнями тертя елементів опори проміжного шару мастила. При недостатній товщині шару мастила окремі нерівності поверхонь тертя можуть вступати в безпосередній контакт, що і визначає напіврідинний режим

тертя.

Опір відносному руху, що виникає при сухому терті ковзання є результатом механічного зчеплення найдрібніших нерівностей поверхонь, які стикаються, і їх молекулярної взаємодії. При рідинному терті мастила прилипають до поверхонь тертя і відносний рух їх найтонші шари супроводжується тільки внутрішнім тертям рідини, яке у багато разів менше опору при сухому терті. Найбільш сприятливим є рідинне тертя, при якому витрата енергії на подолання опору, а також спрацювання елементів опори буде мінімальним. У ролі ілюстрації на рис. 17.33 приведений графік зміни коефіцієнта тертя f від кутової швидкості обертання вала ω при різних режимах тертя (а – підшипник; б– цапфа, навантажена радіальною силою Fr; в

– клиновий зазор, заповнений оливою). Ділянка 1 – 2 кривої відповідає сухому і граничному тертю, потім зі збільшенням швидкості

451

Рис. 17.33. Режими тертя у підшипнику ковзання: 1 – 2 – сухе і граничне тертя; 2 – 3 – напіврідинне тертя;

3 – 4 – рідинне тертя наступає напіврідинне тертя (ділянка 2 – 3), і накінець, при досягненні кутової

швидкості ω > ω0 (ділянка 3 – 4) установлюється рідинне тертя, при якому коефіцієнт тертя складає 0,01 – 0,001.

Складні явища, що проходять в мастильному шарі, вперше були

452

Розглянемо умови створення рідинного мастильного шару між поверхнями, які ковзають одна відносно іншої при наявності рідкого мастила – оливи. Отримання і удержування шару мастильної рідини між навантаженими силою поверхнями тертя можливе при умові, що внутрішній тиск в ньому зрівноважує зовнішню силу. У противному разі мастильна рідина буде витиснена. Внутрішній тиск мастильного шару може бути створений двома способами: гідростатичним, коли цей тиск забезпечується помпою, і гідродинамічним, при якому поверхні тертя створюють клиновидний шар мастила, завдяки якому при відносному русі на „ клин” виникає внутрішній тиск рідини.

Розглянемо на прикладі рис. 17.34 (сегмент підп’ятника Мітчелля) механізм збудження цього тиску, який лежить в основі гідродинамічного ефекту і являється фундаментом рідинного мащення. На рис 17.34, а сегмент 2 установлено параллельно поверхні 1, що рухається зліва направо зі швидкістю

V1 .

Рис. 17.34. Сегмент підп’ятника Мітчеля, установлений: а— паралельно рухомій поверхні, надлишковий тиск у мастильному шарі відсутній, профіль епюри швидкостей оливи лінійний; під кутом до рухомої поверхні, профіль

епюри на вході в зазор угнутий, на виході --випуклий

453

Поверхня утягує за собою паралельні шари оливи: перший, що прилягає до неї шар, утворений в результаті адсорбції і механічного впливу нерівностей, наступний – завдяки в’язкості. Сегмент 2 нерухомий, швидкість його поверхні

V2 =0.

Зміна швидкості по товщині мастильного шару в даному випадку зображується прямою. При цьому швидкість шару оливи, прилягаючого до рухомої поверхні 1, дорівнює V1 , а шару, прилягаючого до нерухомої поверхні

2, дорівнює V2 , тобто нулю. Середнє значення швидкості оливи в зазорі відповідно дорівнює

мастильному шарі. Тиск в ньому залишається рівним тиску в навколишньому середовищі, отже, вантажопідйомність мастильного шару дорівнює нулю.

Перейдемо до рис. 17.34, б. Сегмент 2 нахилений до поверхні 1, зазор із

паралельного (рис. 17.34, а) став клиновидним з мінімальною товщиною і

максимальною hmax . Із формули 17.26 випливає, що об’єм оливи, протікаючої через зазор, пропорційний hV1 . Але величина h стала змінною, отже, об’єм q

теж повинен бути змінним. Однак це неможливо із умови нерозривності потоку оливи в зазорі (олива приймається нестисливою; в дійсності вона може стискатися, але в незначному ступені).

454

Щоб забезпечити умову q =const при змінному значенні h, очевидно,

повинна змінитись середня швидкість течії оливи, яка уже більше не може бути

рівною V1 , хоч швидкість масла біля поверхні 1 як і раніше дорівнює V1 , а

2

біля поверхні 2 вона дорівнює нулю. Профіль епюри швидкостей в зв’язку з цим на вході в зазор стає угнутим, а на виході випуклим, так що середня швидкість оливи виявляється у першому випадку меншою, а у другому випадку

Площі під кривими швидкостей оливи у всіх поперечних перерізах мастильного шару рівні. При цьому зміна профілей швидкостей відбувається безперервно і рівномірно на всьому шляху від входу в зазор і до виходу із нього, так що витрачання оливи залишається постійним.

Залишається вияснити, під дією якого фактору відбувається зміна середньої швидкості течії оливи вздовж клиновидного зазору.

Таким фактором є градієнт тиску, що установлюється вздовж зазору, причому тиск досягає максимуму недалеко від найбільш вузького місця зазору;

товщина зазору в точці максимального тиску дорівнює h0 (рис. 17.34, б).

На вході в зазор течія повинна перебороти позитивний градієнт тиску, що визначає об’єм затягуваної оливи. На виході із зазору тиск, навпаки, підсилює витікання, збільшуючи об’єм оливи проти розрахункового при лінійному профілі епюри швидкостей.

В результаті в зоні контакту поверхонь тертя відбувається складання двох видів течії оливи: збуджуваної рухом поверхні 1 (рис. 17.34, а), з нулевим градієнтом тиску, що характеризується лінійним профілем епюри швидкості оливи і створюваної під дією градієнта тиску.

455

Градієнт тиску в мастильному шарі визначається за формулою

переміщенню із швидкістю 1 см/с двох шарів рідини площею 1 см2, що знаходяться на відстані 1 см один від другого. Вимірюється в пуазах (П));

Рівняння Рейнольдса дозволяє визначити градієнт тиску в мастильному шарі вздовж осі x в загальному випадку, коли рух оливи відбувається під дією силового потенціалу і під дією затягування рухомої поверхні. Це рівняння служить основою гідродинамічної теорії мащення.

Рівняння Рейнольдса справедливе при наступних допущеннях:

1)олива є ньютонівською рідиною (рідина називається ньютонівською рідиною, якщо напруження в рідинному шарі пропорціональне швидкості деформації. Це визначення в точності відповідає закону Гука для пружних тіл, згідно якому напруження пропорціональне деформації);

2)олива – нестислива рідина;

456

3)в’язкість оливи постійна у всій області тертя і не залежить від тиску і температури в цій області;

4)поверхні тертя абсолютно жорсткі і не деформуються;

5)поверхні тертя мають нескінченну ширину (перпендикулярно площині креслення); в зв’язку з цим торцеві витіки відсутні.

17.13. Умови утворення рідинного тертя у підшипниках ковзання

Для забезпечення рідинного тертя робочі поверхні цапфи вала і вкладиша розділені шаром оливи (рис. 17.35), товщина h якого більша суми висот

Рис. 17.35. До визначення умов рідинного тертя.

Якщо записана умова виконується, то шар оливи сприймає зовнішнє навантаження, не допускаючи при цьому дотикання робочих поверхонь цапфи вала і вкладиша. Критичним значенням товщини мастильного шару, при якому здійснюється рідинне тертя, будуть

Необхідною умовою створення рідинного тертя, як було показано раніше, є наявність зазору клинової форми між поверхнями тертя.

457

Врадіальних підшипниках клинова форма зазору властива самій конструкції підшипника. Вона забезпечується завдяки зазору S = D − d між поверхнями цапфи вала і вкладиша, де D - діаметр вкладиша, d - діаметр цапфи вала.

Врезультаті такого виконання вкладиша і цапфи вала центр O0 цапфи

вала в статиці, коли ω =0 (рис. 17.36, а), зміщається відносно центра O

вкладиша на величину S2 , в результаті чого між поверхнями тертя створюється клиноподібний зазор 1.

Рис. 17.36. До створення клиноподібного зазору в підшипнику ковзання:

а– статичний стан, ω =0;

б– стан рідинного тертя, ω > ωкр ;

в– розподіл тиску вздовж цапфи вала

Принцип передачі навантаження

В нерухомому підшипнику (рис. 17.36, а і рис. 17.37, (1)) цапфи знаходяться на вкладиші ексцентрично відносно його центра О. При обертанні з малою швидкістю цапфа під дією сили тертя F тр на площадці контакту переміщається в сторону, протилежну напряму обертання (2) рис. 17.37. Зі

458

збільшенням швидкості мастильний матеріал (олива) затягується цапфою в зазор, який звужується, сила

Рис. 17.37. Режим роботи підшипника в залежності від частоти обертання цапфи

тертя Fтр зменшується, зменшується і зміщення цапфи, виникає клиноподібний мастильний шар, тиск у якому збільшується у напряму до звужуваної частини клина. При обертанні цапфа утягує за собою концентричні шари оливи: перший змочуваний її шар – в силу маслянистості, наступні – в силу в’язкості. Таким чином цапфа діє як помпа, напомповуючи оливу в зазор, внаслідок чого в мастильному клині виникає значний тиск. Зі збільшенням кутової швидкості до ω > ωкр цапфа „ спливає” і зміщується в напряму руху обертання – ( рис. 17.37, (3)). При цьому відстань між центрами e (рис. 17.36. б) зменшується. При досягненні рівноваги гідродинамічного тиску в зазорі з зовнішнім навантаженням на цапфу вала наступає рідинне тертя

459