2.2. Тертя і змащення підшипників ковзання

Робота підшипника зв’язана з тертям, що обумовлює знос і нагрівання підшипника, а також його ККД. Для зменшення тертя підшипники змащують маслом або іншим мастильним матеріалом. У залежності від режиму роботи підшипника в ньому може бути рідинне, напіврідинне чи напівсухе тертя.

При рідинному терті (рис. 2.2) робочі поверхні вала и вкладиша розділені шаром масла, товщина h якого більша суми висот R_z шорсткостей цих поверхонь (на рис. 2.2 розділяючий шар масла зображений товстою лінією), тобто:

. (2.1)

Рис. 2.2

При цьому умові масло сприймає зовнішнє навантаження, запобігаючи безпосередньому дотику робочих поверхонь і, отже, їхньому зносу. Опір руху в цьому випадку обумовлюється тільки внутрішнім тертям у мастильній рідині, залежить від якості змащення і знаходиться в межах 0,001...0,005.

Якщо умова (2.1) не виконується, у підшипнику буде мати місце змішане тертя – напіврідинне (переважає рідинне тертя) або напівсухе (переважає сухе тертя). Напіврідинне і напівсухе тертя призводить до зносу поверхонь тертя. Значення коефіцієнта тертя в цьому випадку залежить не тільки від якості масла, але і від матеріалу поверхонь тертя. У цьому випадку для поширених антифрикційних матеріалів коефіцієнт тертя дорівнює 0,008...0,1.

Розрізняють також граничне тертя, при якому прилеглі поверхні покриті дуже тонкою (0,1...0,5 мкм) плівкою мастила. Цей шар мастила утвориться в результаті дії молекулярних сил і хімічних реакцій активних молекул масла і матеріалу вкладиша. Граничне тертя не виключає взаємного зачеплення шорсткостей, а отже, зносу, але при граничному терті відбувається знос лише найбільш виступаючих нерівностей поверхонь.

Для роботи підшипника найбільш сприятливий режим рідинного тертя, утворення якого є основним критерієм розрахунку більшості підшипників ковзання. Дослідження режиму рідинного тертя в підшипниках засновано на гідродинамічній теорії змащення.Основоположником цієї теорії є проф. І.П. Петров. Великий внесок у розробку цієї теорії внесли відомі російські вчені М.Є. Жуковський, С.А. Чаплигін, а також ряд інших дослідників.

Відповідно до цієї теорії для утворення режиму рідинного тертя необхідно дотримуватись наступних основних умов:

1) між поверхнями ковзанняповинен бути зазор клинової форми;

2) масло відповідної в’язкості повинно безперервно заповнювати зазор;

3) швидкість відносного руху поверхонь повинна бути достатньою для того, щоб у масляному шарі створився тиск, здатний врівноважити зовнішнє навантаження.

Явище рідинного тертя й утворення масляного клина розглянемо на рис. 2.3, де показані дві пластини 1 і 2, залиті маслом і навантажені силою F. Пластина 1 рухається відносно пластини 2 із швидкістю v. Якщо швидкість v мала (рис. 2.3, а), то пластина 1 видавлює масло з пластини 2 і їхні поверхні дотикаються. Між поверхнями пластин у цьому випадку має місце напіврідинне тертя.При досить великій швидкості v (рис. 2.3, б) пластина 1 піднімається і займає похиле положення. Між пластинами утвориться зазор, у який безупинно нагнітається масло. При протіканні масла через зазор утвориться тиск р, що врівноважує зовнішнє навантаження. У цьому випадку рух продовжується в умовах рідинного тертя. Перехід до режиму рідинного тертя відбувається при деякій критичній швидкості .

Рис. 2.3

У радіальних підшипниках ковзання клинова форма зазору властива самій конструкції підшипника (рис. 2.4). Вона утворюється за рахунок зміщення центрів цапфи і вкладиша (рис.2.4,а).

При відсутності обертання цапфа валу лежить на вкладиші, центр цапфи знаходиться в точці О₀. При кутовій швидкості цапфа вала спливає в маслі і трохи зміщується в бік обертання, а центр цапфи займає положення О₁ (рис. 2.4, б).

Із збільшенням кутової швидкості збільшується товщина поділяючого масляного шару , а центр цапфи зближається з центром вкладиша. При відстань між центрами . Дослідження показують, що товщина масляного шару зростає із збільшенням в’язкості масла і кутової швидкості цапфи. Із збільшенням навантаження товщина масляного шару зменшується.

Режим рідинного тертя порушується, якщо значення w і р виходять за допустимі межі (наприклад, у періоди пусків і зупинок машини). При перемінних режимах навантаження змінюється ,а отже, і положення геометричної осі вала. Це може служити причиною вібрацій. Тому підшипники ковзання при таких режимах роботи застосовувати недоцільно.

Рис. 2.4

Для нормальної роботи підшипників поверхні тертя цапфи і вкладиша повинні змащуватися. Мастильні речовини вводяться в зазор між цапфою і вкладишем. Масло знижує втрати на тертя, зменшує знос деталей, відводить тепло, що виділяється при терті, охороняє деталі від корозії. Для змащення підшипників ковзання застосовують рідкі, консистентні (густі), тверді та газоподібні мастильні матеріали.

Рідкі мастила – основний мастильний матеріал. Найбільш поширені мінеральні масла – продукти переробки нафти. Рослинні (лляне, касторове та ін.) і тваринні (кісткове та ін.) масла мають більш високі змащувальні властивості, але вони значно дорожчі мінеральних і використовуються лише у виняткових випадках.

Останнім часом для змащення машин і приладів застосовуються синтетичні масла, придатні для роботи в дуже широкому температурному діапазоні.

Найважливішими характеристиками масел, що обумовлюють їхню мастильну здатність, являються в умовах рідинного тертя – в’язкість, при відсутності рідинного тертя – маслянистість. В’язкість (внутрішнє тертя рідини) – властивість протистояти зрушенню одного шару стосовно іншого. Маслянистість (змочуваність, липкість) – здатність мастильного матеріалу утворювати на поверхнях тертя міцні адсорбовані плівки. В’язкість є якістю, властивою тому або іншому мастилу, а маслянистість залежить від властивостей не тільки масла, але і цапфи вала і вкладишів підшипника

Масла характеризуються також температурою спалаху і застигання, кислотністю й іншими властивостями. Для підвищення властивостей у масла вводять різні присадки.Консистентні змащення виготовляють з рідких масел, загущуючи їх кальцієвими (солідоли), натрієвими (консталіни) або літієвими милами, а також парафіном або церезином. Вони добре герметизують підшипники і допускають у підшипниках великий тиск. Консистентні мастильні матеріали широко застосовуються в машинах легкої промисловості, що працюють у запиленому і вологому середовищі (трикотажні машини, машини для переробки шкір і т. п.).

Тверді мастильні матеріали (графіт, тальк, слюда та ін.) застосовуються для змащення підшипників ковзання, що працюють при високих температурах робочого середовища.

У деяких підшипниках ковзання, що працюють при невеликих навантаженнях і дуже великих швидкостях (десятки тисяч обертів у хвилину), використовують, повітряне або газове змащення.

Змащення підшипників ковзання в залежності від призначення можуть бути індивідуальним або централізованим, періодичним або безперервним, без примусового тиску або під тиском. Змащення провадиться за допомогою мастильних пристроїв різних конструкцій.