Трение в подшипниках скольжения

В подшипниках скольжения может быть полусухое, полужидкост­ное и жидкостное трение, переходящее последовательно одно в другое по мере возрастания угловой скорости вала от нуля до определенной величины. Вращающийся вал увлекает смазку в клиновой зазор между цапфой и вкладышем и создает гидродинамическую подъемную силу, вследствие которой цапфа всплывает по мере увеличения скорости (рис. 12.4). В период пуска, когда скорость скольжения мала, большая часть поверхности трения не разделена смазкой и трение будет полу­сухое.

При увеличении скорости цапфа всплывает и толщина смазывающего слоя увеличивается, но отдельные выступы трущихся поверхностей остаются не разделенными смазкой. Трение в этом случае будет по­лужидкостное.

При дальнейшем возрастании угловой скорости и соблюдении опре­деленных условий (см. ниже,) появляется сплошной устойчивый слой смазки, полностью разделяющий шероховатости поверхностей трения. Возникает жидкостное трение, при котором износ и заедание отсутствуют.

При жидкостном трении рабочие поверхности вала и вкладыша разделены слоем масла, толщина h которого больше суммы высот R_z шероховатостей поверхностей (на рис. 12.2 разделяющий слой масла изображен толстой линией):

h > R_z1 + R_z2. (12.1)

При этом условии масло воспринимает внешнюю нагрузку, пре­дотвращая непосредственное соприкасание рабочих поверхностей, т .е. их износ. Сопротивление дви­жению в этом случае определяется только внутренним трением в сма­зочной жидкости. Значение коэф­фициента жидкостного трения на­ходится в пределах 0,001. ..0,005 (что может быть меньше коэффи­циента трения качения).

Рис. 12.2

При полужидкостном трении условие (12.1) не соблюдается, в подшипнике будет смешанное трение — одновременно жидкостное и граничное. Граничным называют трение, при котором трущиеся поверхности покрыты тончайшей пленкой смазки, образовавшейся в результате действия молекулярных сил и химических реакций активных молекул смазки и материала вкладыша. Способность смазки к образованию граничных пленок (адсорбции) называют маслянис­тостью (липкостью, смачиваемостью). Граничные пленки устойчивы и выдерживают большие давления. Однако в местах сосредоточенного давления они разрушаются, происходит соприкасание чистых поверх­ностей металлов, их схватывание и отрыв частиц материала при от­носительном движении. Полужидкостнов трение сопровождается из­носом трущихся поверхностей даже без попадания внешних абразив­ных частиц. Значение коэффициента полужидкостного трения зависит не только от качества масла, но также и от материала трущихся по­верхностей. Для распространенных антифрикционных материалов коэффициент полужидкостного трения равен 0,01...0,1.

Д ля работы подшипника самым благоприятным режимом является режим жидкостного трения. Образование режима жидкостного тре­ния является основным критерием расчета большинства подшипников

скольжения. При этом одновременно обеспечивается работоспособ­ность по критериям износа и заедания.

Рис. 12.3. Образование жидкостного трения.

Исследование режима жидкостного трения в подшипниках основано на гидродинамической теории смазки. Эта теория базируется на решениях дифференциальных уравнений гидродинамики вязкой жид­кости, которые связывают давление, скорость и сопротивление вяз­кому сдвигу. Теоретические решения довольно сложны и излагаются в специальной литературе. В данном пособии даны принципиальные понятия о режиме жидкостного трения и методика практического расчета подшипников без вывода основных расчетных зависимостей.

На рис. 12.3 показаны две пластины А и Б, залитые маслом и нагруженные силой F. Пластина А движется относительно пластины Б со скоростью v. Если скорость v мала (рис. 12.2, а), то пластина А выжимает смазку с пластины Б. Поверхности пластин непосредст­венно соприкасаются. При этом образуется полужидкостное трение.

При достаточно большой скорости v (рис. 12.3, б) пластина А поднимается в масляном слое и принимает наклонное положение, подобно тому, как поднимается глиссер или водные лыжи, скользя­щие по воде.

Между пластинами образуется сужающийся зазор. Вязкое и липкое масло непрерывно нагнетается в этот зазор. Протекание масла через сужающийся зазор сопровождается образованием давления р (рис. 12.3, 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 v_кр.

Г идродинамическая 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, то в подшипнике не может образоваться жидкостное трение. Например, простой плос­кий подпятник (см. рис. 12.1, 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. 12.20).

В радиальных подшипниках клиновая форма зазора свойственна самой конструкции подшипника. Она образуется за счет смещения центров цапфы вала и вкладыша (рис. 12.4, а).

Рисунок 12.4. Положение вала в радиальном подшипнике

При угловой скорости ω > ω_кр цапфа всплывает в масле и несколько смещается в сторону вращения по траектории, указанной на рис. 12.4, б. На рис. 12.4, а, б:

1 — клиновой зазор; 2 — путь центра цапфы при увеличении скорости вращения; 3 — эпюра давления в масленом слое; 4 — линия центров. С увеличением угловой скорости увеличивается толщина разделяющего масляного слоя h_min, а центр цапфы сближается с центром вкладыша. При ω расстояние между центрами

. 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 является не­которой функцией характеристики рабочего режима подшипника

, (12.2)

где — характеристика рабочего режима подшипника; —дина­мическая вязкость масла (характеризует сопротивление относительно­му сдвигу слоев масла); — угловая скорость цапфы; p=F_r/(ld) — условное давление в подшипнике.

Характер функциональной зависимости (12.2) рассмотрен ниже. Здесь отметим только, что 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 используют на практике.

Режим жидкостного трения нарушается, если значения и р выходят за допускаемые пределы (например, в периоды пусков и оста­новов). При переменных режимах нагрузки меняется , а следова­тельно, и положение оси вала. Это может служить причиной вибраций. Достоинства подшипников скольжения по сравнению с подшипниками качения снижаются при переменных режимах нагрузки, частых пус­ках и остановах.