- •4. Условия контактирования
- •4.1. Статический контакт (трение покоя)
- •4.2.Кинематический контакт (трение движения)
- •4.2.1Трение без смазочного материала
- •4.2.2. Трение с граничной смазкой
- •4.2.3. Жидкостное трение
- •4.2.4.Трение качения
- •4.2.5.Особенности трения полимеров
- •4.2.6. Переходные процессы трения
4.2.3. Жидкостное трение
Желания людские и стремления
Растут по мере их осуществления.
Агахи
Жидкостное трение - это трение двух твёрдых тел, разделённых слоем жидкой смазки, в котором проявляются её объёмные свойства.
Особенность контактирования при жидкостном трении заключается в образовании между контактирующими поверхностями достаточно толстого разделительного сдоя смазки, в котором из-за его толщины практически исчезает влияние твёрдотельного поля и масло сохраняет свои объёмные свойства, в частности, вязкость. То есть внешнее трение между контактирующими телами заменяется внутренним трением между отдельными слоями смазки. При этом коэффициент трения не зависит от природы контактирующих материалов и от высоты микронеровностей при условии, что последние значительно меньше зазора в подшипнике ( ). При жидкостном трении износ резко сокращается, возникая только в периоды пусков и выбегов. В подобном режиме подшипники скольжения, например, гидротурбин, работают без остановов и ремонтов годы.
Жидкостное трение - наиболее выгодный режим работы подшипников скольжения. В этом режиме давление в слое смазывающего вещества должно уравновешивать силы, действующие на опоры вала. По способу создания давления в смазочном слое и его влиянию на контактирующие поверхности различают гидростатическое, гидродинамическое и эластогидродинами-ческое трение.
Гидростатическое трение определяется способом подачи смазки и конструкцией узла трения.
Гидростатическая смазка - это способ жидкостной смазки, когда давление в несущем смазочном слое между контактирующими поверхностями обеспечивается в результате постоянной принудительной циркуляции масла от гидронасоса. При этом толщина смазывающего слоя определяется параметрами насоса и слабо зависит от нагрузки на узел.
Гидростатическая смазка чаще всего используется для смазывания узлов трения с малым значением коэффициента перекрытия, прерывистыми контактными поверхностями, а также для малогабаритных тяжелонагруженных подшипниковых опор (Рис.46).
Рис.46.Схемы пар трения с гидростатической смазкой
Расчёт гидростатических опор проводится на несущую способность (давление в смазочном слое, уравновешивающее рабочую нагрузку) и расход смазки (производительность насоса, создающего давление).
Гидродинамическое трение - это вид жидкостного трения, при котором слой смазки, разделяющий контактирующие поверхности, образуется за счёт формы и скорости относительных перемещений этих поверхностей.
Особенностью гидродинамической смазки является эффект появления уравновешивающего рабочие нагрузки давления в смазочном слое в результате относительного движения контактирующих тел. Следовательно, для возникновения в зазоре гидродинамического трения необходимо:
относительное перемещение трущихся поверхностей;
наличие в зазоре смазочной жидкости, обладающей вязкостью;
форма сопрягаемых поверхностей должна обеспечивать затягивание жидкости в суживающуюся часть зазора.
Частицы смазки смачивают поверхность вала и «прилипают» к ней. Вращаясь вал затягивает в зазор прилегающие частицы смазки благодаря силам инерции. Вязкость смазки обеспечивает захватывание прилегающими к валу частицами смазки соседних слоёв и смазка заполняет весь клиновой зазор (Рис. 45). Чем ниже скорость вращения вала, тем более вязкой должна быть смазочная среда для образования гидродинамического клина. Соотношение инерционных и вязкостных сил определяется числом или критерием Рейнольдса
, (15)
где: - характерный размер (зазор), м;
- скорость течения, м/с;
- кинематическая вязкость, Ст ( )
Рис.47. Схема образования гидродинамического клина
Гидродинамический расчёт подшипников скольжения представляет собой наиболее сложную математическую задачу. На основании уравнения механики вязкости жидкости Навье-Стокса в 1883 г. Н.П. Петровым были заложены основы гидродинамических расчётов и получена формула, используемая в настоящее время для расчёта слабонагруженных подшипников.
, (16)
где: - сила трения;
- площадь поверхности цилиндра единичной длины.
В 1886 г. Рейнольдс, исключив влияния инерции получил уравнение, носящее его имя:
, (17)
где: - ортогональные координаты в жидкости;
- давление в смазочном слое;
- плотность смазки;
- скорость контактных поверхностей.
В уравнении Рейнольдса первый член правой части учитывает влияние клина, второй - растяжения, третий - сдавливания смазки. Сделав ряд упрощающих допущений, Рейнольдс решил это уравнение. В настоящее время гидродинамическая теория смазки интенсивно развивается в направлении снижения упрощений и повышения точности решений.
Критическое состояние трибоузла с гидродинамической смазкой (устойчивость гидродинамического клина) наступает при увеличении рабочего зазора в результате изнашивания контактных поверхностей при пусках и выбегах.
В последнее время нашли применение смазочные жидкости неньюто-новского типа - жидкости с нелинейными кривыми течения - зависимостями в координатах напряжения сдвига - скорость сдвига (рис.48).
Рис.48. Кривые течения: 1-ньютоновская жидкость, 2-неньютоновская
Это так называемые микрополярные смазки, включающие до 10% массы твёрдых частиц размером 5…8 мкм. Давая значительный практический эффект, использование подобных жидкостей серьёзно усложняет гидродинамический расчёт подшипников.
Связь жидкостного и граничного трения наглядно прослеживается по диаграмме Герси-Штрибека (рис. 49) в координатах: коэффициент трения - критерий Зоммерфельда, характеризующий нагруженность подшипника
, (18)
где: - угловая скорость.
Рис.49. Диаграмма Герси-Штрибека
На диаграмме область "с" соответствует сухому трению, "cd" - гранич-ному, "dв" - смешанному и "ва"-жидкостному трению. Минимум зависимости, соответствующий - идеальная цель при проектировании узлов трения машин. Пунктирная прямая на этой диаграмме получена расчётом по формуле Петрова.
Следует отметить, что несмотря на явные преимущества гидродинамической смазки её реализация в целом ряде узлов трения конструктивно неосуществима.
Эластогидродинамическое трение- происходит, когда толщина слоя жидкого смазочного материала между контактирующими поверхностями, находящимися в относительном движении, и трение, определяются упругими свойствами поверхностей трения и смазочного материала, а также реологи-ческими (зависящими от времени) свойствами последнего в контактной зоне.
Этот режим наступает, когда подшипниковая втулка изготовлена из относительно низкомодульного материала (например, текстолита) или когда контактные напряжения весьма велики (например между зубьями шестерён). В этих условиях опорные поверхности деформируются, а у смазочной среды повышается вязкость.
В настоящее время большинство задач эластогидродинамики может быть решено только численно на основе совместного решения уравнения Рейнольд-са, уравнений механики сплошной среды (для упругих деформаций) и зависимости изменения вязкости смазки от давления.
Эластогидродинамическая смазка нашла применение в так называемых некомфорных узлах трения - таких, в которых контактирующие поверхности не являются взаимным отображением (эквидистантами) друг друга. Это шарикоподшипники, зубчатые калёса, кулачковые механизмы и т.п.
Смазка газами в виде газостатической и газодинамической аналогична ранее рассмотренной жидкостной смазке. Газовая смазка создаёт слой газа, разделяющий контактирующие поверхности при их относительном движении.
Идея использования газа в качестве смазки подшипников была высказана Хирном в 1854 году. Но только в 1897 году Кингсбери удалось реализовать её.
В сравнении с жидкостной газовая смазка имеет следующие особенности:
толщина газового слоя мала и соизмерима с шероховатостью контактирующих поверхностей;
при соизмеримости зазора в газовом подшипнике со средним свободным пробегом молекул газа нарушается неразрывность течения;
с ростом давления газ сжимается и его плотность увеличивается;
при увеличении температуры вязкость газа повышается;
газовая смазка обеспечивает гораздо меньший теплоотвод из зоны трения, чем жидкостная;
давление газового слоя распределено по всему периметру шипа.
Рис.50. Газостатическая -"а"(Р=0,015МПа) и газодинамические -"b" и "с" пары
В газостатических подшипниках давление создаётся отдельным вен-тилятором и не зависит от скорости относительного скольжения деталей в под-шипниковом узле (Рис.50,а).
В газодинамических подшипниках давление создаётся специальными лопастями или рёбрами вращающегося вала и падает во время пусков и остановов (Рис.50,b,с).
Подшипники с газовой смазкой используются в различных криогенных установках, где смазка замерзает, и при очень высоких скоростях движения: в электрошпинделях фортунок для внутреннего шлифования, бормашинах, гироскопах и т.п.