Геккер Л.В.
Фрикционные свойства (зависимости коэффициента трения от контактных параметров и реологических характеристик используемых масел) являются необходимыми исходными данными при проектировании зубчатых и фрикционных передач, кулачковых механизмов и подшипников. КПД, надежность машин и механизмов зависят от износофрикционных характеристик силовых контактов деталей, существенное влияние на изнашивание которых оказывают силы трения. В зубчатых зацеплениях месту возникновения максимальных сил трения соответствует зона минимальной контактной прочности зубьев, а изменение предела контактной прочности (по усталости) при качении со скольжением поверхностей зависит от изменения максимальных коэффициентов трения. При расчетах бесступенчатых фрикционных передач выяснение фрикционных свойств в основном силовом контакте является исключительно важным. Отклонение от истинных коэффициентов трения в любую сторону при проектировании механизма затягивания фрикционных тел ведет к нежелательным результатам: заниженные результаты приведут к перегрузке рабочих тел, снижению КПД и долговечности передачи, а завышенные сделают ее неработоспособной (передача будет буксовать). В связи с тем, что для условий работы зубчатых и фрикционных передач, подшипников качения и скольжения и других механизмов характерен контактно-гидродинамический режим смазки, теоретической основой широких экспериментальных исследований катящихся со скольжением в масляной среде тел является эластогидродинамическая теория смазки.
Бесступенчатое и независимое регулирование скоростей вращения каждого образца в экспериментах позволило установить значения коэффициента трения во всем диапазоне изменения скоростей скольжения от равного нулю до критического значения, при котором происходило заедание поверхностей.
|
|
На графике зависимости коэффициента трения скольжения от скорости скольжения можно выделить четыре области: область малых скоростей скольжения, характеризующуюся возрастанием коэффициента трения с ростом скорости скольжения; область уменьшения коэффициента трения при уве личении скорости скольжения; область малого изменения коэффициента трения при изменении скорости сколь жения и область катастрофического разрушения смазочного слоя и контактирующих поверхностей (заедания), быстрого роста коэффициента трения. Узлы трения, работающие в условиях качения со скольже нием деталей, могут функционировать без внезапного аварийного износа в диапазоне скольжений до возникновения заедания.Анализ результатов экспериментов показал, что характер зависимости коэффициента трения от скорости скольжения определяется главным образом вязкостью масла на поверхностях тел, вступающих в контакт. Увеличение вязкости приводит к более резкому росту коэффициента трения в области малых скольжений и его резкому падению при дальнейшем увеличении скорости скольжения. С увеличением вязкости масла, вступающего в контакт, растет предельная скорость скольжения, соответствую щая катастрофическому разрушению масляной пленки. Характер зависимости сохраняется при точечном и линейном начальном касаниях образцов. Установленные зависимости коэффициента трения от суммарной скорости качения при начальном касании Тел в точке и по линии можно характеризовать следующим образом: с увеличением суммарных скоростей качении коэффициент трения уменьшается; степень влияния скоростей качения зависит от уровня давлений; уменьшение коэффициента трения со скоростью качения более значительно при меньших абсолютных значениях скоростей качения (до vΣk = 1,5-2 м/с).
|
|
При низких скоростях качения и вязкости масла коэффициент трения с увеличением давлений сначала уменьшается и затем, в области высоких давлений, перестает от них зависеть. Для высоких скоростей качения и больших значений вязкости масла с ростом контактных давлении было установлено начальное увеличение коэффициента трения; при высоких σн коэффициент трения практически не изменялся. При некоторых сочетаниях вязкости масла и суммарных скоростей качения коэффициент трения те зависит от давления в контакте. Факторы, способствующие установлению контактно-гидродинамического режима смазки, увеличению толщины масляной пленки, приводят к незначительному росту коэффициента трения f с увеличением контактных давлении. При высоких напряжениях, характерных особенно для точечного начального касания тел, было установлено малое влияние давлений на коэффициент трения. Снижение размера масляного слоя и увеличение шероховатости поверхностей приводит к уменьшению f с ростом контактных давлений. В области высоких контактных давлений коэффициент трения изменяется незначительно.
С ростом приведенного радиуса кривизны твердых тел коэффициент трения скольжения уменьшается. Эта зависимость проявляется особенно четко в области малых значений радиуса кривизны. При постоянной нагрузке увеличение приведенного радиуса кривизны приводит к уменьшению контактных напряжений, увеличению толщины смазочного слоя и площадки контакта, однако одновременно растет время пребывания частичек масла в контакте, что способствует появлению деструкции и полимеризации смазочной среды.
|
|
Для нелегированных нефтяных масел влияние температуры на коэффициент трения проявляется через изменение вязкости масла. Для масел с присадками такая непосредственная связь может нарушаться и закономерности будут иметь более сложный характер. Экспериментально установлено, что характер и степень влияния вязкости масла зависит от других контактных параметров и прежде всего от контактного давления и скорости скольжения. Увеличение скорости скольжения до значении, превышающих соответствующих максимальному коэффициенту трения, приводило всегда к тому, что с уменьшением вязкости маета коэффициент трения увеличивался. Большим скоростям скольжения соответствовала большая степень изменения коэффициента трения при вариации вязкости масла. Увеличение контактного давления несколько уменьшало влияние вязкости маета на коэффициент трения. В области максимальных коэффициентов трения это влияния было незначительным. На хорошо приработанных поверхностях с увеличением температуры масла максимальный коэффициент трения снижается. Увеличение скоростейкачения приводит к некоторому уменьшению влияния вязкости на коэффициент трения.Результаты теоретических и экспериментальных исследований показали, что при контактно-гидродинамическом режиме трения основным показателем, характеризующим влияние масла на коэффициенты трения, является его вязкость и пьезокоэффициент вязкости. Правильность этих выводов подтверждена проведенными экспериментами на двух маслах, изготовленных по одинаковой технологии, но с присадками разных заводов и из нефти различных месторождений. Масла отличались только по химическому составу и технологии изготовления присадок. При эксплуатации на одном масле был зафиксирован в несколько раз больший износ зубчатых передач (истирание зубьев), чем на другом, однако одинаковые вязкостно-температурные характеристики этих масел обусловили равные силы трения в экспериментах.
Приближенный расчет коэффициента трения скольжения можно осуществить по формуле:
,
где А — размерный коэффициент, численно равный 4,5·105; σн — максимальное контактное давление по Герцу, МПа; HB — твердость по Бринеллю менее твердого из контактирующих материалов, МПа, Rа — среднее арифметическое отклонение профиля шероховатостей поверхности более твердого тела, м; Е' — приведенный модуль упругости. материалов, МПа; Rпр — приведенный радиус кривизны, м; v — вязкость масла при температуре вступающих в контакт поверхностей, м2/с; vΣк — суммарная скорость качения, м/с; vs — скорость скольжения, м/с. Формула применима при V > 10-6 м2/с; σн >300 МПа; НВ > 500 МПа; Rпр >0,005 м и скоростях скольжения, больших соответствующих максимальному значению коэффициента трения.
Разработанная зависимость для определения коэффициента трения от контактных параметров и реологических свойств используемого масла нашла применение в расчетах на прочность, при проектировании зубчатых и фрикционных передач, кулачковых механизмов, при определении оптимальных конструктивных параметров быстроходных опор качения.Коэффициент трения в экспериментах изменялся в диапазоне 0,01— 0,1, что характерно для условий работы силовых локальных контактов при качении со скольжением в среде различных масел.При анализе сил трения необходимо учитывать неньютоновские (в частности, вязкоупругие) свойства жидкости, которые слабо влияют на толщину смазочного слоя, поскольку толщина последнего определяется в основном зоной входа его в контакт, где давления и скорости сдвига в смазочном материале малы, но в то же время такие свойства могут оказывать существенное влияние на касательные напряжения в смазочном слое, определяющие силу трения. Большое значение имеют реологические характеристики смазочного материала, находящегося в контакте в условиях высоких контактных давлений, больших скоростей сдвига и высоких температур. Получение таких реологических характеристик масел в вискозиметрах, невозможно, так как, по-видимому, нельзя создать весь комплекс условий, в которых находится смазочный материал в контакте. Например, полученные вискозиметрические данные по временам релаксации будут заметно отличаться от действительных, поскольку не учитывается вся сложность происходящих в контакте процессов: частичной полимеризации, взаимодействия масла с контактирующими поверхностями, разложения молекул смазочного материала и т. д. Поэтому характеристик масел нужен совместный анализ как теоретических, так и экспериментальных исследований состояния смазочного материала в зоне контакта.