РЕЖИМЫ ТРЕНИЯ В ПОДШИПНИКЕ СКОЛЬЖЕНИЯ

Рассмотрим условия перехода от одного вида трения к другому в присутствии жидкого смазочного материала. Если количество масла ограничено, но достаточно для образования адсорбированного монослоя и граничной пленки, то при трении первичный слой на вершинах неровностей поверхностей быстро износится, и трение при граничной смазке перейдет частично в трение без смазочного материала. Правда, благодаря подвижности полярно-активных молекул адсорбированный монослой быстро восстанавливается, но на восстановление граничной фазы за счет передвижения масла из впадин неровностей потребуется значительное время. После восстановления граничной пленки условия трения улучшаются. Это может привести к ко­лебаниям коэффициента трения.

Весь смазочный материал через какой-то период срабатывается. Если же, помимо расхода на образование граничной пленки, имеется избыток масла, который заполняет впадины неровностей, то он служит для восстановления изнашиваемой граничной пленки. В этом случае трение при граничной смазке устойчиво. С увеличением подачи масла до необходимой для создания гидродинамического эффекта на выступах неровностей поверхностей или на макрогеометрических неровностях сопрягаемых тел трение при граничной смазке переходит в трение при полужидкостной смазке. Последний вид трения вне зависимости от скорости скольжения поверхностей и вязкости смазочного материала присущ любой паре трения при наличии достаточного количества смазочного материала.

Рассмотрим более подробно подшипник скольжения. Пусть нагрузка, геометрические размеры, диаметральный зазор подшипника, вязкость смазочного материала сохраняются постоянными. Будем изменять скорость вращения цапфы. При малой скорости скольжения поверхностей гидродинамический эффект их полного отделения не наблюдается, так как масло выдавливается из зазора. Трение только полужидкостное. С увеличением скорости скольжения гидродинамические силы возрастают и взаимодействие поверхностей снижается, наконец, при некоторой скорости произойдет полное разделение поверхностей и наступит режим трения при жидкостной смазке. Дальнейшее увеличение скорости скольжения приведет к повышению внутреннего трения в слое смазочного материала, и коэффициент трения возрастет. Минимальный коэффициент трения соответствует началу трения при жидкостной смазке.

Аналогичное явление наблюдается при изменении вязкости смазочного материала: при малой вязкости масла жидкостной смазки не будет, но после достижения минимального коэффициента трения с увеличением вязкости масла повышается сопротивление трению. Противоположно действует удельная нагрузка: при большом давлении на опору условия для жидкостной смазки неблагоприятны, снижение нагрузки до некоторой величины приводит к «всплыванию» цапфы: дальнейшее уменьшение нагрузки сопровождается увеличением толщины несущего слоя смазочного материала и сопротивления трению. Таким образом, режим трения в подшипнике определяется вязкостью η, скоростью скольжения v и давлением р, точнее, фактором .

Наглядное представление об условиях перехода одного режима трения в другой дает диаграмма Герси (рис. 7.2), в которой коэффициент трения f связан с параметром , который называют характеристикой режима подшипника.

		Рис. 7.2. Диаграмма режимов трения в подшипнике (диаграмма Герси): 1 — трение несмазанных поверхностей; 2 — трение при граничной и при полужидкостной смазке; 3 — трение при жидкостной смазке

б а

На диаграмме Герси линия а-а, проходящая через точку минимума коэффициента трения, разделяет области трения при жидкостной и других видах смазки. Последняя является областью неустойчивого коэффициента трения. Допустим, что подшипник работает в режиме граничной смазки и по какой-либо причине повысилось давление. Тогда значение уменьшится, и начальная точка на диаграмме переместится влево вверх. Сила Р трения возрастет, температура поверхностей и смазочного материала повысится, вязкость смазочного материала понизится, и сила трения еще более возрастет. При граничной смазке с повышением нагрузки возрастает температура, и граничная пленка местами разрушается – трение будет происходить без смазочного материала. Линия b-b отделяет область трения при граничной смазке от области трения несмазываемых поверхностей.

Фактор является характеристикой режимов трения при полужидкостной и жидкостной смазке. При других видах трения вязкостные свойства смазочного материала можно не принимать во внимание. Что касается изменения коэффициента трения при малых, близких к нулю, значениях характеристики режима, то в зависимости от материалов деталей и среды кривая от точки, соответствующей коэффициенту трения покоя (скорость скольжения v = 0), может монотонно убывать либо возрастать и, пройдя через максимум, снижаться вплоть до критического режима (минимального коэффициента трения).

Диаграмма Герси пригодна также для анализа явлений тре­ния в подпятниках и парах трения с возвратно-поступательным движением. В этих парах, как следует из диаграммы, на протяжении одного хода возможны различные режимы трения.

В заключение коснемся вопроса о смазывании водой. Молекулы воды гидроксильной группы ОН способны прикрепляться к чистой поверхности металлов, пластмасс и резины. На неметаллах образуется прочный ориентированный монослой. В условиях отсутствия гидродинамической смазки в парах металл – пластмасса и металл – резина осуществляется адсорбционное смазывание водой. В парах металл – металл такое трение быстро переходит в трение без смазочного материала.

ТРЕНИЕ КАЧЕНИЯ

Трение качения – вращательное движение с точкой опоры или прямым контактом. Сила трения качения по крайней мере в 10 раз меньше силы трения скольжения. Сопротивление качению объясняется деформационными потерями в нижележащем твердом теле. При отсутствии пластической деформации трение обусловлено гистерезисными потерями в твердом теле. При трении качения происходит взаимное проскальзывание поверхностей, которое можно представить при рассмотрении качения шарика (рис. 7.3). Окружность АВ шарика перемещается посередине канавки, а окружность CD касается ее края. Окружность АВ проходит за один оборот шарика большее расстояние, чем окружность CD. Эта разница и обусловливает скольжение поверхностей трения.

Рис. 7.3. Шарик, катящийся по Рис. 7.4. Шарик, катящийся вправо

беговой дорожке подшипника по плоскому упругому основанию

Гистерезисные потери, возникающие при трении качения, поясним с помощью рис. 7.4.

Еще О. Рейнольдс заметил, что когда цилиндр из твердого материала катится по плоской поверхности резины, то при каждом обороте он проходит путь меньший, чем длина окружности цилиндра. Он предположил, что резина растягивается в точке С не так, как в точках В и D, и в результате имеет место, как уже упоминалось, проскальзывание с соответствующим рассеиванием энергии. По рис. 7.4 видно, что впереди под шариком в точке Е образуется углубление, а позади шарика в точке А деформируемый материал полностью (резина) или частично (металл) восстанавливается под действием сил упругости либо упругого гистерезиса; кроме того, вследствие необратимой пластической деформации силы реакции позади шарика меньше, чем силы давления впереди него. В результате шарик совершает работу деформации.

При трении качения в случае твердых тел деформации поверхностей невелики, и окисные пленки, имеющиеся на поверхностях трения, не подвергаются значительным разрушениям.

Скольжение поверхностей поэтому происходит не по металлу, а по окисным пленкам, которые могут изнашиваться.

Для приработанного состояния поверхностей по экспериментальным данным сила трения качения

,

где k – константа, зависящая от материала; N – нагрузка на шарик; D – диаметр шарика; n = 1,7...1,85; m = 1,5...1,6.

Сила трения в подшипниках качения при высоких скоростях зависит от вязкости смазочного материала и может достигать больших величин. На силу трения в подшипниках качения влияют вязкость смазочного материала, трение в сепараторе подшипника, размер шариков, шероховатость поверхности и другие факторы.

Момент трения в подшипниках качения

или ,

где f_r и f_a – коэффициенты трения при радиальной и осевой нагрузках, отнесённые к диаметру вала d; соответственно F_r и Fa – радиальная и осевая нагрузки.

Сила трения в подшипниках качения увеличивается в случае технологических и монтажных погрешностей, повышенных скоростей и при трении в уплотнениях.

Подводя итог рассмотрения различных видов трения можно отметить, что выбор вида трения осуществляется в результате селективного подхода к условиям работы элементов каждой триботехнической системы энергетической установки с учетом их надежности и экономичности. В табл. 7.1 приведено сравнение значений коэффициентов трения для различных видов трения. Таблица 7.1