Жиркин Ю.В. Надежность, эксплуатация и ремонт металлургических машин. Учебник. Часть 1
Подождите немного. Документ загружается.
Рис 7.1. Сравнительная толщина пленки смазочного материала
при различных режимах смазки
Известно, что различные режимы трения характеризуются
различной величиной коэффициента трения.
f
ρ
ηω
I
II
III
Рис. 7.2 Кривая Штрибека.Зависимость коэффициента трения
от параметра Герси:
I - зона сухого и граничного трения;
II - зона смешанного трения;
III - зона жидкостного трения
На рис.7.2 приведена кривая Штрибека, характеризующая
зависимость величины коэффициента трения
f от безразмер-
ного параметра
p
ω
η
⋅
,
где
η
- динамическая вязкость смазочного материала, сПа
⋅
;
ω
- частота вращения ;
,
1−
с
p
- удельная нагрузка
Услови полное
деление трущихся поверхностей слоем жидкого смазочного
материала. Обеспечить такое разделение можно, зная законо-
, Па .
7.2. Гидродинамическая жидкостная смазка
ем реализации жидкостной смазки является
раз
101
мерно
механизмов реализуется в подшипниках
сколь
вращения вала.
сти механизма взаимодействия смазочного материала и
трущихся поверхностей.
Один из таких
жения при смещении трущихся поверхностей – это режим
гидродинамической смазки.
На рис.7.3 и 7.4 представлены схемы поведения деталей
подшипника скольжения при изменении скорости
∆
Ρ
Ρ
h min
Рис. 7.3. Схема возникновения несущего масляного слоя в подшипнике:
а – отсутствие вращения вала; б – вращающийся вал
δ
Ρ
Ρ
h min
δ
ϕ
а
б
в
α
δ
0,5
0,3
0,1
0,9
0,7
ε
∞
=
dl /
1.0
0.7
0.5
0.3
в
0
Рис. 7.4. Положение вала в подшипнике:
a - момент трогания; б - установившийся режим;
в - изменение положения центра вала в подшипнике (полукруг Гюмбе-
ля)
Исходное положение вала в подшипнике скольжения
(рис.7.3,а) определяется диаметральным зазором
∆
и ради-
альным зазором
δ
=
∆
/ 2. В момент трогания вал накатывается
на подшипник, и ось вала отклоняется на угол
ϕ
(рис.7.4,а), а
при последующем проворачивании вала осуществляется захват
смазочного материала.
102
При достижении номинальной скорости вал занимает по-
ложение, соответствующее рис. 7.3,б и 7.4,б. Между валом и
подшипником скольжения формируется слой смазочного мате-
риала с толщиной
min
h
в месте максимального сближения. Раз-
ность между радиальным зазором
δ
и минимальной толщиной
слоя смазочного материала
min
h определяет эксцентриситет
e
оси вала относительно оси подшипника. Величина эксцентри-
ет тоты
вращения
сит а зависит от величины Р нагрузки на подшипник и час
вала
ω
. Для характеристики подшипника скольжения
используется относительный эксцентриситет
δ
ε
= .
В слое смазочного материала возникают напряжения, эпю-
ры ко
e
торых представлены на рис.7.4,в.
Величина номинального давления находится из зависимо-
сти
а
p
dl
Ρ
=
⋅
, (7.1)
где
d и l - диаметр и длинна подшипника.
Величина максимального напряжения
а
pp )3..2(
max
≅
Величина слоя смазочного материала
min
h
в соответствии
с гидродинамической теорией жидкостной смазки зависит от:
- частоты вращения вала
ω
;
- номинального давления
а
p ;
- относительного диаметрального зазора
d
∆
=
ψ
;
вязкости смазочного материала
η
.
-
Положение центра вала определяется безразмерным па-
раметром
p
ω
η
⋅
. С нтр вала переме-
ается к центру изкой к полуок-
ужно
ростом этого параметра це
щ
р
подшипника по траектории, бл
сти диаметром, равным радиальному зазору
δ
(полукруг
Гюмбеля). На рис. 7.4,в в качестве величины диаметра исполь-
зована относительная величина – относи
ляног
тельная толщина мас-
о слоя
103
δ
ξ
min
= .
h
(7.2)
p
ω
η
⋅
При бесконечно большой величине параметра
центр
вала ом подшипника. При этом
δ
=
min
h ,
совпадает с центр
кли-
новидность зазора исчезает, а давление в масляном клине
должно быть равным нулю. Такое состояние может наступить
при отсутствии внешней нагрузки.
ω
η
⋅
С уменьшением параметра
p
толщина масляного слоя
min
h
уменьшается, вытекание масла, нагнетаемого в эту область
насосным действием вала, затрудняется, давление в масляном
слое повышается, теоретически до бесконечности. Реально от-
ние от цилиндричности, шероховатость, наличие загрязне-
ния в смазочном материале ограничивают несущую способность
подшипника.
При гидродинамической смазке относительный эксцентри-
ситет
клоне
ε
и относительная минимальная толщина
ε
ξ
−
=
1
явля-
ются функциями безразмерного числа Зоммерфельда
2
ψ
ω
η
⋅
⋅
=
p
So
. (7.3)
Существует оптимальное значение, 03 035. ... .
ξ
=
, при ко-
тором режим гидродинамической жидкостной смазки наиболее
устой
шие изменения нагрузки ведут
к зна ала (полукруг Гюмбеля),
котор
чив.
ьВыше этого значения небол
чительному смещению центра в
ые легко переходят в циклические вихревые движения.
Взаимосвязь между числом Зоммерфельда и относитель-
ной минимальной толщиной смазочного слоя может быть выра-
жена следующими зависимостями для различных значений
от-
ношения длины к диаметру подшипника
d
l
:
;
24.08.0
0.1..75.0
−
==
l
So
d
l
ξ
(7.4)
d
104
24.0
0.2..0.1
==
So
43.0 +
d
l
d
l
ξ
. (7.5)
ыДля этих случаев оптимальный относительн й зазор
d
l
p
опт
⋅
⋅
⋅=
ωη
ψ
5.1
. (7.6)
Предельное значение относительного зазора, при котором
еще реализуется гидродинамическая жидкостная смазка:
3
max
3
d
l
p
⋅
⋅
⋅=
ωη
ψ
. (7.7)
Ограничение на реализац ежима гидродинамической
смазки накладывает и величина безразмерного параметра Рей-
нольдса
ию р
v
hu
min
Re
⋅
=
,
где
n
h - минимальный слой смазочного материала, мм;
сре
- кин а, мм
2
/с.
сколь-
жения при вращении
вала) очень важно в
момен
то можно обеспечить, подавая в зону
конта ком жидкий смазочный материал под
высок м, создаваемым установленным вне подшип-
ника
ором реализуется этот режим, – «гидростатиче-
ский п ого трения».
ской смазки требуется давление
масла
поряд
mi
-
u
дняя скорость жидкостной пленки, мм/с;
ематическая вязкость смазочного материалv
При Re > 1900 ламинарное течение смазочного материала
переходит в турбулентное, что ведет к нарушению режима жид-
костной смазки.
7.3. Гидростатическая жидкостная смазка
Разделение трущихся поверхностей в подшипнике
можно осуществить не только в динамике (
, но и в статике, когда вал неподвижен. Это
т
трогания вала. Э
кта вала с подшипни
им давление
насосом. Такой режим разделения трущихся поверхностей
получил название «гидростатическая жидкостная смазка», а
подшипник, в кот
одшипник жидкостн
Для гидростатиче
ка 20…30 МПа.
105
е мациям рикасающихся тел и к
, (7.8)
где
7.4. Эластогидродинамическая смазка
Этот режим смазки реализуется в подшипниках качения и
зубчатых зацеплениях. Предпосылкой для возникновения пленки
смазочного материала служат высокие контактные нагрузки,
приводящи к упругим дефор соп
росту вязкости смазочного ма в териала соответствии с зависи-
мостью
p
e
α
ηη
⋅=
0
p
= 0, cПа
⋅
;
0
η
- вязкость смазочного материала при
p
- давление на контакте, МПа ;
α
- пьезокоэффициент вязкости, для минеральных
масел
01.0
1−
МПа ,
,
04.0
<
<
α
.
Эпюра лений в смазочном слое и вид контакта пред-
на р . на вы юща
твую ию вс
дав
ставлен ис.7.5, т.е ходе имеется сужа
вления.
яся щель и
соответс щий сужен плеск да
P
3
Х
1
Х
2
III
III
II
I
II
I
4
r
Д
1
2
A
Д
OB
орма зазора
индрами
тировочная эпюра распределения в нем давления масла:
ве давле-
а ых по-
из
Рис. 7.5. Эпюра распределения скоростей, ф
между контактирующими при качении цил
и ориен
1 - контактирующие по рхности; 2 - масло; 3 – эпюра
ния масла; 4 - распределение д вления по Герцу для несмазанн
верхностей;
21
,xx - координаты концов смазочного слоя
увеличивается скорость течения иВ наиболее узком месте
растет вязкость масла под действием давления. При выходе
зазора вязкость масла резко падает.
106
Наибольшее влияние на распределение максимума дав-
ления оказывает параметр скорости
U .
−
u
⋅
U
R
E
=
1
−
0
η
, (7.9)
⋅
где
0
η
- вязкость смазочного материала, М cПа
⋅
;
на контакте,
с
м
;
u - скорость скольжения
1
E
- эквивалентный модуль продольной упругости, Па;
R
- эквивалентный радиус кривизны, м.
Минимальная толщина масляной пленки также зависит от
а
зке при чистом качении, ся с изменением параметра
корости и в первом приближении пропорциональна тол-
ине
о
п раметра скорости, т.е. возрастает с его ростом.
Сила трения, возникающая при эластогидродинамической
сма изменяет
прямос
щ пленки смазочного материала.
Существенное влияние на режим эластогидродинамиче-
ской
смазки оказывает шерох ватость контактирующих поверх-
ностей. Условной мерой реализации эластогидродинамической
смазки является коэффициент толщины пленки
λ
.
При
λ
> 3 топография поверхности не оказывает влияние
на свойства пленки;
при 2<
λ
<3 увеличение поперечной шероховатости приво-
дит к росту толщины пленки;
при 1<
λ
<2 на толщину плен
, что характерно для
ки превалирующее влияние
оказывает продольная разнотолщинность
реальных режимов трения;
при
8,0≅
λ
возникает смешанное трение с небольшой до-
лей нагрузки, приходящейся на микронеровности;
при
λ
=1,5..2,5 возникают только отдельные контакты, ко-
торые приисчезают
λ
> 2,5, обеспечив
ской жидкостной смазки.
ечения жидкостного трения, уменьшается
7.5. Граничная смазка
ая режим гидродинамиче-
После приработки толщина пленки смазочного материала,
необходимая для обесп
в некоторых случаях до 10 раз.
107
В соответствии с международны
под граничной смазкой понимается такой вид смазки, которому
е мо
о-
ее прочные адсорбционные слои на металлах образуют по-
верхностно-активны к жирные кислоты,
х спирты и эфиры, животные и растительные жиры.
ствием ориентацион-
ых сил притяжения кулы, ориентирован-
ые в силовом поле нимают стоячее по-
м стандартом ИСО 4378/3
н гут быть приписаны объемные вязкостные свойства сма-
зочного материала и который определяется свойствами гранич-
ных слоев, возникающих при взаимодействии материала поверх-
ности трения и смазочного материала в результате физической
адсорбции или химической реакции.
Объемные свойства
жидкого смазочного материала не
проявляются при толщине пленки менее 0,02…0,1 мкм. Наиб
л
е вещества (ПАВ), такие ка
и
Так, например, при толщине монослоя олеиновой кисло-
ты, равным 19,02
o
A
, слой смазочного материала может вклю-
чать 10…50 таких монослоев. Адсорбционные пленки образуют-
я на металлических поверхностях под дейс
н Ван дер Ваальса. Моле
твердой поверхности, зан
ложение (рис. 7.6).
108
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
+
+
-
+
-
+
-
+
-
+
-
+
-
Рис.7.6. Схема формирования адсорбционного слоя
Затем под действием дисперсионных сил образуются сле-
дующие слои. Молекулы между собой по всей длине находятся
под действием поперечных (дисперсионных) сил. Таким образом,
мультимолекулярный слой приобретает квазикристаллическую
структуру комплекса жидких криталлов, обладающего свойства-
ми квазитвердого тела с высоким модулем упругости рис.7.7.
109
Б
В
А
Рис.7.7. Схема структуры граничного смазочного слоя
на поверхности металла:
А - поликристаллическая поверхность металла;
ская зона граничного слоя; Б - поликристалличе
В - монокристаллическая зона граничного слоя
Е=3,5 5
нагрузку
ми ди е
Так, модуль упругости молекул жирных кислот достигает
5
… ·10
МПа, а мультимолекулярные слои выдерживают
до 100 МПа.
С другой стороны, монослои связаны между собой слабы-
сп рсионными силами Ван дер Ваальса, что является при-
чиной легкого скольжения между контактирующими адсорбцион-
ными пленками при граничном трении (рис.7.8).
Рис.7.8. Схема скольжения граничных слоев,
построенных из цепных макромолекул
110