Основные понятия (стр. 6 )

ТРЕНИЕ ПРИ ГРАНИЧНОЙ СМАЗКЕ

Это внешнее трение, при котором трение и износ тел, находящихся в относительном движении, определяются свойствами поверхностей и свойствами смазочного материала, которые отличаются от объемных свойств как смазки так указанных ранее тел.

При граничной смазке (граничное или полусухое трение) поверхности сопряженных тел разделены слоем смазочного материала малой толщины (от толщины одной молекулы до 0.1 мкм). Эта пленка прочно связана с металлической подложкой силами молекулярного взаимодействия и поэтому теряет свойства, присущие свойствам жидкостей (свойства жидкости: частицы могут свободно перемещаться относительно друг друга; сопротивление движению жидкости определяется внутренним трением).

Наличие граничного слоя (пленки) снижает силы трения по сравнению с трением без смазки в 2-10 раз, уменьшает износ сопряженных поверхностей в сотни раз.

Молекулы смазочного материала обычно ориентируются перпендикулярно к твердой поверхности. Это позволяет представить для наглядности граничную пленку в виде «ворса» (см. рисунок, позиции в, г). Молекулы поверхностно-активных веществ (полярно-активные молекулы), фиксируясь на активных центрах твердой поверхности, формируют мономолекулярные слои (см. рисунок, позиция в) и полимолекулярные слои (позиция г). Процесс фиксирования на поверхности металлов полярно-активных молекул называется адсорбцией. Сорбция указанных ранее молекул протекает по двум типам механизмов - по типу физической и химической адсорбция.

Физическая адсорбция. На активные центы твердой поверхности, имеющей заряды разных знаков, закрепляются одиночные молекулы поверхностно-активных веществ (ПАВ). Например, молекулы вида (Н3С-(СН2)n-Н2С-ОН) своими полярными группами [-ОН] вступают в контакт с активными центрами поверхности (см. рисунок, позиция а). Хвостовые части молекул, состояние из инертных групп [-СН3], выстраиваются перпендикулярно поверхности. Постепенно число таких молекул увеличивается, и они образуют сплошной мономолекулярный слой. Между полярными группами [-ОН] могут возникать дополнительные связи, которые упрочняют граничный слой. Вслед за первым монослоем формируется второй, третий (рисунок, позиция г) и т. д.

При химическом типе адсорбции (хемосорбции), как это представлено на рисунке (позиция б), между металлом и полярно-активными молекулами (концевые группы [-СООН]) образуются химические связи.

Смазочный материал в граничном слое анизотропен, в тангенсальном направлении молекулярные слои легко изгибаются и скользят друг по другу; по нормали к твердой поверхности пленка обладает высоким сопротивлением сжатию и устойчива к сдвиговому напряжению (см. рисунок, позиция г, правая сторона).

ЖИДКОСТНОЕ ТРЕНИЕ

Характеризуется тем, что трущиеся поверхности разделены слоем смазки hmin, который воспринимает приложенную нормальную нагрузку (см. рисунок).

Внешнее трение твердых тел заменяется внутренним трением слоев жидкости. Для жидкостного трения hmin>(Rz1+Rz2) (Rz - высота неровностей) рабочий зазор должен быть hраб= hmin/( Rz1+Rz2). Практикой выработан следующий критерий для жидкостного трения: 5£ hраб£100.

Различия внешнего и внутреннего трения заключаются в следующем:

- в геометрии трущихся поверхностей. При внешнем трении соприкосновение двух твердых тел происходит в отдельных точках, контакт дискретен, а площадь фактического контакта зависит от нагрузки;

- внутренне трение характеризуется ламинарным перемещением материала в направлении вектора относительной скорости. При внешнем трении материал перемещается в направлении перпендикулярном вектору относительной скорости;

- при внешнем трении возникновение и разрушение связей локализуется в тонком поверхностном слое. При внутреннем трении деформативная зона охватывает весь объем;

- природа внутреннего трения едина. Она связана с передачей количества движения, осуществляемого частицами, от одного слоя к другому. Природа внешнего трения обладает дуализмом: f=fмол+fдеф.

Движение молекул внутри твердых тел, жидкостях и газах приводит к рассеиванию внутренней энергии вследствие столкновения, растяжения, кручения, колебаний и скольжения молекул. Это внутренне трение, принимающее, в зависимости от фазового состояния, различные формы. В твердых телах - петля гистерезиса, в жидкостях и газах внутреннее трение проявляется как вязкость.

Вязкость (h)- это свойство жидкости сопротивляться взаимному перемещению ее слоев под действием силы (свойство оказывать сопротивление относительному движению или деформации молекул).

Закон вязкого течения Ньютона - сила внутреннего трения Fв, проявляющаяся при перемещении одного слоя жидкости относительно другого прямо пропорциональна градиенту относительной скорости (dv/dh) этого перемещения и площади (A) слоя жидкости:

Fв=hA(dv/dh).

При делении правой и левой части на площадь А приведенное выше выражение преобразуется в уравнение:

t=h(dv/dh)@h(v/h),

где t - сопротивление сдвигу между слоями жидкости; h(dv/dh)@h(v/h)- градиент скорости при р=const и T= const.

Кривые, изображенные на рисунке, называются реологическими. Они учитывают зависимость касательного напряжения в слое жидкости от типа самой жидкости.

Жидкости, у которых t линейно зависит от v/h, а h - величина постоянная, называются ньютоновскими жидкостями (рисунок, прямая 1). К числу таких жидкостей относятся вода и большинство базовых масел.

Многофазные жидкости относятся к классу неньютоновских жидкостей (см. подписи к рисунку).

Коэффициент пропорциональности h (см. рисунок) зависит от природы жидкости.

Коэффициент динамической вязкости (h)- это сила трения в Н (Ньютонах) при относительной скорости скольжения в 1 м/с двух слоев жидкости, имеющей площадь 1 м2 и удаленных друг от друга на расстояние 1 м. Размерность h (Н×с)/(м2)=Па×с. В технике используют также и кинематическую вязкость:

n= h/r,

где r - плотность жидкости. Размерность параметра n [мм2/с] (1 мм2/с = 1 сСт ;Сантистокс).

На рисунке представлен вискозиметр ВПЖ-4, используемый для измерения кинематической вязкости жидкостей.

Вискозиметр представляет собой U-образную трубку, в колено которой впаян капилляр. Измерение вязкости жидкости при помощи капиллярного вискозиметра основано на определении времени истечения через капилляр определённого объёма жидкости из измерительного резервуара.

Разделение трущихся поверхностей слоем жидкости достигается способами:

- гидростатическим способом путем принудительно прокачивая масло в зазор под давлением;

- посредством гидродинамического эффекта.

Первый способ используется для отдельных узлов трения, например, в гидростатическом подпятнике. Жидкостное трение осуществляется за счет масла, подаваемого в зазор между пятой 1 (см. рисунок) и подпятником 2 (см. рисунок) специальным насосом высокого давления.

Давление в зазоре имеет постоянное значение (не ниже 15-20 МПа). Такое постоянство давления поддерживается уплотнением 3. Вал 4 находится в «плавающем» состоянии. Пята 1, окруженная со всех сторон слоем масла, находящегося под давлением, будет испытывать жидкостное трение при повороте вала. Потери на трение минимальные. Недостатком такого типа устройства является наличие специальных уплотнительных устройств, насосных станций, а также системы охлаждения узла трения.

На практике используется преимущественно гидродинамический эффект. Основы гидродинамической теории смазки представлены в трудах и О. Рейнольдса. установлено, что при уменьшении угловой скорости вала w под действием нагрузки толщина масляного слоя h в подшипнике скольжения снижается, и по форме этот слой отличается от формы кольца.

Гидродинамический эффект возникает вследствие затягивания в сужающийся зазор масла из-за трения о движущиеся стенки вала и подшипника. Внутри масляного клина возникает добавочное давление, способное уравновесить плавающий вал.

О. Рейнольдс на основе законов гидромеханики вывел уравнение несущей способности гидродинамического вязкого слоя в дифференциальной форме:

(dp/dx)=6hv[(h-h0)/h3],

где h - вязкость масла; v - скорость перемещения слоя жидкости; *****@***и h - зазоры между деталями.

Большинство трущихся деталей имеют криволинейные поверхности, поэтому в них относительно просто реализуется эффект гидродинамического жидкостного трения (см. рисунок).

Вал диаметром d вращается с угловой скоростью w. При достижении критической скорости wкр между поверхностью вала и поверхностью втулки образуется непрерывный смазочный слой, разделяющий указанные поверхности. Центр вала занимает положение О2- образуется клиновидный зазор (см. рисунок, hmin).

hmin³К(Rz1+Rz2),

где К - коэффициент запаса, равный 1.2-1.3; Rz1, Rz2- высота неровностей поверхности вала и втулки.

Максимальное давление pmax смещено от оси О1О2 в сторону, противоположную вращению вала. Работа, затрачиваемая на преодоление сопротивления вязкой жидкости, переходит в тепловую энергию, которая идет на нагрев масла и деталей подшипника.

Геометрия смазочного слоя и положение вала во втулке подшипника определяются двумя безразмерными параметрами: y - относительным зазором и c - относительным эксцентриком:

y=(D-d)/d=(R-r)/r=d/r;

где c=e/d, где d=R-r; e - абсолютный эксцентриситет (эксцентрисите́т — числовая характеристика конического сечения, показывающая степень его отклонения от окружности). Коэффициент трения для подшипников скольжения f равен:

f=(p/y)×[(hw)/p]

Гидродинамическая теория смазки, базирующаяся на уравнениях Петрова и Рейнольдса, справедлива для абсолютно жестких недеформирующихся тел и постоянной (не зависящей от давления и температуры) вязкости смазочного материала. Эта теория позволяет рассчитать несущую способность смазочного контакта и толщину смазочной пленки при малых контактных давлениях в узлах трения (до 50 МПа).