книги из ГПНТБ / Цуркан И.Г. Смазочные и защитные материалы учебник

окружной скорости вращающегося цилиндра ѵ в смісек, деленной на зазор:

чтобы удерживать его в неподвижном состоянии при враще­ нии внутреннего цилиндра и вызванном им движении жидкос­ ти в зазоре;

I — высота цилиндра.

3. Гидродинамическое смазывание подшипника скольжения

Рассмотрим работу цапфы с осью Оц и полного подшипника с осью Оп, т. е. подшипника, обхватывающего цапфу по всей окружности (рис. 3). На рис. 3, а изображена схема положения цапфы в подшип­ нике при покое. Если в зазоре между цапфой и подшипником нахо-

10

Рис. 3. Схемы положения равновесия цапфы:

о — при и=0; б — при гидродинамическом смазывании; в — при о=со

дится масло, то при вращении цапфы тончайшие прилипшие к поверх­ ности цапфы слои масла будут двигаться с той же скоростью, что и цапфа. В свою очередь эти прилипшие слои за счет внутреннего трения

(рис. 3, в).

На характер всплывания цапфы влияют нагрузка на подшипник, скорость вращения цапфы,, вязкость масла, диаметр и длина подшип­ ника, разность между диаметрами цапфы и подшипника (диаметраль­ ный зазор подшипника) и другие факторы. Эти вопросы рассматри­ ваются гидродинамической теорией.

Основоположником гидродинамической теории был русский ученый проф. Н. П. Петров (1883 г.). Им был рассмотрен предельный случай расположения цапфы в полном подшипнике (см. рис. 3, б). Для этого случая Н. П. Петровым была предложена формула, которая в не­ сколько упрощенном виде может быть записана следующим образом:

В настоящее время на основе обобщения большого количества ис­ следований в области гидродинамической теории М. В. Коровчинский предложил следующий метод расчета подшипников скольжения.

11

В расчет введен безразмерный параметр, называемый к о э ф ф и ­ ц и е н т о м н а г р у ж е н н о с т и :

(10)

LdT|co ’

где Ра — несущая способность смазочного слоя, или равнодейст­ вующая сил давления смазочного слоя на цапфу, равная нагрузке на подшипник;

ф — относительный зазор, равный отношению разности радиу­ сов подшипника и цапфы А к радиусу цапфы;

L и сі — соответственно длина и диаметр подшипника; т] — вязкость масла; со — угловая скорость вращения цапфы.

В расчете задаются отношением длины подшипника к его диаметру Lid и величиной ф. Затем оценивают возможную температуру в слое смазки и по ней находят вязкость масла, принятого для данной кон­ струкции (способы оценки влияния температуры на вязкость масел будут изложены ниже). Пользуясь известными данными и учитывая необходимую нагрузку на подшипник, по формуле (10) определяют коэффициент нагруженности. Затем по табл. 1 находят относительный эксцентриситет %, равный отношению абсолютного эксцентриситета (расстояние между вертикальными прямыми, проходящими через центры подшипника и цапфы) к разности радиусов цапфы и подшипни­ ка А.

Теперь можно определить толщину слоя масла в самом узком месте зазора

A m i n = A ( l - 1 ) . (П)

Подшипник должен быть сконструирован и рассчитан так, чтобы величина на установившихся режимах работы была больше суммы высот неровностей от шероховатостей на цапфе и подшипнике.

Коэффициент трения / определяется по формуле

Повторяя расчет, задаваясь новыми значениями размеров подшип­ никами цапфы, сортом масла, получают необходимую толщину слоя масла под подшипником, обеспечивающую его надежную работу

вгидродинамическом режиме, и минимальный коэффициент трения. При постоянных диаметральном зазоре, длине и диаметре под­

шипника зависимость коэффициента трения от параметра ^ выра­

жается кривой, показанной на рис. 4 сплошной линией.

Таким образом, из гидродинамической теории следует, что умень­ шение вязкости или скорости вращения цапфы приводит к уменьше-

12

13

нию сопротивления вращению цапфы. При уменьшении нагрузки коэффициент тре­ ния увеличивается.

Однако опыт показывает, что так

минимальном значении коэффициент тре­ ния перестает уменьшаться, а затем начи­ нает резко возрастать с уменьшением па­ раметра (штриховая часть кривой). Такой характер кривой свидетельствует, что ра­ бота подшипника уже не подчиняется гид­ родинамической теории. Это связано с тем, что клиновое действие масла недостаточно для всплывания цапфы и она приблизилась

к положению, показанному на рис. 3, а. В этом случае на по­ верхностях трения цапфы и подшипника в месте их контакта оста­ ются лишь тончайшие слои адсорбированного масла, и гребешки неровностей трущихся поверхностей получают возможность зацеп­ ляться друг за друга. Такой режим трения носит название г р а ­ н и ч н о г о т р е н и я. Он очень распространен в практике эксплуа­ тации и представляет собой специальную область науки о трении. Особенности работы узлов трения машин и механизмов на гранич­ ных режимах зависят от химического состава смазочного материала. Поэтому граничное трение рассмотрено после раздела, посвященного составу смазочных масел.

4. Понятие о трении качения

Если через цилиндрический каток, опирающийся на два плоских бруска, перекинуть нить с грузами на концах (рис. 5) и груз Q больше груза N, то каток начнет катиться по брускам с некоторой постоян­ ной скоростью. Ученый Кулон нашел, что сопротивление качению катка, или сила трения качения, будет равно

14

15

(контактные напряжения). Представление о влиянии силы прижатия и радиуса катка на величину контактных наряжений а дает фор­ мула Герца:

(14)

где Е — модуль упругости металла; / н — длина катка.

Кроме того, неровности поверхности больше отражаются на ве­ личине трения качения при катках меньшего радиуса, т. е. чем меньше каток, тем больше сила трения. Из формулы (13) видно, что коэффици­ ент трения качения выражается в единицах длины (например, в сан­ тиметрах). Однако на практике часто пользуются приведенным коэф­ фициентом трения качения, представляющим собой коэффициент пропорциональности между силой трения и силой прижатия по анало­ гии с трением скольжения [см. формулу (1)].

Грение качения значительно меньше трения скольжения. Поэтому в технике, где возможно, стремятся заменить трение скольжения цапфы по подшипнику трением качения шариков или цилиндров с по­ мощью подшипников качения. Для правильной эксплуатации под­ шипников качения также необходимо использование смазочных мате­ риалов. В процессе вращения подшипника смазочная среда попадает под шарик или ролик и качение происходит по масляной прослойке. Последняя как бы увеличивает площадь опоры шарика или ролика. Шарик контактируется с кольцом подшипника по очень малой площади (точечный контакт). В связи с этим воспринимаемые шариком или роликом нагрузки создают очень большие контактные напряже­ ния. В современных подшипниках допускаются давления в контакте до 50 000 кГ/см2. Если такие напряжения приложить ^ стальным по­ верхностям, совершенно лишенным масляной прослойки или какихлибо адсорбированных слоев, металл начинает разрушаться. Однако при наличии слоя масла площадь соприкосновения значительно увели­ чивается, так как давление передается не только по центру контакта, но и через примыкающие слои масла. П. Л. Капица показал, что подъ­ емная сила, возникающая на единице длины ролика, для случаев прос­ лоек малой толщины составляет

(15)

где с постоянная величина;

V— окружная скорость качения; П — динамическая вязкость масла;

а — параметр, учитывающий радиусы тел качения; ■у — пьезокоэффициент вязкости.

Из выражения (15) видно, что подъемная сила прямо пропорцио­ нальна кубическому корню из величины вязкости смазочного мате­ риала.

Вязкость масла при больших давлениях значительно увеличивает­ ся, и за счет этого рост нагрузки на подшипник вызывает некоторое повышение подъемной силы.

В формуле (15) степень увеличения вязкости с давлением учитыва­ ется величиной у. Теория смазывания, _ учитывающая увеличение вязкости масла при высоких давлениях в контакте трения, получила название эластогидродинамической, или контактно-гидродинамиче­ ской, теории.

Согласно контактно-гидродинамической теории приведенный коэф­ фициент трения качения и минимальная толщина пленки масла h под катящимся роликом описываются следующими выражениями:

(16)

(17)

где сг и с2— постоянные величины.

Из этих соотношений вытекает, что чеіуі больше вязкость масла и величина пьезокоэффициента у, тем толще будет пленка масла под подшипником. С другой стороны, чем толще будет масляный слой, тем на большую площадь распространяется нагрузка и, следователь­ но, уменьшается напряжение на поверхностях трения.

Из контактно-гидродинамической теории также следует, что для образования масляного слоя необходим определенный зазор между роликом и кольцами подшипника. Если этот зазор недостаточен, то образующийся слой масла будет распирать подшипник и вызывать дополнительные напряжения и потери на трение.

1. О химическом составе смазочных масел

Наиболее широко применяемыми смазочными материалами явля­ ются нефтяные (минеральные) масла. Известно, что нефть представляет собой сложную смесь различных химических соединений, широко раз­ личающихся по температурам кипения. Разделить нефть на отдельные соединения, используя их различия по температурам кипения, прак­ тически невозможно, поскольку одной и той же температуре кипения может соответствовать большое количество разных соединений. По­ этому ограничиваются разделением нефти на группы соединений, имею-- щих более или менее близкие температуры кипения (фракции).

Обычно фракции, выкипающие при более низких температурах, обладают и меньшей вязкостью. Самые легкие фракции — бензины (начало кипения около 40° С, конец кипения около 200° С). Трактор­ ные керосины представляют собой фракции с началом кипения около

150° С и концом кипения около 300° С. Далее идут дизельные топлива (200—350° С). Все эти продукты используются как топлива для дви­ гателей. Они имеют очень малые значения вязкости и непригодны для применения в качестве смазочных масел. Примерно с 350° С кипят и выделяются фракции, используемые в качестве смазочных материалов.

Основная масса химических веществ, входящих в состав нефтей, представляет собой соединения углерода и водорода в различных ком­ бинациях, называемых углеводородами. Простейшим углеводородом является метан, относящийся к классу парафиновых углеводородов:

НI

Н—СI— Н или СН4.

н

Усложнение строения парафиновых углеводородов идет по такой

можно достраивать углеводородную цепь, прибавляя каждый раз груп­ пу, состоящую из одного атома углерода и двух атомов водорода.

При нормальных условиях парафиновые углеводороды с числом атомов углерода до пяти являются газообразными веществами. Начиная с шести атомов углерода, парафиновые углеводороды представляют

н

18

Очень распространены в нефтях углеводороды, содержащие так на­ зываемые кольчатые структуры. Один из типов колец представляет со­ бой цепь из пяти или шести атомов углерода, сомкнутую своими кон­ цами:

жать по нескольку колец с присоединенными к ним парафиновыми или изопарафиновыми цепями, например

н ы м и углеводородами. В исходных нефтях они не встречаются и мо­ гут образовываться лишь в процессе переработки нефти, в основном при термическом воздействии, приводящем к разрыву цепей (деструк­ ции), образованию осколков молекул со свободными валентностями (радикалов), либо к появлению новых комбинаций из углерода и во­ дорода, либо к возникновению углеводородов с двойными связями.

Однако двойные связи широко представлены в нефтях и продук­

нием этого типа является бензол

сн

А сн

и л а 6сн 5

ѵсн сн

19