книги / Трение и износ деталей машин

Рис. 14. Зависимость касатель­ ных напряжений от производной скорости по нормали

Среды, подчиняющиеся такой закономерности, называют нелинейно вязкопластичными, к числу их относят минеральные масла при низкой температуре, жиры, коллоидные растворы и др.

dV

Среды, у которых то = 0 и F — = 0 (кривая II), называют жидкостя- d п

ми. Среды, у которых напряжения сдвига изменяются по кривой I, имеют то - статическое предельное напряжение сдвига, и xj - динамическое пре­ дельное напряжение сдвига, величина которого определяется экстраполя­ цией прямолинейного участка.

Среды, у которых TQ = 0 и т<* Ф0, называют неньютоновскими жидко­ стями (жиры, суспензии и др.). Если i j = TQ, то аномалия вязкости отсутст­ вует и

d п

где р. - коэффициент динамической вязкости жидкости.

В этом случае говорят об истинно вязкой, или ньютоновской, жидко­

сти.

Значение, обратное вязкости, называют текучестью: ср = —. Чем

И

больше вязкость, тем меньше текучесть.

Вязкость в системе СИ определяется в паскаль-секундах (Пас). Под кинематической вязкостью понимается динамическая вязкость ц, отнесен­ ная к плотности р жидкости, измеряемая в метрах квадратных на секунду

(м /с). В стандартах и технических условиях на масла кинематическая вязкость выражается в сантистоксах (сСт): 1 сСт =10 м/с.

Вязкость зависит главным образом от температуры, влияние давле­ ния обнаруживается для минеральных масел при значениях, превышаю­ щих 10 МПа. Степень изменения вязкости в зависимости от температуры принято оценивать отношением кинематической вязкости при Т = 50 °С к кинематической вязкости при Т= 100 °С. Часто степень изменения вязко­ сти масла в зависимости от степени нагрева выражается через индекс вяз­ кости (ИВ). Лучшим считается масло с повышенным ИВ.

Механизм образования давления в несущем слое легче всего пояс­ нить на примере плоской опоры (рис. 15). Пусть пластина 1 перемещается с некоторой скоростью V под углом а к неподвижной пластине-подкладке 2. Между пластиной и подкладкой находится вязкая жидкость. Слой жид­ кости, смачивающий пластину 1, силами вязкого трения приводит в дви­ жение смежный с ним по высоте слой. Таким образом, движение передает­ ся от одного слоя к другому, за исключением слоя, смачивающего непод­ вижную подкладку 2. В результате масло вовлекается в сужающийся кли­ новой зазор и в нем создается и поддерживается давление жидкости. Оно не будет постоянным по длине зазора, поскольку на входной и выходной кромках масло находится в атмосферных условиях и здесь избыточное давление равно нулю, как показано на эпюре давлений (см. рис. 15). Несу­ щая способность, или грузоподъемность, смазочного слоя равна равнодей­ ствующей силе давления F. Такой силой можно нагрузить пластину при данных ее размерах, скорости перемещения и вязкости масла. Наличие клинового зазора является необходимым условием поддержания режима жидкостного трения в гидродинамической опоре.

Рис. 15. Схема образования дав­ ления в масляном слое плоской пары трения

Для осуществления жидкостного трения необходимо, чтобы наи­ меньшая толщина смазочного слоя при гладких сопрягаемых поверхностях и прочих идеальных условиях была не менее толщины, при которой прояв­ ляются объемные свойства жидкости. Для реальных шероховатых поверх­ ностей деталей опор наименьшая толщина слоя - минимальное расстояние между вершинами выступов неровностей сопрягаемых поверхностей.

6.6. Эластогидродинамическая смазка

Основным отличием процесса эластогидродинамической смазки от гидродинамической является упругая деформация поверхностей детали в зоне контакта пар трения и, как следствие, переменная толщина пленки смазочного материала в зазоре.

Механизм действия эластогидродинамической смазки можно пред­ ставить следующим образом. При относительном перемещении рабочих поверхностей деталей в процессе трения смазочный материал, адсорбиро­ ванный поверхностями трения, оказывается как бы зажатым в зазоре меж­ ду ними.

Высокое давление, действующее в зоне контакта деталей, вызывает увеличение вязкости смазочного материала. В центральной части зазора, заполненного смазочным материалом, вследствие упругой деформации участки контактирующих поверхностей почти параллельны. Поэтому ско­ рость трения масла на этом участке постоянна. На выходе из зазора, в том месте, где прекращается упругая деформация поверхностей, величина за­ зора резко уменьшается (рис. 16), снижается и толщина смазочной пленки. Свойство неразрывности потока обусловливает стремительное увеличение скорости прохождения смазочного материала через эту область. При этом резко возрастает гидродинамическое давление в слое смазочного материа­ ла. Обычно в зоне контакта при эластогидродинамической смазке толщина пленки смазочного материала составляет от 0 ,1 до 1 0 мкм.

Рис. 16. Схема распределения давления в зоне контакта ци ­ линдрических поверхностей в условиях эластогидродинамической смазки

Режим трения поверхностей деталей сопряжений и вид смазки опре­ деляются не только количеством смазочного материала и его вязкостью, но и характером работы узла трения.

Количественно режим работы сопряжения характеризуется безраз­ мерным критерием Зоммерфельда Z:

7 =

Р ’

(здесь ц - динамическая вязкость смазочного материала; ю - угловая ско­ рость; Р - нормальная нагрузка или давление).

Графической характеристикой трения рабочих поверхностей деталей в присутствии смазочного материала является диаграмма Герси - Штрибека, представляющая собой зависимость коэффициента трения/от парамет­ ра Z (рис. 17).

Рис. 17. Зависимость коэффициента трения от режима работы сопряжения и свойств смазочного материала

Критическое значение Z соответствует минимальному значению ко­ эффициента трения. Диаграмма состоит из двух частей: области 3 гидро­ динамического трения (жидкостная смазка) и области полужидкостной и граничной смазки (соответственно области 2 и / на рис. 17). От зоны 2 вправо рост коэффициента трения происходит за счет увеличения внут­ реннего трения в слое смазки, подчиняющегося законам гидродинамики. Влево от зоны 2 коэффициент трения возрастает за счет увеличения доли граничной смазки вплоть до образования чисто граничной смазки (зона /).

При переходе в область неустойчивой полужидкостной смазки изменение всякого параметра, способствующего снижению Z (уменьшение вязкости, окружной скорости, увеличение нагрузки), вызывает увеличение трения и тепловыделения.

7. НАЗНАЧЕНИЕ И КЛАССИФИКАЦИЯ СМАЗОЧНЫХ МАТЕРИАЛОВ

Основная функция смазочного материала заключается в снижении интенсивности изнашивания элементов машин. Слой смазочного материа­ ла устраняет непосредственный контакт рабочих поверхностей деталей, поэтому уменьшается механическое и адгезионное взаимодействие по­ верхностей.

Кроме того, смазочные материалы служат для уменьшения сил тре­ ния, более равномерного распределения давления и температуры, отвода теплоты из зоны трения, защиты рабочих поверхностей деталей от корро­ зии, формирования на рабочих поверхностях деталей пленок окислов, об­ ладающих повышенной износостойкостью. От правильного выбора сма­ зочного материала во многом зависит долговечность машины.

В зависимости от физического состояния различают газообразные жидкие, пластичные и твердые смазочные материалы.

Жидкие масла классифицируют по назначению и области примене­

ния:

-моторные, применяемые в двигателях внутреннего сгорания авто­ мобилей и дорожных машин (М6 Б, МВБ, Ml ОБ и др.);

-автотракторные трансмиссионные, применяемые для смазывания элементов трансмиссий (ТАП-15В);

-индустриальные общего назначения, применяемые для смазки эле­ ментов станков, промышленного оборудования, а также в качестве рабо­ чих жидкостей систем объемного гидропривода (И-1 2 , И-20, ИС-45, ВМГЗ, АГМ, МГЕ и др.).

Пластичный смазочный материал представляет собой полутвердый или твердый продукт, состоящий из смеси минерального или синтетиче­ ского масла, стабилизированного мылами или загустителями. Загуститель образует структурный каркас и придает смазочному материалу свойства

твердого тела с невысоким пределом прочности, не превышающим 5000 Па. При повышении температуры до 200-300 °С пластичные смазоч­ ные материалы переходят в жидкое состояние.

По назначению пластичные смазочные материалы делят: на анти­ фрикционные, снижающие трение и износ; консервационные (защитные), предохраняющие металлические поверхности от коррозии; уплотнитель­ ные, служащие для герметизации зазоров в сопряжениях.

По происхождению жидкие и пластичные смазочные материалы подразделяют на минеральные, нефтяные, растительные, животные и син­ тетические.

Минеральными называют смазочные материалы минерального про­ исхождения, полученные смешением углеводородов в естественном со­ стоянии или в результате обработки минеральных продуктов. Основными видами сырья для получения минеральных смазочных материалов являют­ ся каменный уголь, торф и сланцы.

Нефтяные смазочные материалы представляют собой очищенное масло, полученное на основе нефтяного сырья.

Растительные и животные масла получают при переработке продук­ тов соответственно растительного и животного происхождения.

Синтетические смазочные материалы являются продуктами синтеза органических или элементоорганических соединений.

7.1. Жидкие смазочные материалы

Индустриальные масла. Эти масла способствуют снижению коэф­ фициента трения и интенсивности изнашивания деталей узлов трения станков, прессов, прокатных станов и другого технологического оборудо­ вания промышленного производства. Дополнительными функциями инду­ стриальных масел являются отвод тепла от узлов трения, защита деталей

9,6-10 5 м2/с при 100 °С; Вязкость масла в значительной степени зависит от уровня рабочего

давления. С увеличением давления она возрастает и тем значительнее, чем ниже температура.

Важным показателем, влияющим на качество масел, является золь­ ность. Она определяется количеством остающейся после выпаривания масла золы, выраженным в процентах к первоначальному количеству мас­ ла. Зольность масла характеризует степень его очистки и загрязненность минеральными примесями.

В табл. 3 приведены характеристики основных сортов индустриаль­ ных масел.

Моторные масла. В соответствии с современными требованиями моторные масла должны обладать следующими эксплуатационными свой­ ствами: противоизносными и противозадирными, вязкостными, противо­ коррозионными и антиокислительными. Кроме того, моторные масла, ис­ пользуемые в зимнее время в условиях холодного климата, должны иметь низкую температуру застывания. При низкой температуре окружающей среды рабочая температура (вследствие интенсивного охлаждения) значи­ тельно ниже, а вязкость выше, чем в теплое время, поэтому зимние сорта моторного масла должны обладать пониженной кинематической вязко­ стью.

Моторные масла выбирают, учитывая степень форсирования двига­ теля. Масла группы А, Б и В предназначены соответственно для нефорси­ рованных, малофорсированных и среднефорсированных двигателей. Для высокофорсированных двигателей применяют масла группы Г, а при рабо­ те двигателей в тяжелых условиях - масла группы Д.

Моторные масла, имеющие в маркировке индекс 1, предназначены для карбюраторных двигателей, индекс 2 - для дизелей. Маркировка масел представляет сочетание букв, цифр и индексом. Например, М-14В - масло моторное 14-го класса вязкости (уровень вязкости при 100 °С [(14 + 1 ) * 10_6 м2/с]) предназначено для среднефорсированных дизелей. Для за­ гущенных масел в обозначении цифра над дробью показывает класс вязко­ сти масла при температуре 18 °С, буква 3 означает наличие загущающих присадок, а цифра под знаком дроби характеризует вязкость масла при

100 °С.

Основные показатели эксплутационных свойств масел, используе­ мых для двигателей внутреннего сгорания дорожно-строительных, авто­ тракторных и сельскохозяйственных машин, приведены в табл. 4.

Трансмиссионные масла. Их применяют для коробок передач, ре­ дукторов и элементов механических передач дорожно-строительных ма­ шин. Эти масла работают в условиях высоких давлений, поэтому они должны обладать повышенной смазывающей способностью, т.е. хорошими противоизносными и противозадирными свойствами. Трансмиссионные масла имеют более высокую вязкость, чем моторные. Если эти масла ис­ пользуют в жаркой, теплой и умеренной климатической зоне, то их кине-

матическая вязкость при 100 °С должна быть 14-16 мм /с, если в холодной

2

климатической зоне, то 8 - 1 0 мм /с.

В зависимости от степени и характера нагружения сопряжений трансмиссионные масла подразделяют на три группы: первая - для уме­ ренных давлений (1000-2000 МПа) и температуры (до 120 °С), характер­ ных для цилиндрических и конических передач машин; вторая - для пере­ дач со спирально-коническими шестернями, работающими при давлении

выше 2000 МПа и температуре, превышающей 120 °С; третья - для пере­ дач с гипоидным зацеплением, для которого характерна высокая степень относительного проскальзывания рабочих поверхностей и большие удель­ ные нагрузки.

Примечание. В числителе приведены показатели масел для карбюраторных дви­ гателей, в знаменателе - для дизелей.

К первой группе масел относят моторные масла АК-15, МТ-16п и авиационное МС-20. Во вторую группу входят трансмиссионные масла ТАП-15В, ТСп-14, ТСп-14,5 и ТСП-Ю (рекомендуемое для употребления в условиях севера), в третью - трансмиссионные масла TCn-l4mjn, ТАд-17и, ТСЗп-9 (для северных условий).

Для улучшения эксплутационных свойств трансмиссионных масел в их состав вводят противоизносные, противозадирные, антиокислительные и депрессорные присадки.

Основные показатели эксплутационных свойств трансмиссионных масел, используемых в дорожно-строительных, автотранспортных и сель­ скохозяйственных машинах, приведены в табл. 5.

7.2. Пластичные смазочные материалы

Требования, предъявляемые к смазочным материалам, определяются их назначением и условиями использования. Пластичность смазочных ма­ териалов позволяет применять их для защиты открытых металлических