22. Тертя і змащення підшипників ковзання

Режими тертя і критерії розрахунку. Вище відзначено, що робота тертя є основним показником працездатності підшипника. Тертя визначає знос і нагрівання підшипника, а також його к. к. д. Для зменшення тертя підшипники ковзання змащують. У залежності від режиму роботи підшипника в ньому може бути напіврідинне чи рідинне тертя. Схематизоване представлення про ці режими дає рисунок 22.1.

При рідинному терті робочі поверхні вала і вкладиша розділені шаром мастила, товщина h якого більше суми висот Кг шорсткостей поверхонь (на рисунку 22.1 поділяючий шар мастила зображений товстою лінією):

h >R_z1+R_z2. (22.1)

При цій умові мастило сприймає зовнішнє навантаження, запобігаючи безпосереднє стикання робочих поверхонь, тобто їхній знос. Опір руху в цьому випадку визначається тільки внутрішнім тертям у мастильній рідині. Значення коефіцієнта рідинного тертя знаходиться в межах 0,001...0,005 (що може бути менше коефіцієнта тертя котіння).

При напіврідинному терті умова (22.1) не дотримується, у підшипнику буде змішане тертя – одночасне рідинне і граничне. Граничним називають тертя, при якому тертьові поверхні покриті найтоншою плівкою змащення, що утворилася в результаті дії молекулярних сил і хімічних реакцій активних молекул змащення і матеріалу вкладиша. Здатність змащення до утворення граничних плівок (адсорбції) називають маслянистістю (липкістю, змочиваємістю). Граничні плівки стійкі і витримують великі тиски. Однак у місцях зосередженого тиску вони руйнуються, відбувається стикання чистих поверхонь металів, їхнє схоплювання і відрив часток матеріалу при відносному русі. Напіврідинне тертя супроводжується зносом тертьових поверхонь навіть без улучення зовнішніх абразивних часток. Значення коефіцієнта напіврідинного тертя залежить не тільки від якості мастила, але також і від матеріалу тертьових поверхонь. Для поширених антифрикційних матеріалів коефіцієнт напіврідинного тертя дорівнює 0,008...0,1.

Для роботи підшипника самим сприятливим режимом є режим рідинного тертя. Утворення режиму рідинного тертя є основним критерієм розрахунку більшості підшипників ковзання. При цьому одночасно забезпечується працездатність за критеріями зносу і заїдання.

Основні умови утворення режиму рідинного тертя.

Д ослідження режиму рідинного тертя в підшипниках засновано на гідродинамічній теорії змащення. Ця теорія базується на рішеннях диференціальних рівнянь гідродинаміки в’язкої рідини, які зв'язують тиск, швидкість і опір в’язкому зрушенню.

На рисунку 22.2 показані дві пластини А и Б, залиті мастилом і навантажені силою F. Пластина А рухається щодо пластини Б зі швидкістю υ. Якщо швидкість υ мала (рисунок 22.2, а), то пластина А вичавлює змащення з пластини Б. Поверхні пластин безпосередньо стикаються. При цьому утвориться напіврідинне тертя.

При досить великій швидкості υ (рисунок 22.2, б) пластина А піднімається в масляному шарі і приймає похиле положення, подібно тому, як піднімається глісер чи водяні лижі, які ковзають по воді.

Між пластинами утвориться звужний зазор. В’язке і липке мастило безупинно нагнітається в цей зазор. Протікання мастила крізь звужний зазор супроводжується утворенням тиску р (рисунок 22.2, б), який врівноважує зовнішнє навантаження. У цьому випадку рух продовжується в умовах рідинного тертя. Перехід до режиму рідинного тертя відбувається при деякій швидкості, називаною критичною υ_кр.

Гідродинамічна теорія змащення доводить, що гідродинамічний тиск може розвиватися тільки в звужному зазорі, який прийнято називати клиновим. У нашому прикладі початковий клиновий зазор утвориться за допомогою скошеної крайки пластини А. Якщо конструкція підшипника не має клинового зазору, то в підшипнику не може утворитися рідинне тертя. Наприклад, простий плоский підп'ятник не має клинового зазору і не може працювати при рідинному терті. Для утворення клинового зазору, а отже, і умов рідинного тертя опорної поверхні підп'ятника додають спеціальну форму.

У радіальних підшипниках клинова форма зазору властива самої конструкції підшипника. Вона утвориться за рахунок зсуву центрів цапфи вала і вкладиша (рисунок 22.3, а).

При кутовій швидкості ω ω_кр цапфа спливає в мастилі і трохи зміщується убік обертання по траєкторії, зазначеної на рисунку 16.5, б. На рисунку 16.5, а, б: 1 – клиновий зазор; 2 – шлях центра цапфи при збільшенні швидкості обертання; 3 – епюри тиску в масляному шарі; 4 – лінія центрів. Зі збільшенням кутової швидкості збільшується товщина поділяючого масляного шару h_min, а центр цапфи зближається з центром вкладиша. При відстань між центрами . Повного збігу центрів бути не може, тому що при цьому порушується клинова форма зазору, як одне з умов режиму рідинного тертя.

Дослідження показують, що для підшипників з визначеними геометричними параметрами товщина масляного шару є деякою функцією характеристики робочого режиму підшипника:

, (22.2)

де – характеристика робочого режиму підшипника; – динамічна в'язкість мастила (характеризує опір відносному зрушенню шарів мастила); - кутова швидкість цапфи; – умовний тиск у підшипнику.