- •Глава 12
- •Конструирование опор с подшипниками скольжения
- •Общие сведения о подшипниках скольжения
- •Трение в подшипниках скольжения
- •Практический расчет подшипников скольжения
- •Конструкция и материалы подшипников скольжения
- •Гидростатические подшипники
- •Подпятники (упорные подшипники)
- •Материалы вкладышей
- •Конструктивные, технологические и эксплуатационные факторы
Трение в подшипниках скольжения
В подшипниках скольжения может быть полусухое, полужидкостное и жидкостное трение, переходящее последовательно одно в другое по мере возрастания угловой скорости вала от нуля до определенной величины. Вращающийся вал увлекает смазку в клиновой зазор между цапфой и вкладышем и создает гидродинамическую подъемную силу, вследствие которой цапфа всплывает по мере увеличения скорости (рис. 12.4). В период пуска, когда скорость скольжения мала, большая часть поверхности трения не разделена смазкой и трение будет полусухое.
При увеличении скорости цапфа всплывает и толщина смазывающего слоя увеличивается, но отдельные выступы трущихся поверхностей остаются не разделенными смазкой. Трение в этом случае будет полужидкостное.
При дальнейшем возрастании угловой скорости и соблюдении определенных условий (см. ниже,) появляется сплошной устойчивый слой смазки, полностью разделяющий шероховатости поверхностей трения. Возникает жидкостное трение, при котором износ и заедание отсутствуют.
При жидкостном трении рабочие поверхности вала и вкладыша разделены слоем масла, толщина h которого больше суммы высот Rz шероховатостей поверхностей (на рис. 12.2 разделяющий слой масла изображен толстой линией):
h > Rz1 + Rz2. (12.1)
При этом условии масло воспринимает внешнюю нагрузку, предотвращая непосредственное соприкасание рабочих поверхностей, т .е. их износ. Сопротивление движению в этом случае определяется только внутренним трением в смазочной жидкости. Значение коэффициента жидкостного трения находится в пределах 0,001. ..0,005 (что может быть меньше коэффициента трения качения).
Рис. 12.2
При полужидкостном трении условие (12.1) не соблюдается, в подшипнике будет смешанное трение — одновременно жидкостное и граничное. Граничным называют трение, при котором трущиеся поверхности покрыты тончайшей пленкой смазки, образовавшейся в результате действия молекулярных сил и химических реакций активных молекул смазки и материала вкладыша. Способность смазки к образованию граничных пленок (адсорбции) называют маслянистостью (липкостью, смачиваемостью). Граничные пленки устойчивы и выдерживают большие давления. Однако в местах сосредоточенного давления они разрушаются, происходит соприкасание чистых поверхностей металлов, их схватывание и отрыв частиц материала при относительном движении. Полужидкостнов трение сопровождается износом трущихся поверхностей даже без попадания внешних абразивных частиц. Значение коэффициента полужидкостного трения зависит не только от качества масла, но также и от материала трущихся поверхностей. Для распространенных антифрикционных материалов коэффициент полужидкостного трения равен 0,01...0,1.
Д ля работы подшипника самым благоприятным режимом является режим жидкостного трения. Образование режима жидкостного трения является основным критерием расчета большинства подшипников
скольжения. При этом одновременно обеспечивается работоспособность по критериям износа и заедания.
Рис. 12.3. Образование жидкостного трения.
Исследование режима жидкостного трения в подшипниках основано на гидродинамической теории смазки. Эта теория базируется на решениях дифференциальных уравнений гидродинамики вязкой жидкости, которые связывают давление, скорость и сопротивление вязкому сдвигу. Теоретические решения довольно сложны и излагаются в специальной литературе. В данном пособии даны принципиальные понятия о режиме жидкостного трения и методика практического расчета подшипников без вывода основных расчетных зависимостей.
На рис. 12.3 показаны две пластины А и Б, залитые маслом и нагруженные силой F. Пластина А движется относительно пластины Б со скоростью v. Если скорость v мала (рис. 12.2, а), то пластина А выжимает смазку с пластины Б. Поверхности пластин непосредственно соприкасаются. При этом образуется полужидкостное трение.
При достаточно большой скорости v (рис. 12.3, б) пластина А поднимается в масляном слое и принимает наклонное положение, подобно тому, как поднимается глиссер или водные лыжи, скользящие по воде.
Между пластинами образуется сужающийся зазор. Вязкое и липкое масло непрерывно нагнетается в этот зазор. Протекание масла через сужающийся зазор сопровождается образованием давления р (рис. 12.3, б), которое уравновешивает внешнюю нагрузку. В этом случае движение продолжается в условиях жидкостного трения. Переход к режиму жидкостного трения происходит при некоторой скорости, называемой критической vкр.
Г идродинамическая теория смазки доказывает, что гидродинамическое давление может развиваться только в сужающемся зазоре, - который принято называть клиновым. В нашем примере начальный клиновый зазор образуется с помощью скошенной кромки пластины А. Если конструкция подшипника не имеет клинового зазора, то в подшипнике не может образоваться жидкостное трение. Например, простой плоский подпятник (см. рис. 12.1, б) не имеет клинового зазора и не может работать при жидкостном трении. Для образования клинового зазора, а следовательно, и условий жидкостного трения опорной поверхности подпятника придают специальную форму (см. рис. 12.20).
В радиальных подшипниках клиновая форма зазора свойственна самой конструкции подшипника. Она образуется за счет смещения центров цапфы вала и вкладыша (рис. 12.4, а).
Рисунок 12.4. Положение вала в радиальном подшипнике
При угловой скорости ω > ωкр цапфа всплывает в масле и несколько смещается в сторону вращения по траектории, указанной на рис. 12.4, б. На рис. 12.4, а, б:
1 — клиновой зазор; 2 — путь центра цапфы при увеличении скорости вращения; 3 — эпюра давления в масленом слое; 4 — линия центров. С увеличением угловой скорости увеличивается толщина разделяющего масляного слоя hmin, а центр цапфы сближается с центром вкладыша. При ω расстояние между центрами
. Полного совпадения центров быть не может, так как при этом нарушается клиновая форма зазора, как одно из условий режима жидкостного трения.
Исследования показывают, что для подшипников с определенными геометрическими параметрами толщина масляного слоя является некоторой функцией характеристики рабочего режима подшипника
, (12.2)
где — характеристика рабочего режима подшипника; —динамическая вязкость масла (характеризует сопротивление относительному сдвигу слоев масла); — угловая скорость цапфы; p=Fr/(ld) — условное давление в подшипнике.
Характер функциональной зависимости (12.2) рассмотрен ниже. Здесь отметим только, что толщина масляного слоя возрастает с увеличением вязкости масла и угловой скорости цапфы. С увеличением нагрузки толщина масляного слоя уменьшается.
Таким образом, для образования режима жидкостного трения необходимо соблюдать следующие основные условия: 1) между скользящими поверхностями должен быть зазор клиновой формы; 2) масло соответствующей вязкости должно непрерывно заполнять зазор; 3) скорость относительного движения поверхностей должна быть достаточной для того, чтобы в масляном слое создалось давление, способное уравновесить внешнюю нагрузку.
Известно, что все жидкости и газы обладают вязкостью. Это значит, что при определенных условиях в качестве смазывающей жидкости можно применять воду и даже воздух, что и используют на практике.
Режим жидкостного трения нарушается, если значения и р выходят за допускаемые пределы (например, в периоды пусков и остановов). При переменных режимах нагрузки меняется , а следовательно, и положение оси вала. Это может служить причиной вибраций. Достоинства подшипников скольжения по сравнению с подшипниками качения снижаются при переменных режимах нагрузки, частых пусках и остановах.