СМАЗКА ОБОРУДОВАНИЯ.

Классификация видов смазки

Одним из наиболее эффективных путей обеспечения надежно­сти и долговечности подвижных сопряжений деталей машин и оборудования и минимизации энергетических потерь при их эксп­луатации является использование в качестве компонентов этих сопряжений смазочных материалов.

Смазочные материалы(СМ) — продукты органического и неор­ганического происхождения, которые вводят между поверхностями с целью снижения потерь на трение в этом сопряжении, предотвра­щения заедания и снижения износа пар трения (рис. 22). Внутрен­нее трение в смазочных материалах 3 существенно меньше, чем внешнее трение несмазанных деталей 1 и 2, и исключение или мини­мизация непосредственного контакта пар трения приводит к улуч­шению фрикционно-износных характеристик сопряжения.

Смазочный материал является важнейшим конструкционным элементом узла трения, во многом определяющим его надежность и долговечность, а также потери энергии при его функционировании.

Рис.23. Схема течения жидкости между двумя параллельными пластинами А и В

Действие смазочного материала, в результате которого умень­шается трение контактирующих тел и/или снижается их износ, на­зывается смазкой. Смазка, при которой осуществляется полное разделение трущихся поверхностей сопряженных деталей жидким смазочным материалом, называется жидкостной, а если это раз­деление осуществляется газом, то газовой смазкой. В этих случаях полностью исключен непосредственный контакт трущихся тел, который возможен только при пусках и остановках, когда жидко­стный (газовый) слой или еще не образовался, или уже разрушил­ся. Внешнее трение твердых тел при этом отсутствует — его заме­няет много меньшее внутреннее трение смазочной среды, разделя­ющей эти тела.

Сопротивление относительному перемещению твердых тел, полностью разделенных слоем жидкости или газа, определяется внутренним трением этой среды, ее вязкостью. Под вязкостью по­нимают объемное свойство газообразного, жидкого, полужидко­го или полутвердого вещества оказывать противодействие отно­сительному перемещению составляющих его частиц. Простая мо­дель трения при жидкостной смазке приведена на рис. . Две па­раллельные пластины А и В бесконечной длины разделены слоем жидкости толщиной h. Пластина А перемещается со скоростью и_А, а пластина В неподвижна (и_В = 0).

Рис.24. Эпюры скорости и давления в клиновидном зазоре: h_min, h₀ и h_max — тол­щина слоя, соответственно, на входе в зазор, в сечении максимального давле­ния и на выходе из зазора

Так как молекулы жидкости в слоях, прилегающих к пласти­нам, прилипают к ним, то на границе с пластиной А внешний слой жидкости увлекается ею и имеет скорость v_A = u_A, а на границе с пластиной В жидкость имеет скорость v_B = 0. При не слишком большой скорости относительного перемещения пластины А мож­но допустить линейный профиль скоростей по толщине зазора. Согласно закону вязкого течения, сформулированному И. Ньюто­ном, сила внутреннего трения F_Т для ламинарного режима прямо пропорциональна производной и площади сдвига А:

, (52)

где η – динамическая вязкость жидкости, Па.

Этот же закон можно представить в виде:

, (53)

где τ – касательное напряжение (напряжение сдвига) на площадке внутри движущейся среды.

Те среды, которые подчиняются закону пропорциональ­ности касательных напряжений поперечной производной скорос­ти по нормали к этой площадке, называются истинно вязкими, или ньютоновскими. Течение многих смазывающих жидкостей, являющихся ньютоновскими (нефтяных и растительных масел) при температурах, не очень близких к температурам застывания, и газов достаточно хорошо описывается зависимостью. Тео­рия жидкостной смазки создана прежде всего для ньютоновских жидкостей.

К жидкостям, поведение которых не отвечает закону Ньютона (так называемым неньютоновским, или аномальным), относят не­фтяные масла при низких температурах, некоторые коллоидные ра­створы и суспензии. Реологическое поведение пластичных смазок, обусловленное тем, что при напряжениях сдвига, меньших некото­рого предельного, они проявляют свойства твердого тела, оценива­ют по предельному напряжению сдвига и эффективной вязкости, зависящей в свою очередь от градиента скорости сдвига.

Исследуя трение в паре вал—подшипник вагонной буксы, Н.П. Петров в 1883 г. установил, что зазор между ними заполнен вязким маслом, а сопротивление вращению вала определяется ис­ключительно внутренним трением в смазочной жидкости, запол­няющей зазор. Он рассмотрел случай, когда вал и подшипник строго соосны — случай не общий, но имеющий большое теоре­тическое и прикладное значение и отражающий процесс трения при малых нагрузках и больших частотах вращения вала.

Для условий, когда скольжение между смазочным материалом и поверхностями вала и подшипника отсутствует (в то время это не было очевидно), Н.П. Петров рассмотрел и случай, когда это скольжение имеет место — толщина прослойки мала по сравне­нию с радиусом вала, так что отдельные участки зазора можно рассматривать как плоскопараллельные. Пренебрегая их кривиз­ной, силу трения можно рассчитать по формуле, аналогичной для вязкого течения Ньютона:

, (54)

где n — частота вращения вала; r_B — радиус вала; u — скорость относительного перемещения; h — толщина слоя, которая для соосных цилиндров равна радиальному зазору с =r_П – r_В; r_П— ради­ус подшипника; А — площадь сдвига.

Соответственно, коэффициент трения f_Tможет быть рассчитан из уравнения:

(55)

где р_а — удельная нагрузка.

Таким образом, Н.П. Петров впервые рассчитал коэффициент трения исходя из вязкости смазочного материала, режима работы узла трения (скорость, давление) и из особенностей конструкции (зазора h). При этом следует иметь в виду, что коэффициент тре­ния при жидкостной смазке, рассчитанный Н.П. Петровым, имеет лишь формальное сходство с коэффициентом внешнего трения твердых тел.

Условие реализации жидкостной смазки — существование слоя смазочного материала, толщина которого при приложенных нагрузках превышает суммарную высоту микронеровностей со­пряженных поверхностей. Этот слой может быть образован в ре­зультате поступления жидкости в зазор между поверхностями тре­ния под достаточно большим внешним давлением. В этом случае имеет место гидростатическая смазка (например, в опорах и на­правляющих металлорежущих станков, особенно тяжелых).

Но в подавляющем большинстве узлов трения жидкостная смазка, т.е. полное разделение поверхностей трения, осуществля­ется под действием давления, самовозбуждающегося в слое жид­кости при относительном движении поверхностей. Для создания гидродинамического давления в слое жидкости, разделяющем контактирующие тела, необходимо, чтобы зазор между этими те­лами имел форму клина. Если при вязком течении жидкости меж­ду относительно перемещающимися параллельными пластинами (как на рис. ) гидродинамическое давление не развивается, то несущая способность жидкости равна нулю. Для случая, когда одна из перемещающихся пластин, например пластина А на рис. 24, наклонена по отношению к пластине В под углом а, формиру­ется масляный клин. Вследствие этого профиль скоростей смазоч­ной жидкости изменяется по длине зазора (возрастает по мере его сужения) и, следуя ему, развивается гидродинамическое давление р, разделяющее пластины и обеспечивающее несущую способность сопряжению. В этом случае имеет место гидродинамический режим смазки.

Если режим работы узла трения и его геометрия не обеспечи­вают образование жидкостной смазки, то поверхности от непос­редственного контакта и последующего катастрофического изно­са, задира и заедания предохраняют только граничные смазочные слои и узел трения работает в режиме граничной смазки. При этом виде смазки антифрикционные и противоизносные свойства тру­щихся сопряжений определяются не объемными свойствами сма­зочных материалов, а свойствами граничных слоев, образованных в результате взаимодействия активных компонентов смазочного материала с поверхностными слоями пар трения. Коэффициенты трения при граничной смазке существенно выше, чем при гидро­динамической. При граничной смазке имеет место изнашивание трущихся тел. Поэтому в реальных узлах трения стремятся реали­зовать режим гидродинамической смазки, когда малы потери на трение и отсутствует износ.

Широко распространен в узлах трения режим смешанной (по­лужидкостной) смазки. При этом режиме одни участки поверхно­сти контактирующих тел разделены гидродинамическим слоем, а другие — граничным. При этом виде смазки, как важнейшая объемная характеристика смазочного материала, используется как его вязкость, так и способность смазочного материала созда­вать на поверхностях трения прочные граничные слои (табл.7). Естественно, чем выше доля гидродинамической смазки, тем меньше коэффициент трения при смазке смешанной.

Области реализации гидродинамической, смешанной и гра­ничной смазок в смазываемых узлах трения скольжения определя­ют по диаграмме Герси—Штрибека (рис.25), представляющей собой зависимость коэффициента трения fт в смазываемом узле трения от безразмерного критерия, называемого числом Герси (иногда его называют числом Зоммерфельда):

(56)

где и — скорость относительного перемещения трущихся тел; Рпог — погонная нагрузка на узел трения (нагрузка, отнесенная к длине сопряжения).

Число Герси часто выражают также в виде:

(57)

где ω — угловая скорость; р_а — удельная нагрузка на узел трения.

Таблица 7. Основные признаки, характеризующие виды смазки.

Зона существования граничного режима смазки I (наиболее тя­желого): он реализуется при высоких удельных нагрузках на узел трения (высокие значения Рпог), низких скоростях относительного перемещения пар трения (малые значения и), повышенных темпе­ратурах (вызывающих снижение вязкости η) и характеризуется не только повышенным коэффициентом трения, но и постоянным изнашиванием контактирующих тел. В режиме граничной смазки в те или иные моменты эксплуатации работают практически все тяжело нагруженные узлы трения (при пуске и остановке любых трибосистем, в «мертвых точках» цилиндропоршневой группы двигателя внутреннего сгорания и т.д.). В узлах трения, работаю­щих при высоких нагрузках и температурах и сравнительно низ­ких скоростях скольжения, граничный режим смазки полностью или частично имеет место в течение всего периода работы сопря­жения.

Рис.25 Диаграмма Герси—Штрибека: зависимость коэффициента трения f_т от безразмерного параметрази/Р_ПОГ, числа Герси: I—III — зоны смазки; I — гра­ничной; II — смешанной; III — гидродинамической

Вероятность реализации гидродинамического или граничного режима можно приближенно оценивать по критерию λ, представ­ляющему собой отношение минимальной толщины смазочно­го слоя в зоне зазора между трущимися деталями (см. рис.25) к характеристике высоты неровностей рабочих поверхностей этих деталей:

(58)

где Ra₁ и Ra₂ — параметры шероховатости рабочих поверхностей контактирующих деталей.

Чем больше величина λ, тем выше вероятность жидкостной смазки и меньше вероятность непосредственного контакта вер­шин неровностей поверхностей трения. При λ > 3 имеет место гидродинамический (и вообще жидкостной) режим смазки, при λ < 1 — граничный, при 1 < λ < 3 — смешанной смазки (см. табл.7).

В ряде случаев, в частности для нестационарно нагруженных подшипников, удобнее использовать критерий λ другого вида:

(59)

где Rz₁ и Rz₂ — соответственно, параметры Rz шероховатости пер­вой и второй контактирующих поверхностей.

Естественно, что значения критерия для перехода от одного режима к другому будут иными.