Гидродинамическая смазка
ГЛАВА 6. ВЛИЯНИЕ СМАЗОЧНЫХ МАТЕРИАЛОВ НА ДОЛГОВЕЧНОСТЬ ЭЛЕМЕНТОВ МАШИН
Назначение и классификация смазочных материалов
Основное назначение смазочного материала заключается в снижении интенсивности изнашивания элементов машин. Слой смазочного материала устраняет непосредственный контакт рабочих поверхностей деталей, поэтому уменьшается механическое и адгезионное взаимодействие поверхностей.
Кроме этой основной функции смазочные материалы служат для уменьшения сил трения, более равномерного распределения давления и температуры, отвода теплоты из зоны трения, для защиты рабочих поверхностей деталей от коррозии, для формирования на рабочих поверхностях деталей пленок окислов, обладающих повышенной износостойкостью. От правильного выбора смазочного материала во многом зависит долговечность машины. Поэтому при решении задачи обеспечения надежности машин на стадиях проектирования и эксплуатации смазочные материалы необходимо рассматривать как самостоятельные конструктивные элементы.
В зависимости от физического состояния различают газообразные, жидкие, пластичные и твердые смазочные материалы. Жидкие смазочные материалы (масла) при плюсовых температурах находятся в жидком состоянии.
Масла классифицируют по назначению и области применения:
–моторные, применяемые в двигателях внутреннего сгорания автомобилей и дорожных машин;
–автотракторные трансмиссионные, применяемые для смазывания элементов трансмиссий;
–индустриальные общего назначения, применяемые для смазки
элементов станков, промышленного оборудования, а также в качестве
рабочих жидкостей систем объемного гидропривода.
Пластичный смазочный материал представляет собой полутвердый или твердый продукт, состоящий из смеси минерального или синтетического масла, стабилизированного мылами или другими загустителями с возможным содержанием других компонентов.
Загуститель образует структурный каркас и придает смазочному материалу свойства твердого тела с невысоким пределом прочности, не превышающим 5000 Па. При повышении температуры до 200—3000С пластичные смазочные материалы переходят в жидкое состояние.
По назначению пластичные смазочные материалы делят на антифрикционные, снижающие трение и износ; консервационные (защитные), предохраняющие металлические поверхности от коррозии; уплотнительные, служащие для герметизации зазоров в сопряжениях.
По происхождению жидкие и пластичные смазочные материалы подразделяют на минеральные, нефтяные, растительные, животные и синтетические.
Минеральными называют смазочные материалы минерального происхождения, полученные смешением углеводородов в естественном состоянии или в результате обработки минеральных продуктов. Основными видами сырья для получения минеральных смазочных материалов являются каменный уголь, торф и сланцы.
Нефтяные смазочные материалы представляют собой очищенное масло, полученное на основе нефтяного сырья.
Растительные и животные масла получают при переработке продуктов соответственно растительного и животного происхождения.
Синтетические смазочные материалы являются продуктами синтеза органических или элементоорганических соединений.
Виды смазки
В зависимости от типа смазочного материала, его эксплуатационных свойств и режима работы сопряжения находятся условия взаимодействия рабочих поверхностей при трении. Поэтому при анализе условий работы сопряжения различают смазки:
–по физическим состояниям смазочного материала (газовая, жидкостная, твердая смазка);
–по типу разделения поверхностей трения смазочным слоем (гидродинамическая, гидростатическая, газодинамическая, газостатическая, эластогид-родинамическая, граничная, полужидкостная смазка).
Газовойназывают смазку, при которой разделение поверхностей трения деталей осуществляется газовым смазочным материалом. Смазка этого вида для сопряжений машин не характерна.
Жидкостная смазка — смазка, при которой полное разделение поверхностей трения деталей осуществляется жидким смазочным материалом. Жидкостную смазку используют для некоторых типов опор скольжения, подшипников и редукторов машин.
Твердой называют смазку, при которой полное разделение поверхностей трения деталей, находящихся в относительном движении, осуществляется твердым смазочным материалом. Смазка этого вида в настоящее время еще не нашла широкого применения для сопряжений машин, но является весьма перспективной.
Гидродинамическая (газодинамическая) смазка — это жидкостная (газовая) смазка, при которой полное разделение поверхностей трения осуществляется в результате давления, самовозникающего в слое жидкости (газа) при относительном движении поверхностей.
Гидростатической (газостатической) называют жидкостную (газовую) смазку, при которой полное разделение поверхностей трения деталей, находящихся в относительном движении или покое, осуществляется в результате поступления жидкости (газа) в зазор между поверхностями трения под внешним давлением. Для этой смазки необходимы относительно сложные, дорогостоящие системы подачи смазочного материала, и для машин ее применяют редко.
Эластогидродинамическая смазка — это смазка, при которой характеристики трения и толщина пленки жидкого смазочного материала между двумя поверхностями, находящимися в относительном движении, обусловлены упругими свойствами материалов тел, а также реологическими свойствами смазочного материала. Реологические свойства определяют характер течения и деформации смазочного материала, обладающего структурной вязкостью, и, таким образом, характеризуют процесс формирования смазочной пленки в зазоре.
Граничнойназывают смазку, при которой трение и износ между поверхностями, находящимися в относительном движении, обусловлены свойствами поверхностей и свойствами смазочного материала, отличными от объемных.
Полужидкостной называют смазку, при которой частично осуществляется жидкостная смазка. Таким образом, полужидкостная смазка занимает промежуточное положение между жидкостной играничной смазкой.
В реальных сопряжениях при изменении режима работы (температуры, скорости или давления) происходит плавный переход от смазки одного к смазке другого вида.
Основным свойством смазочного материала, обеспечивающим снижение сил трения, является вязкость.
Вязкостью называется объемное свойство газообразного, жидкого, полужидкого или полутвердого вещества оказывать сопротивление относительному перемещению слоев.
Это свойство проявляется в стремлении жидкости препятствовать изменению формы и характеризует внутреннее трение смазочного материала. Сила трения в условиях жидкостной смазки
где μ — динамическая вязкость смазочного материала; S — номинальная площадь трущихся поверхностей; υ — скорость относительного перемещения поверхностей; h — толщина слоя смазочного материала.
Характер трения поверхностей деталей сопряжений и вид смазки определяются не только количеством смазочного материала и его вязкостью, но также и режимом работы узла трения.
В зависимости от скорости относительного перемещения рабочих поверхностей, нагрузки и соотношения этих величин в сопряжении может наблюдаться граничная полужидкостная или жидкостная смазка.
Количественно режим работы сопряжения характеризует соотношение μυ/N (здесь μ — динамическая вязкость смазочного материала; N— нормальная нагрузка или давление).
Графической характеристикой трения рабочих поверхностей деталей в присутствии смазочного материала является так называемая диаграмма Герси-Штрибека, представляющая собой зависимость коэффициента трения f от параметра μυN-1(рис. 6.1). Максимальный коэффициент трения fn соответствует нулевому значению параметра μυ/N при трении покоя.
Рис. 6.1. Зависимость коэффициента трения от режима работы сопряжения и свойств смазочного материала
При сравнительно легких нагрузочном и скоростном режимах работы сопряжения на поверхностях трения деталей вследствие молекулярной адсорбции образуются и прочно удерживаются тончайшие слои смазочного материала. Толщина слоя смазочного материала в зоне трения настолько мала, что объемные реологические свойства масла как жидкости практически не проявляются. Таким образом, создаются условия, характерные для граничной смазки (рис. 6.1, зона I).
Коэффициент трения в условиях граничной смазки для металлических поверхностей приблизительно равен 0,1. Относительно высокий коэффициент трения объясняется наличием механического взаимодействия поверхностей. В таком режиме трения обычно работают опоры скольжения и некоторые элементы зубчатых передач.
При увеличении слоя смазочного материала, разделяющего поверхности трения, уменьшается механическое взаимодействие выступов неровностей. При этом снижается также молекулярная составляющая силы трения. В результате наблюдается значительное уменьшение коэффициента трения, и создаются условия взаимодействия поверхностей, характерные для полужидкостной смазки.
На диаграмме Герси—Штрибека эта область соответствует минимуму кривой (рис. 6.1, зона II). Полужидкостная смазка характерна для большинства зубчатых передач и подшипников качения.
В зоне III твердые поверхности полностью разделены слоем смазочного материала, толщина которого значительно превышает высоту неровностей профиля. В этих условиях характер взаимодействия элементов сопряжения определяется объемными свойствами масла. Сопротивление относительному перемещению деталей сопряжения обусловлено внутренним трением смазочного материала.
Коэффициент трения равен 0,01—0,05. Такие условия взаимодействия поверхностей характерны для жидкостной смазки и чаще всего встречаются в подшипниках скольжения, сопряжениях вал—втулка.
Жидкостная смазка обеспечивает устойчивый режим работы сопряжения. Увеличение коэффициента трения приводит к повышению температуры масла. Это вызывает снижение вязкости и, следовательно, параметра μυN-1. Если условия работы при этом соответствуют зоне III (см. рис. 6.1), то уменьшение параметра μυN-1 вызовет уменьшение коэффициента трения. Таким образом, режим работы восстанавливается.
Увеличение коэффициента трения в зонах I или II также влечет за собой уменьшение параметра μυN-1, значение которого и без того невелико. Это, в свою очередь, вызывает дальнейшее увеличение f и ухудшение условий работы сопряжения.
Таким образом, граничная (зона I) и полужидкостная (зона II) смазки не обеспечивают устойчивого режима трения.
Для достижения максимальной долговечности сопряжения необходимо стремиться к формированию условий жидкостной смазки и ее разновидностей (гидродинамической и эластогидродинамической смазки), что позволит значительно сократить энергетические затраты на преодоление сил трения и обеспечит наиболее стабильные условия взаимодействия деталей. Для сопряжений машин наиболее характерны гидродинамическая, эластогидродинамическая, граничная и полужидкостная смазки.
Гидродинамическая смазка
Гидродинамическая смазка обеспечивает полное разделение поверхностей трения вследствие давления, возникающего в слое смазочного материала при относительном перемещении деталей.
Условия, необходимые для обеспечения гидродинамической смазки, были сформулированы русским ученым Н. П. Петровым в 1883 г. В краткой форме их можно свести к четырем пунктам:
–первое – смазочный материал должен удерживаться в зазоре между скользящими поверхностями деталей;
–второе – в слое смазочного материала при относительном скольжении должно возникать и поддерживаться внутреннее давление, уравновешивающее внешнюю удельную нагрузку, прижимающую скользящие поверхности одну к другой;
–третье – смазочный материал должен полностью разделять скользящие поверхности;
–четвертое – толщина слоя смазочного материала, находящегося между скользящими поверхностями деталей сопряжения, должна быть не менее высоты выступов микронеровностей рабочих поверхностей.
В качестве смазочного материала в этих условиях обычно используют жидкие масла. Пластичные смазочные материалы при выполнении перечисленных требований также обеспечивают условия гидродинамической смазки.
В процессе гидродинамической смазки между движущимися поверхностями деталей сопряжения образуется непрерывная пленка жидкости, значительно снижающая силы трения и минимизирующая изнашивание.
Энергетические потери в процессе жидкостного трения поверхностей деталей, работающих в условиях гидродинамической смазки, обусловлены силами внутреннего трения смазочного материала и зависят от режима работы сопряжения (нагрузки, скорости и температуры); характера взаимодействия поверхностей (схемы фрикционного контакта); свойств смазочного материала (вязкости, плотности); шероховатости рабочих поверхностей деталей и физико-механических свойств их материалов.
Важнейшим условием существования гидродинамической смазки является возникновение внутреннего давления в слое смазочного материала. Для создания гидродинамического давления необходимо придать слою масла сужающуюся клиновидную форму (рис. 6.2).
Из-за разницы значений входного и выходного зазора сопряжения в слое смазочного материала произойдет перераспределение давления. В результате эпюры скоростей скольжения слоев смазочного материала на входе, в центре сопряжения и на выходе будут различными (см. рис. 6.2).
Для зазора на входе эпюра скоростей υ' приобретает вогнутый профиль, для центра υ" будет иметь линейный характер, а на выходе υ'" — выпуклую форму. Площадь под каждой кривой распределения скорости по толщине слоя масла остается постоянной для любой точки вкладыша в соответствии с условием неразрывности потока.
Рис. 6.2. Схема распределения скоростей и давления в слое смазочного материала при гидродинамическом режиме смазки
В аналитической форме связь между гидродинамическим давлением, возникающим в слое смазочного материала, и скоростью относительного перемещения поверхностей описывается дифференциальным уравнением Рейнольдса
(6.1)
где х и у — координаты произвольно выбранной точки в жидкости; р — местное давление внутри слоя масла; η — абсолютная вязкость масла; h — толщина слоя смазочного материала; υ1, и υ2 — скорости перемещения верхней и нижней поверхностей соответственно; τ — продолжительность относительного перемещения поверхностей.
Уравнение Рейнольдса характеризует физическую сущность процесса гидродинамической смазки, и его широко используют при расчетах несущей способности смазочной пленки в подшипнике и сил трения, возникающих в сопряжениях.
Правая часть уравнения представляет собой сумму трех слагаемых, описывающих влияние основных факторов на характер распределения и величину гидродинамического давления в слое масла.
Первое слагаемое характеризует влияние клина смазочного материала, образующегося вследствие непараллельности противолежащих поверхностей деталей. Это особенно важно при расчете радиального подшипника, подшипника с самоустанавливающимися вкладышами, а также опор скольжения, в конструкции которых допускается относительный перекос осей вала и втулки.
Влияние клина на гидродинамическое давление в масле обусловлено формой жидкой пленки, описываемой отношением ∂h/∂x, и скоростью относительного перемещения поверхностей, равной разности (υ1 – υ2).
Второе слагаемое в правой части равенства (6.1) характеризует влияние растяжения поверхностей деталей сопряжения. Обычно при проведении инженерных расчетов сопряжений, состоящих из металлических деталей, рабочие поверхности считают гладкими и твердыми.
В таких случаях влияние растяжения поверхностей на гидродинамическое давление смазки незначительно, и им можно пренебречь.
Если одна или обе детали сопряжения выполнены из эластомерных материалов, то в процессе взаимодействия возникает относительное растяжение материала поверхности, влекущее за собой дополнительное приращение гидродинамического давления вследствие изменения скоростей υ1 и υ2
Третье слагаемое характеризует влияние сдавливания, обусловленное относительным сближением поверхностей по нормали под действием постепенного статического, динамического нагружения или вибрации.
Гидродинамический режим смазки в основном зависит от факторов, которые описываются первым и третьим слагаемыми. В результате решения уравнения Рейнольдса можно получить схему распределения гидродинамического давления и определить следующие важные показатели:
• несущую способность смазочной пленки подшипника
• расход смазочного материала в направлении у
• силу трения
[здесь υ – скорость относительного перемещения поверхностей, равная (υ1- υ2)].
При расчете силы трения, приложенной к поверхности, которая движется с меньшей скоростью, в последнем выражении принимают знак плюс. При расчете силы сопротивления перемещению поверхности, движущейся с большей скоростью, принимают знак минус.
При выводе выражения (6.1) приняты следующие допущения:
•жидкость, используемая в качестве смазочного материала, является ньютоновской, т. е. подчиняется законам классической механики;
•для ньютоновских жидкостей справедливо равенство dυ/dy = τ/h (здесь у — координата, перпендикулярная плоскости, в которой расположена плёнка; τ — приложенное напряжение сдвига;
•υ — скорость деформации плёнки;
•η — абсолютная вязкость);
•течение жидкости ламинарное;
•гравитационными и инерционными силами можно пренебречь;
•вязкость жидкости не меняется;
•жидкость несжимаема; толщина пленки мала по сравнению с другими размерами;
•скольжение смазочного материала относительно твердых поверхностей отсутствует;
•влиянием поверхностного натяжения можно пренебречь;
•давление жидкости постоянно по толщине пленки.
Допущения, сделанные при выводе математического описания процесса гидродинамической смазки, не позволяют учесть влияние температуры и давления на вязкость смазочного материала. Между тем вязкость масел значительно уменьшается с ростом температуры и увеличивается с ростом давления.
Условия постоянства вязкости, несжимаемости и принадлежности жидкости к классу ньютоновских при последующем уточнении первоначальной теории были исключены, однако это привело к существенному усложнению математического описания.
Как уже отмечалось, характер режима смазки зависит от схемы фрикционного контакта, определяемой конструкцией сопряжения. В радиальных подшипниках существует естественный смазочный клин (рис. 6.3).
При достаточно высоких скоростях в смазочном материале развивается внутреннее давление, уравновешивающее внешнюю нагрузку, благодаря чему поверхность вала поддерживается на некотором расстоянии от втулки подшипника.
Рис. 6.3. Схема формирования масляного клина в радиальном подшипнике
При расчетах подшипников (несущей способности смазочного слоя, режима смазки, показателей трения и изнашивания) для учета влияния режима работы сопряжения и вида смазочного материала на коэффициент трения обычно используют комплексный показатель, называемый числом Зоммерфельда (в ряде стран его называют числом Гюмбеля):
где р — давление, определяемое как отношение нормальной нагрузки к площади проекции подшипника, р = N/2rL, L — длина подшипника; ψ — параметр, характеризующий отношение радиального зазора к радиусу вала, ψ = εr;
μ— динамическая вязкость масла; ω — частота вращения, ω = υ/r.
При числе Зоммерфельда S0 < 1 коэффициент трения f ~ μυL/N, а при S0 > 1 коэффициент f ~ (μυL/N)l/2.
Параметр μυL/N является комплексной характеристикой режима трения и смазывания сопряжения и может быть использован в качестве абсциссы кривой Штрибека (см. рис. 6.1).