Эластогидродинамическая смазка

Условия работы сопряжений машин характеризуются широкими интервалами изменения скорости и давления, большими перепадами температуры, значительным изменением вязкости смазочных матери­алов. Рабочие поверхности деталей машин нельзя считать абсолютно твердыми и гладкими. Все это вызвало необходимость разработки эластогидродинамической теории смазки.

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

Физический механизм взаимодействия поверхностей в условиях эластогидродинамической смазки можно представить следующим образом.

При относительном перемещении рабочих поверхностей деталей в процессе трения качения или трения скольжения смазочный материал, адсорбированный поверхностями трения, оказывается как бы зажатым в зазоре между 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 скорость течения масла на этом участке почти постоянна.

На выходе из зазора, в том месте, где прекращается упругая деформация поверхностей, величина зазора резко уменьшается (рис. 6.4), снижается и толщина смазочной пленки.

Свойство неразрывности по­тока обусловливает стремительное увеличение скорости прохождения объема смазочного материала через эту область. При этом резко возрастает гидродинамическое давление в слое смазочного материала.

Рис. 6.4. Схема распределения давле­ния в зоне контакта цилиндрических поверхностей деталей в условиях элас­тогидродинамической смазки

Большие перепады давления в сочетании со скольжением поверхностей приводят к тому, что смазочный материал работает в зоне контакта при больших скоростях сдвига. Внутреннее трение слоев мас­ла в этих условиях вызывает повышение температуры в зоне контакта на десятки, и даже сотни градусов. Поле температур в слое смазочного материала неравномерное. Вязкость масла вследствие сложного распределения температуры и давления также меняется неравномерно как поперек пленки, так и в ее плоскости. Все эти факторы в совокупности приводят к сложному поведению смазочного материала в зоне контакта, вызывая явления, аналогичные взрывным.

В условиях эластогидродинамической смазки работают опо­ры скольжения и качения, а также элементы зубчатых передач. Процессы, происходящие в зоне контакта деталей, работающих в режиме эластогидродинамической смазки, необходимо учитывать при расчете сопряжений, обосновании режимов их работы, при подборе смазочных материалов и оценке долговечности основных элементов сопряжений.

При расчете и конструировании сопряжений часто в качестве критерия работоспособности используют толщину пленки смазочного материала. Чем больше толщина пленки смазочного материала в зазоре между деталями, тем меньше энергетические потери на трение, меньше износ и выше усталостная долговечность элементов сопряжения.

Обычно в зоне контакта при эластогидродинамической смазке толщи­на пленки смазочного материала составляет от 0,1 до 10 мкм. На толщи­ну пленки масла влияют геометрия контакта, шероховатость и характер относительного перемещения поверхностей, вязкостно-температурные свойства смазочного материала.

Для условий контактирования цилиндрических поверхностей среднюю толщину h пленки определяют по формуле

(6.2)

где R — приведенный радиус, R = R₁R₂ /(R₁ ± R₂); R₁, R₂ — радиусы цилиндрических поверхностей контактирующих дета­лей, R₁ > R₂; μ и а — динамическая вязкость и пьезокоэффициент базового масла, входящего в состав пластичного смазочного материала, при температуре на входе в зону контакта; р₀ — максимальное давление в контакте по Герцу; Е' — приведенный модуль упругости, Е' = Е/(1 – γ²); у — коэффициент Пуассона; υ — средняя скорость перемещения поверхностей деталей, υ = (υ₁ + υ₂)/2; υ₁ и υ₂ — скорости перемещения соответственно первой и второй поверхностей.

Выражение (6.2) используют для расчета как внешнего, так и внутреннего касания. В случае внешнего касания при расчете приведенного радиуса берут знак плюс, а для внутреннего касания — знак минус.

Для определения толщины пленки смазочного материала в эллиптическом контакте применяют формулу

(6.3)

где R_x — приведенный радиус кривизны, R_x = X_lxR_2x/(R_lx ± R_2x); R_1x, R_2x — радиусы кривизны соответственно первой и второй поверхностей в сечении, проходящем через направление качения или скольжения (см. рис. 6.4, ось х) и общую нормаль к поверхностям (см. рис. 6.4, ось z), R_1x>R_2x; X — показатель, характеризующий кривизну поверхностей в сечении yz, Х=R_x,/R_у; R_у — приведенный радиус кривизны поверхностей в сечении yz; Ry = R_1yR_2y/(R_1y±R_2y); R_ly, R_2y — радиусы кривизны поверхностей в сечении yz, R_1y> R_2y; 0< Х <1.

Для того чтобы учесть ухудшение условий теплоотвода при высоких скоростях качения, величины, полученные по формулам (6.2), (6.3), необходимо умножить на коэффициент

где ψ_T — показатель теплофизических свойств смазочного материала, ψ_T=μδυ³/k;

δ — температурный коэффициент вязкости масла; k — теплопроводность смазочного материала.

При недостаточном количестве смазочного материала в зоне контакта толщину пленки для цилиндрических поверхностей можно оценить по формуле

(6.4)

где ε — расстояние от границы мениска масла на входе в зазор до зоны упру­гой деформации поверхностей;

формула (6.4) справедлива при условии

При высоких значениях нагрузки и температуры, а также при малых скоростях перемещения поверхностей существенное влияние на процесс зластогидродинамической смазки оказывает шероховатость рабочих поверхностей.

Для оценки влияния шероховатости на работоспособность пленки смазочного материала и вид смазки используют отношение толщины пленки к среднему арифметическому значению высот выступов микронеровностей. Для режима эластогидродинамической смазки оно равно 3—5. При уменьшении этой величины до 2—3 образуются точки непосредственного контакта поверхностей. В этом случае внешняя на­грузка, приложенная к сопряжению, частично воспринимается пленкой смазочного материала и уравновешивается внутренним гидродинамическим давлением масла, а частично передается на выступы микронеровнос­тей в точках контакта поверхностей. При таком характере взаимодействия поверхностей смазку называют полужидкостной. При дальнейшем снижении отношения толщины смазочной пленки к высоте выступов микроне­ровностей устанавливается граничная смазка.

Граничная смазка

Гидродинамическая и эластогидродинамическая виды смазки возможны только в тех случаях, когда рабочие поверхноти деталей сопряжения полностью разделены слоем смазочного материала. Однако такие условия обеспечиваются далеко не всегда.

В начале относительного перемещения поверхностей деталей из состояния покоя основное количество масла часто бывает вытеснено из рабочей зоны под действием сил нормального давления.

Изменение геометрических параметров деталей вследствие износа также ведет к ухудшению условий смазки. В результате на поверхностях трения остается только тонкая пленка смазочного материала. Эта пленка, имеющая толщину всего в несколько молекулярных слоев, весьма прочно связана с металлической подложкой силами молекулярного взаимодействия и по­этому теряет свойства, присущие жидкости в большом объеме. Смазка, соответствующая таким условиям взаимодействия поверхностей, называется граничной.

Граничная смазка имеет следующие особенности:

–толщина слоя смазочного материала настолько мала, что между
выступами неровностей противолежащих поверхностей существует механическое взаимодействие;

–из-за отсутствия объемных свойств жидкости в тонких смазочных слоях гидродинамические явления в зоне контакта несущественны;

–характер контактирования рабочих поверхностей при трении определяется поверхностными взаимодействиями между тонкими слоями граничных пленок смазочного материала и материалами деталей.

Таким образом, при граничной смазке трение обусловлено свойствами тонкого слоя жидкого смазочного материала, которые отличаются от свойств того же смазочного материала в объеме, и взаимодействием материалов поверхностей трения, смазочного материала и окружающей среды.

Механизм граничной смазки по сравнению с механизмами смазки других видов сложен вследствие происходящих различных по своей физической природе процессов адсорбционного, физико-химического и механического взаимодействия.

Адсорбционные и физико-химические процессы происходят на границе взаимодействия пленки масла с материалом детали. Механическое взаимодействие поверхностей трения обусловлено малой толщиной смазочного слоя.

Основное назначение граничной смазки состоит в создании между поверхностями трения пленки, способной уменьшить число прямых взаимодействий выступов неровностей контактирующих поверхностей деталей.

Условия граничной смазки могут быть обеспечены не только с помощью жидкого или пластичного смазочного материала, но также и при использовании твердых смазочных материалов.

Коэффициент трения в условиях граничной смазки f_гс представляет собой сумму трех слагаемых

где f_тв, f_ж, f_пр — составляющие коэффициента трения, обусловленные соответственно механическим взаимодействием твердых поверхностей, внутренним трением слоев смазочного материала и сопротивлением трения, вследствие пропахивания поверхности выступами неровностей при повреждении смазочной пленки.

Это выражение можно представить следующим образом:

где а — доля номинальной площади, на которой происходит механическое вза­имодействие рабочих поверхностей деталей; σ_тв — прочность на срез твердого материала детали; σ_ж — сопротивление относительному перемещению слоев смазочного материала; р — среднее номинальное давление в зоне контакта.

В выражении (6.5) второе слагаемое значительно меньше первого. Необходимым условием существования граничной смазки является наличие в зоне трения смазочного материала, прочность которого достаточно велика, чтобы выдержать внешнюю нагрузку и защитить рабочие поверхности деталей от механического разрушения. Составляющая f_пр настолько мала, что ею можно пренебречь без существенной погрешности.

Несмотря на малую толщину граничной пленки смазочного материала (до 0,5 мкм), коэффициент трения твердых поверхностей в режиме граничной смазки значительно меньше, чем в условиях трения без смазочного материала.

Если одна из деталей, работающих в условиях граничного трения, выполнена из эластомерного материала, то в полостях между выступами неровностей поверхности, заполненных смазочным материалом, возникает эластогидродинамический эффект. Сила трения при граничной смазке эластомеров складывается из сил сопротивления перемещению выступов неровностей твердой поверхности по поверхности эластоме­ра, сил сопротивления относительному перемещению слоев смазочного материала, а также гистерезисной составляющей силы трения, обусловленной упругим деформированием поверхности эластомера.

Коэффициент трения в режиме граничной смазки для эластомера по аналогии с выражением (6.5)

где β — доля номинальной площади, на которой происходит непосредственный контакт поверхности эластомера с выступами неровностей твердой поверхности; f_г — составляющая коэффициента трения, учитывающая гистерезисные явления в контакте.

Особенностью эластомеров является то, что коэффициент трения в условиях граничной смазки у них примерно равен коэффициенту трения без смазочного материала. Многочисленные экспериментальные исследования показали, что введение смазочного материала в зону трения эластомера по твердой поверхности не обязательно приводит к снижению коэффициента трения скольжения, а в отдельных случаях может вызвать даже некоторое его увеличение. В этом заключается одно из наиболее характерных отличий процессов трения эластомеров от аналогичных процессов для твердых поверхностей.