Физико-механические свойства поверхности

Внешнее трение – это поверхностное взаимодействие твердых тел, поэтому будем рассматривать характеристики только поверхностных слоев материалов. Эти свойства, независимо от природы материала, всегда отличаются от его объемных свойств. Такое различие вызывается неуравновешенностью поверхностных атомов или молекул, определяющих свободную поверхностную энергию тела.

Следует отметить, что в природе не существует физически чистых, состоящих только из атомов (молекул) данного материала или ювенильных поверхностей. Так при комнатной температуре и атмосферном давлении на ювенильной поверхности появляется пленка адсорбированного мономолекулярного слоя газа за одну наносекунду (10^{– 9} с).

Адсорбция – это концентрация жидкости или газа (адсорбата) на поверхности тела или жидкости (адсорбента) в результате взаимодействия их полей.

На реальных контактирующих в паре трения поверхностях всегда имеются адсорбированные слои молекул атмосферных газов, паров воды и просто грязи. Рассматривая процессы адсорбции в рамках технологической наследственности, на контактных поверхностях можно обнаружить адсорбированные масла, технологические эмульсии, моечные растворы и другие поверхностноактивные вещества (ПАВ). В ряде случаев адсорбаты диффундируют в глубь тел, что изменяет свойства последних. Кроме того, полярные молекулы ПАВ оказывают расклинивающее действие на поверхностные микротрещины, вызывая эффект адсорбционной пластификации поверхности (эффект Ребиндера).

Термодинамическая неустойчивость кристаллитов металлов и адсорбированные поверхностью молекулы кислорода и воды способствуют быстрому (» 30 минут) образованию оксидных пленок.

Если провести латунной монетой по стальной поверхности - остается полоса латуни, которая очень прочно сцеплена со стальной подложкой (субстратом). Это пример фрикционного переноса, возникающего в результате адгезии.

Адгезия (прилипание) – возникновение связи между поверхностными слоями соприкасающихся тел.

Источником адгезии являются нескомпенсированные поверхностные силы в зоне контакта твердых тел. Наибольшие по величине адгезионные взаимодействия возникают при контакте ювенильных поверхностей, на которых в результате трения разрушены адсорбционные и окисные пленки.

Энергия, подводимая к контактным поверхностям при трении (или механической обработке) вызывает деформацию поверхностных слоев материала. Если это происходит при температурах ниже фазовых переходов в металлах (например, температура аустенитных превращений для стали), то возникает "холодная" деформация, следствием которой являются наклеп и остаточные напряжения.

Наклеп – это комплексное изменение состояния (типа фаз, размеров элементов структуры и т.п.) и свойств (предела прочности, текучести, относительного удлинения и т.п.), вызванное холодной пластической деформацией.

Контактные механические взаимодействия при температурах выше фазовых переходов могут вызывать (в зависимости от уровня температуры) рост кристаллитов, возникновение закалочных структур, зон отпуска, локализацию карбидов на границах зерен и т. п.

Изменения фазового состава и размеров структурных единиц отдельных частей твердого тела приводят к изменению микрообъемов, занимаемых этими фазами. Если при этом тело не разрушается, то между его частями возникают остаточные напряжения первого рода. Они уравновешиваются в объеме детали.

Остаточные напряжения – это внутренние напряжения, сохраняющиеся в твердом теле после снятия внешних воздействий (силового, теплового и т.п.).

При деформировании поверхностных слоев возникает, направленная в сторону вектора скорости скольжения, ориентация деформированных микрообъемов – текстурирование или образование текстуры.

Текстура – преимущественная ориентация деформированных зон материала (зерен структуры, макромолекул полимеров) по направлению действующих усилий.

Вызывая анизотропию физико-механических и теплофизических свойств, текстурирование может привести к местному снижению прочности и перегреву. С другой стороны, повышенная ориентация структурных единиц является проявлением адаптационных процессов в трибосистемах, которые повышают их ресурс и несущую способность.

Рассмотрев физику поверхностных процессов, протекающих при трении твердых тел, можно схематизировано представить строение поверхностных слоев материала (см. рисунок 1.7).

Общая толщина адсорбированной пленки по Б.В. Дерягину достигает 0,001 мкм.

Схема на рисунок 1.7 идеализирована, но она полностью отвечает реальной качественной структуре приведенных слоев.

Следует отметить, что на металлических поверхностях всегда присутствует естественная пленка окислов. На сплавах железа эта, невидимая простым глазом пленка, достигает толщины 0,001 мкм, что соответствует длине ребра элементарной ячейки , из которой, по данным электронографии, эта пленка и состоит.

Механика контактирования

На первом этапе контактирования под действием рабочих нагрузок возникают нормальные контактные напряжения, следствием которых является взаимное внедрение элементов шероховатости контактирующих тел. Это происходит из-за различной местной твердости поверхностных структур.

Практически все материалы обладают значительной неоднородностью структурных составляющих. Кроме того, включения примесей, микротрещины и другие дефекты способствуют внедрению в них более твердых участков поверхности. В результате, на площадках фактического контакта твердые составляющие - кристаллиты, повернутые более твердыми гранями, внедряются в менее твердые структуры и более слабые грани, деформируя их. Например, графитовые включения в серых чугунах – это возможные области преимущественного внедрения.

При деформации зон фактического контакта на поверхностях тел (металлических) разрушаются, обычно хрупкие, пленки оксидов и обнажаются ювенильные поверхности. Взаимное сближение поверхностей на участках фактического контакта до расстояний всего на порядок превышающих межатомные способствует возникновению сил межатомного (или межмолекулярного) притяжения. Эти силы вызывают на контактных участках адгезию, пропорциональную площади контакта. Так образуются фрикционные связи ‑ кинематические связи, накладываемые на относительное перемещение тел и реализуемые через адгезию и микрогеометрию поверхности.

Время их существования примерно составляет с. В процессе относительного движения контактирующих тел происходит разрушение фрикционных связей под действием сдвиговых касательных напряжений.

В соответствии с молекулярно-механической природой трения разрушение адгезионных связей сопровождается деформированием приповерхностных слоев.

При относительно малых сдвиговых напряжениях происходит упругая деформация, восстанавливающаяся при снятии нагрузки. Дальнейший рост напряжений приводит к пластическим, необратимым деформациям в виде оттеснения материала перед фронтом внедрившейся шероховатости. При весьма высоких напряжениях пластически деформируемый металл отделяется в виде микростружки. Этот процесс, называемый микрорезанием, характеризуется обычно отрицательными передними углами.

Независимо от уровня сдвиговых напряжений сила трения определяется двучленным законом вида

, (1.9)

где m – коэффициент механической составляющей силы трения;

N – нормальное давление;

а – интенсивность адгезионной составляющей силы трения.

Отсюда вытекает выражение для коэффициента трения

. (1.10)

Описанные условия контактирования характеризуют трение без смазки (сухое).

Граничное трение наблюдается в тех случаях, когда весьма тонкий слой смазки (третьего тела или третьей фазы), по своим свойствам отличающейся от ее объемных свойств, разделяет контактирующие поверхности.

Это наиболее распространенный вид трения в большинстве общемашиностроительных узлов. На несмазанных поверхностях граничной смазкой служит слой естественной грязи, а в узлах, работающих на гидродинамической смазке, граничное трение наступает при пусках и остановах.

Граничное трение определяется следующими факторами:

1 – физической природой и состоянием контактирующих поверхностей;

2 – физико-химическими свойствами применяемой смазки;

3 – адсорбционным адаптированием молекул смазки и строением граничного слоя.

На приработочном начальном этапе контактирования в режиме граничной смазки между соприкасающимися поверхностями тел формируется объединенная молекулярная структура смазочного слоя. Полярные молекулы поверхностно активных веществ (ПАВ) смазки или неполярные с наведенным твердотельным полем диполем, адсорбируются на поверхности контактирующих тел. При этом молекулы поворачиваются к поверхности твердого тела своей активной частью: полярной группой (гидроксил, карбоксил), атомами щелочных металлов, серы, фосфора, галогенов и т.п. Активные центры молекул ПАВ способствуют хорошей смачиваемости контактных поверхностей – первому этапу адсорбции. Параллельно идут процессы сглаживания микрогеометрии контактных поверхностей.

Кроме экранирования, разделения трущихся поверхностей, смазочная среда, участвуя в тепловом балансе пары трения, снижает теплонапряженность контактной зоны благодаря теплоотводу и более полному распределению тепла по всему узлу трения.

Одновременно, смазка оказывает пластифицирующее действие на поверхность твердого тела, проявляющееся в снижении усилий деформирования и микрорезания (эффект Ребиндера). Физическая причина пластифицирования – это заполнение смазкой поверхностных микротрещин и расклинивание их, а также облегчения выхода дислокаций на внешнюю поверхность. На этапе приработки этот эффект играет положительную роль, так как ускоряет ее.

Следовательно, тонкие слои смазки, изменяя свои свойства под влиянием поля твердого тела, в свою очередь, изменяют свойства поверхности твердого тела.

Таким образом, смазка в узле трения оказывает смазочное, охлаждающее и пластифицирующее действие.

В стационарном режиме (или стабильных P, V, T) система граничного трения переходит к динамически устойчивому состоянию. Пленка смазки разрушается на отдельных участках контакта (пики давлений на вершинах микронеровностей); шероховатость сглаживается, контактные напряжения уменьшаются и пленка восстанавливается.

В заключительный период катастрофического износа, в результате накопления разрушений граничного слоя и контактирующих поверхностей, становятся ощутимыми необратимые процессы (например, возникают вибрации из-за роста зазора) и износ резко возрастает.

Граничные слои (масляная пленка) - это слои, возникающие в результате адсорбции полярных молекул углеводородов на поверхности твердых тел под воздействием поля твердой фазы (рисунок 1.8).

Граничные слои могут иметь самое различное строение: от твердого кристаллического до жидкого, включая промежуточные жидкокристаллические структуры. Основными типами структур граничных слоев являются слоистые (ламелярные) и решетчатые (ретикулярные) структуры.

Граничные слои формируются на поверхности реальных поликристаллических тел. Действие поля этих тел прямо или косвенно распространяется на молекулы адсорбированного слоя, находящиеся на расстояниях 10…100 нм от твердой поверхности. Характерной особенностью граничных адсорбированных слоев является различие в структуре и свойствах (упругости) по толщине этих мультимолекулярных структур, что объясняется падением напряжений поля твердой фазы.

Установлено, что граничные слои являются поликристаллическими телами и по мере удаления от образующей их поверхности структура этих слоев постепенно переходит в монокристаллическую с едиными параллельными твердой поверхности плоскостями спайности (рисунок 1.8).

Таким образом, адсорбционное заполнение граничного пространства способствует постепенному сглаживанию поверхности поликристаллических элементов граничного слоя.

На свойства и работу граничных смазочных слоев большое влияние оказывает температура, развивающаяся в процессе трения. Часто весь узел трения работает в высокотемпературной среде.

Следует отметить, что все технические масла и консистентные смазки резко снижают вязкость с ростом температуры. Кроме того, повышение температуры приводит к сдвигу динамического равновесия при образовании граничных смазочных слоев в сторону десорбции, т.е. слой смазки перестает разделять трущиеся поверхности. Поэтому важно знать температурные пределы работоспособности граничных смазочных слоев.

Минимальная температура, при которой для данного сочетания смазочной среды и материалов трущихся поверхностей происходит разрушение граничных структур, называется критической температурой граничного смазочного слоя. Ее величина определяется согласно ГОСТу экспериментально методом температурной стойкости смазочного масла на машинах трения (чаще всего четырехшариковых). Критерием температурного разрушения граничных слоев является резкий рост коэффициента трения и износа - зона 1 (рисунок 1.9).

Если в смазочные материалы добавлены химически активные вещества (присадки), то с ростом температуры, ускоряющей химические реакции, и при активировании трением, образующим ювенильные поверхности, на последних формируются новые химические поверхностные соединения - пленки вторичных структур – зона 2 (рисунок 1.9). Процесс образования поверхностных химических соединений на трущихся поверхностях в результате их взаимодействия с газами, парами и растворенными жидкими или твердыми веществами называют хемосорбцией или химической модификацией поверхности. Эти слои обладают пониженной прочностью на сдвиг и выполняют функции смазочного материала.

Если физическая адсорбция обратима, так как обусловлена действием относительно слабых Ван -дер -Ваальсовых сил, то хемосорбция – необратима. Это обусловлено достаточно прочными валентными связями.

Жидкостное трение – это трение двух твёрдых тел, разделённых слоем жидкости, в котором проявляются её объёмные свойства.

Особенность контактирования при жидкостном трении заключается в образовании между контактирующими поверхностями достаточно толстого разделительного сдоя смазки, в котором из-за его толщины практически исчезает влияние твёрдотельного поля и масло сохраняет свои объёмные свойства, в частности, вязкость. То есть внешнее трение между контактирующими телами заменяется внутренним трением между отдельными слоями смазки. При этом коэффициент трения не зависит от природы контактирующих материалов и от высоты микронеровностей при условии, что последние значительно меньше зазора в подшипнике ( ). При жидкостном трении износ резко сокращается, возникая только в периоды пусков и остановов. В подобном режиме подшипники скольжения, например, гидротурбин, работают без остановов и ремонтов годы.

Жидкостное трение – наиболее выгодный режим работы подшипников скольжения. В этом режиме давление в слое смазывающего вещества должно уравновешивать силы, действующие на опоры вала. По способу создания давления в смазочном слое и его влиянию на контактирующие поверхности различают гидростатическое, гидродинамическое и эластогидродинамическое трение.

Трение твердых тел

Изучение условий контактирования при трении позволило сформировать молекулярно-механическую иначе адгезионно-деформационную гипотезу возникновения сил трения (Ш. Кулон, И.В. Крагельский). В настоящее время это наиболее широко принятая теория. Она относится к так называемым феноменологическим теориям, когда объект изучения расчленен на отдельные феномены или явления.

По этой теории трение обусловлено:

1 – сопротивлением деформированию материала внедрившимся неровностями (деформационная или механическая составляющая силы трения);

2 – преодолением молекулярных (атомарных) сил (молекулярная или адгезионная составляющая силы трения).

Трение покоя

Трение покоя или статическое трение – это процесс, предшествующий началу скольжения сдвигаемого тела, сопровождающийся увеличением сдвигающей силы до некоторого максимума, после которого начинается собственно скольжение, характеризующееся резким уменьшением сдвигающей силы.

Следовательно, трение покоя – это процесс перехода от начала приложения сдвигающей силы до относительного скольжения контактирующих тел.

Трение покоя оценивается методом предварительного смещения e – величиной деформации фрикционных связей под действием сдвигающей силы, равной неполной силе трения .

Полная сила трения покоя – это сила трения в момент, предшествующий началу скольжения (см. рисунок 1.10).

Рисунок 1.10 - Зависимость силы трения от перемещения	Рисунок 1.11 - Зависимость силы трения покоя от предварительного смещения

Предварительное смещение имеет порядок мм и состоит из обратимой после снятия нагрузки и необратимой частей.

На рисунке 1.11 показана типичная зависимость силы трения покоя от предварительного смещения при разных нормальных нагрузках N. Правые ветви кривых – нагрузка, левые – разгрузка. Заштрихованная часть соответствует зоне упругих деформаций.

Основываясь на теории, объясняющей общую природу трения и на ее экспериментальном подтверждении, применительно к трению покоя, можно сформулировать ряд основных закономерностей.

1. Рост силы трения покоя пропорционален сближению контактирующих тел, так как это увеличивает деформацию микронеровностей и адгезионные силы.

2. Сила трения покоя растет более интенсивно в начальный момент контакта, так как более слабые вершины микронеровностей деформируются сильнее, чем их основания.

3. Кроме того, сила трения покоя растет от продолжительности контакта, так как контактная зона обладает вязкостными (реологическими) свойствами.

Реологические (изменяющиеся во времени) свойства фрикционного контакта проявляются в увеличении деформации фрикционного сопряжения во времени при постоянной нагрузке; в том, что момент страгивания узла сразу после остановки и через продолжительное время различны; а также в возникновении релаксационных колебаний.

Сила трения покоя имеет большое практическое значение при эксплуатации всех прессовых и резьбовых соединений, спуске судов со стапелей на воду, опускании шлюзовых гидрозатворов, выпуске самолетных шасси и т.п.

Трение без смазки (сухое)

В обычных условиях терние без смазки практически не встречается, так как на контактных поверхностях всегда имеется адсорбированный из внешней среды слой, служащий своеобразной смазкой. Иное дело аварийные или другие критические ситуации.

В процессе сухого трения между контактирующими поверхностями возникают фрикционные связи.

Если слабым местом контакта является фрикционная связь, то, разрушаясь при трении, это не вызывает значительных износов. Наоборот, если фрикционные связи прочнее основного металла, то износ, в виде крупных локальных адгезионных вырывов, резко возрастает. Иногда относительное движение контактирующих поверхностей становится невозможным – происходит "схватывание" – явление местного соединения двух тел, вследствие действия адгезионных сил.

Следовательно, для нормального трения скольжения необходимо, чтобы поверхностные слои имели меньшую прочность, чем более глубокие. Отсюда следует правило положительного градиента (вектор – направленный в сторону уменьшения) сдвигового сопротивления: внешнее трение возможно только при положительном градиенте механических свойств.

Конструктивно узлы трения могут быть оформлены самым различным образом. Для обобщения происходящих в них процессов А.В. Чичинадзе ввел понятие коэффициента перекрытия. Эта характеристика учитывает распределение тепловых потоков, сплошность контакта и т.п.

Коэффициент перекрытия – это отношение наименьшей номинальной площади контакта к наибольшей.

Для подшипников его величина примерно равна единице (см. рисунок 1.12).

Подавляющее большинство узлов трения работает в обычных атмосферных условиях. При этом, доказано, что кислород атмосферы играет ведущую роль в образовании на поверхностях контактирующих тел пленок различного химического состава (например, оксидных) являющихся своеобразной смазкой. Исходя из имеющихся фактов, И.В. Крагельским была сформулирована гипотеза пленочного голодания: трение уменьшается при доступе кислорода в зону контакта. Практическая реализация этого положения привела к созданию подшипников скольжения с прерывистой (дискретной) опорной поверхностью, хорошо зарекомендовавших себя в различных отраслях техники.

Упрощенное представление о силе трения как о функции нормальной нагрузки - несостоятельно. Сила трения является не функцией нормальной нагрузки, а оператором процессов, возникающих при различном сочетании внешних факторов: нагрузки, скорости, температуры, контактирующих материалов и т.п.

Примеры коэффициентов трения различных, контактирующих без смазки, материалов при средних условиях нагружения приведены в таблице 1.1.

Разница в величине коэффициентов трения обусловлена различным сопротивлением деформированию приведенных материалов и их адгезионным взаимодействием.

Влияние других внешних факторов на процесс трения проиллюстрировано на рисунке 1.13.

Таблица 1.1 - Коэффициенты трения

№ п/п	Материал вала	Материал втулки	Коэффициент трения
	Сталь	Сталь	0,5
	Серый чугун	0,25
	Бронза	0,12
	Фторопласт	0,05

Снижение шероховатости поверхности (рисунок 1.13, а) уменьшает деформационную и одновременно увеличивает адгезионную составляющую. При очень гладких поверхностях последняя возрастает настолько, что может препятствовать движению (взаимная притирка концевых мер длины). При увеличении нормальной нагрузки увеличиваются одновременно и контактные напряжения и, из-за деформации, фактическая площадь контакта. Это снижает величину реальных контактных напряжений и стабилизирует рост коэффициента трения.

Скорость скольжения влияет на усилие, необходимое для разрушения фрикционных связей, что является следствием вязкости контакта. При низких скоростях вязкое сопротивление возрастает, при высоких - падает. При малых контактных напряжениях имеет место только возрастающая ветвь, при больших – только падающая.

Пластическая деформация при разрушении фрикционных связей всегда сопровождается выделением тепла, т.е. все узлы трения саморазогреваются при работе. Кроме того, целый ряд агрегатов работает при повышенной температуре окружающей среды. Это конвейеры методических печей, пары трения двигателей внутреннего сгорания и т.п.

Влияние температуры на трение зависит от соотношения температуры узла и температуры фазовых или кинетических переходов в используемых материалах. Так, у металлов (кривая 1 на рисунке 1.13, г) с ростом температуры понижаются прочностные свойства и, соответственно, прочность фрикционных связей. При этом коэффициент трения монотонно уменьшается. В этом случае средняя объемная температура узла ниже температуры фазовых переходов.

При трении пластических масс температура узла может быть выше температуры кинетических переходов в полимере (например, температуры стеклования). Полимер переходит в другое агрегатное состояния (из твердого в высокоэластичное) и характер трения изменяется полностью (кривая 2 на рисунке 1.13, г).

Общая кинетическая зависимость коэффициента трения при постоянных режимах представлена на рисунке 1.14. Здесь, как и на кривой износа, можно выделить три характерных участка: I приработочный, II стационарный и III катастрофический. I и III – это переходные процессы трения, в которых изменяются условия протекания. В I возмущение падает, в III – нарастает.

С технических позиций наиболее важным является приработочный процесс, связанный с адаптацией поверхностных слоев контактирующих тел к условиям трения.

Приработка – это начальный переходный процесс трения, в результате которого происходит адаптация контактирующих поверхностей и постепенный переход к стационарному процессу трения.

Рассмотрим основные особенности трения в приработочный период:

– первоначальный контакт начинается с вершин микронеровностей и фактическая площадь контакта весьма мала при постоянных рабочих нагрузках. Поэтому контактные напряжения велики и приработочный износ гораздо больше износа в стационарный период за тоже самое время, т.е. скорость приработочного изнашивания выше стационарной скорости изнашивания;

– в процессе приработки шероховатость контактирующих поверхностей изменяется (растет или уменьшается). Образуется равновесная или установившаяся шероховатость характерная для данных условий трения;

– высокие нагрузки и значительный износ (деформации и разрушение) приводят к росту температуры и в период приработки она выше, чем в стационарный;

– значительные деформации контактной зоны в приработочный период приводят к увеличению коэффициента трения.

Следовательно, период приработки характеризуется образованием установившейся шероховатости и ростом температуры, коэффициента трения и скорости изнашивания. Стабилизация этих параметров служит критерием завершения периода приработки.

В связи с множеством параллельно действующих факторов процессы трения и изнашивания, в том числе и в приработочный период, случайны. Поэтому параметры процесса приработки партии одинаковых узлов трения подчиняются вероятностным законам.

В производстве стараются снизить время и другие приработочные характеристики узлов трения. Существует два пути приработки:

– технологический при доводке и сборке узлов (обработка металлическими щетками, взаимная притирка);

– эксплуатационный (обкатка двигателей, холостая прокрутка редукторов и т.п.).

Способность пары трения достаточно быстро переходить к стационарному процессу называется прирабатываемостью.

Критериями прирабатываемости может служить время приработки (стабилизации параметров) или отношения приработочных величин параметров к их стационарным значениям за фиксированное время (например: и т.п.).

Граничное трение

Основной особенностью граничного трения является формирование граничных экранирующих слоев смазки. Чем толще такой слой, тем он устойчивее и медленнее разрушается на пиках давлений. Последнее обстоятельство способствует сохранению коэффициента трения на низком уровне. В 3,5 раза дольше сопротивляется износу слой смазки в 0,1 мкм по сравнению со слоем в 0,01 мкм (рисунок 1.15,а).

Толщина граничных смазочных слоев влияет и на их способность нивелировать шероховатость контактирующих поверхностей. Левая ветвь кривой 2 на рисунке 1.15,б падает пропорционально , а правая – растет с ростом деформационной составляющей.

Основные эксплуатационные режимы (нагрузка, скорость) также оказывают существенное влияние на процесс граничного трения. Рост нормальных контактных напряжений способствует увеличению коэффициента трения. Причем, этот процесс зависит от свойств применяемого смазочного материала (рисунок 1.15, в).

Рост скорости скольжения также вызывает увеличение коэффициента трения (рисунок. 1.15, г). Это экспериментально показано на паре сталь – бронза при смазке олеиновой кислотой. Увеличение сил трения вызвано ростом вязкостных характеристик смазочных слоев. Следует иметь в виду, что несмазанный подшипник качения зачастую обладает более низким моментом трения, чем смазанный. Это связано с вязкостным сопротивлением смазки движению.

Жидкостное трение

Этот вид трения реализуется при гидростатической, гидродинамической и эластогидродинамической смазке.

Гидростатическое трение определяется способом подачи смазки и конструкцией узла трения.

Гидростатическая смазка – это способ жидкостной смазки, когда давление в несущем смазочном слое между контактирующими поверхностями обеспечивается в результате постоянной принудительной циркуляции масла от гидронасоса.

При этом толщина смазывающего слоя определяется параметрами насоса и слабо зависит от нагрузки на узел. Гидростатическая смазка чаще всего используется для смазывания узлов трения с малым значением коэффициента перекрытия, прерывистыми контактными поверхностями, а также для малогабаритных тяжелонагруженных подшипниковых опор (рисунок 1.16).

Расчёт гидростатических опор проводится на несущую способность (давление в смазочном слое, уравновешивающее рабочую нагрузку) и расход смазки (производительность насоса, создающего давление).

Гидродинамическое трение – это вид жидкостного трения, при котором слой смазки, разделяющий контактирующие поверхности, образуется за счёт формы и скорости относительных перемещений этих поверхностей.

Особенностью гидродинамической смазки является эффект возникновения уравновешивающего рабочие нагрузки давления в смазочном слое в результате относительного движения контактирующих тел.

Следовательно, для возникновения в зазоре гидродинамического трения необходимо: – относительное перемещение трущихся поверхностей;

– наличие в зазоре смазочной жидкости, обладающей вязкостью;

– форма сопрягаемых поверхностей должна обеспечивать затягивание жидкости в суживающуюся часть зазора.

Частицы смазки смачивают поверхность вала и «прилипают» к ней. Вращаясь, вал затягивает в зазор прилегающие частицы смазки благодаря силам инерции. Вязкость смазки обеспечивает захватывание прилегающими к валу частицами смазки соседних слоёв и смазка заполняет весь клиновой зазор (рисунок 1.17). Чем ниже скорость вращения вала, тем более вязкой должна быть смазочная среда для образования гидродинамического клина.

Соотношение инерционных и вязкостных сил определяется числом или критерием Рейнольдса

(1.11)

где – характерный размер (зазор), м; – скорость течения, м/с;

μ – кинематическая вязкость, м²/с.

Гидродинамический расчёт подшипников скольжения представляет собой достаточно сложную математическую задачу. На основании уравнения механики вязкой жидкости Навье-Стокса в 1883 г. Н.П. Петровым были заложены основы гидродинамических расчётов и получена формула, используемая в настоящее время для расчёта слабонагруженных подшипников. Формула Петрова имеет вид:

, (1.12)

где – сила трения;

S – площадь поверхности цилиндра единичной длины.

В 1886 г. Рейнольдс, исключив влияния инерции получил уравнение, носящее его имя:

(1.13)

где – ортогональные координаты в жидкости; – давление в смазочном слое;

ρ – плотность смазки; – скорость контактных поверхностей.

В уравнении Рейнольдса первый член правой части учитывает влияние клина, второй – растяжения, третий – сдавливания смазки. Сделав ряд упрощающих допущений, Рейнольдс решил это уравнение. В настоящее время гидродинамическая теория смазки интенсивно развивается в направлении снижения упрощений и повышения точности решений. Кроме того, в последнее время нашли применение смазочные жидкости неньютоновского типа - жидкости с нелинейными кривыми течения - зависимостями в координатах напряжения сдвига - скорость сдвига (рисунок 1.18).

Это так называемые микрополярные смазки, включающие до 10% массы твёрдых частиц размером 5…8 мкм. Давая значительный практический эффект, использование подобных жидкостей серьёзно усложняет гидродинамический расчёт подшипников.

Связь жидкостного и граничного трения наглядно прослеживается по диаграмме Герси-Штрибека (рисунок 1.19) в координатах: коэффициент трения – критерий Зоммерфельда, характеризующий нагруженность подшипника

, (1.14)

где – угловая скорость.

На диаграмме ветвь ab соответствует жидкостному трению, cd – граничному, а зона bd – смешанному. Минимум зависимости, соответствующий – идеальная цель при проектировании узлов трения машин. Пунктирная прямая на этой диаграмме получена расчётом по формуле Петрова.

Следует отметить, что, несмотря на явные преимущества гидродинамической смазки, её реализация в целом ряде узлов трения конструктивно неосуществима.

Эластогидродинамическая смазка – это смазка, при которой толщина слоя жидкого смазочного материала между контактирующими поверхностями, находящимися в относительном движении, и трение, определяются упругими свойствами поверхностей трения и смазочного материала, а также реологическими (зависящими от времени) свойствами последнего в контактной зоне.

Этот режим наступает, когда подшипниковая втулка изготовлена из относительно низкомодульного материала (например, текстолита) или когда контактные напряжения весьма велики (например, между зубьями шестерён). В этих условиях опорные поверхности деформируются, а у смазочной среды повышается вязкость.

В настоящее время большинство задач эластогидродинамики может быть решено только численно на основе совместного решения уравнения Рейнольдса, уравнений механики сплошной среды (для упругих деформаций), зависимости изменения вязкости смазки от давления.

Эластогидродинамическая смазка нашла применение в так называемых некомфорных узлах трения.

Некомфорными узлами трения называются такие, в которых контактирующие поверхности не являются взаимным отображением (эквидистантами) друг друга. Это шарикоподшипники, зубчатые калёса, кулачковые механизмы и т.п.

Трение качения

Сила трения качения, как показывает многовековой человеческий опыт, примерно в 10 раз меньше силы трения скольжения. Несмотря на это идея подшипника качения сформулирована Вирло только в 1772 году.

Когда колесо катится по неподвижному основанию и при повороте на угол φ его ось (точка 0) смещается на величину