книги / Трибология

таллическими поверхностями при значительной пластической деформации контактирующих поверхностей, а сдвиги поверхностных слоев происходят под пленкой смазочного материала или внутри него. Слабое сопротивление графита срезу по плоскостям обусловливает при трении послойное скольжение в нанесенных на поверхностях пленках. Коэффициенты трения графитизированных поверхностей малы (0,03…0,04).

Распространенной твердой смазкой является нитрид бора. Он в модификации, близкой к модификации графита, имеет кристаллическую гексагональную структуру. В отличие от плоскостей спайности графита и дисульфида молибдена плоскости спайности нитрида бора состоят из различных атомов (бор и азот). Поведение нитрида бора при трении подобно поведению графита, однако значения коэффициентов трения более высоки, что связано с повышенной прочностью связей между поверхностями кристаллитов. При работе деталей с высоким нагревом (до температуры 900 С) хорошие результаты дает использование смеси графита с нитридом бора. Графитовые пленки обеспечивают смазку до температуры 500 С, а нитрид бора – в интервале температур 500…900 С.

Уникальными антифрикционными свойствами обладает политетрафторэтилен (ПТФЭ), или фторопласт. Он имеет низкий коэффициент трения (0,05…0,1) вплоть до температуры размягчения (320 С).

Использованию фторопласта в чистом виде препятствуют его низкая прочность, плохая теплопроводность, высокий коэффициент теплового расширения и низкая способность сопротивляться трению при высоких скоростях и повышенном тепловыделении. В связи с этим ПТФЭ наносят на поверхность пористого металла, чаще всего пористой бронзы. ПТФЭ, заполняя поры металла, обеспечивает хорошие антифрикционные свойства, а бронзовая матрица создает достаточно прочный и хорошо проводящий теплоту каркас.

41

4.5. Жидкостное трение

Жидкостное трение – это вид трения, при котором трущиеся поверхности разделены слоем жидкого смазочного материала, находящимся под определенным давлением. Давление смазочного материала уравновешивает внешнюю нагрузку, поэтому слой смазочного материала, воспринимающий внешнюю нагрузку, называют несущим.

В условиях жидкостного трения сопротивление движению определяется внутренним трением (вязкостью) жидкости и складывается из сопротивлений скольжению слоев масла по толщине смазочного слоя. Такой режим трения со свойственным ему малым коэффициентом трения следует считать оптимальным для узла трения по затратам энергии на трение, долговечности и износостойкости трибосистемы. Сила трения при жидкостном трении не зависит от природы сопрягаемых поверхностей.

Вязкость проявляется в виде касательных усилий на поверхности и внутри некоторого объема жидкости при изменении его формы.

Существуют функциональные связи между касательным напряжением на площадке внутри движущейся жидкости и производной – скорости V по нормали n к этой площадке. Такие зависимости называют «реологическими характеристиками».

Изменение касательных напряжений в зависимости от производной скорости по нормали dV/dn представлено на рис. 4.5.

В общем случае деформация среды начнется тогда, когда напряжения достигнут значения 0 (кривая I на рис. 4.5). Тогда

= 0 + F (dV/dn).

(4.20)

Среды, подчиняющиеся такой закономерности, называют нелинейно-вязкопластичными, к их числу относят минеральные масла при низкой температуре, жиры, коллоидные растворы и др.

Среды, у которых 0 = 0 и F (dV/dn) = 0 (кривая II), называют жидкостями. Среды, у которых напряжения сдвига изменяются по

42

кривой I, имеют 0 – статическое предельное напряжение сдвига иd – динамическое предельное напряжение сдвига, величина которого определяется экстраполяцией прямолинейного участка.

Рис. 4.5. Зависимость касательных напряжений от производной скорости по нормали

Среды, у которых 0 = 0 и d 0, называют неньютоновскими жидкостями (жиры, суспензии и др.). Если d = 0, то аномалия вязкости отсутствует и тогда

= 0 + (dV/dn).	(4.21)
Если же 0 = d = 0, то
= (dV/dn),	(4.22)

где коэффициент динамической вязкости жидкости.

В этом случае говорят об истинно вязкой, или ньютоновской жидкости.

Значение, обратное вязкости, называют текучестью:

= 1/ .

(4.23)

Очевидно, чем больше вязкость, тем меньше текучесть. Вязкость в системе СИ определяется в паскаль-секундах

(Па с). Под кинематической вязкостью понимается динамиче-

43

ская вязкость , отнесенная к плотности жидкости, измеряемая в метрах квадратных на секунду (м2/с). В стандартах и технических условиях на масла кинематическая вязкость выражается в сантистоксах (сСт): 1 сСт = 10–6 м2/с.

Вязкость зависит главным образом от температуры, влияние давления обнаруживается для минеральных масел при значениях, превышающих 10 МПа. Степень изменения вязкости в зависимости от температуры принято оценивать отношением кинематической вязкости при Т = 50 С к кинематической вязкости при Т = 100 С. Часто степень изменения вязкости масла от степени нагрева выражается через индекс вязкости (ИВ). Лучшим считается масло с повышенным ИВ.

Механизм образования давления в несущем слое легче всего пояснить на примере плоской опоры (рис. 4.6). Пусть пластина 1 перемещается с некоторой скоростью V под угломк неподвижной пластине-подкладке 2. Между пластиной и подкладкой находится вязкая жидкость. Слой жидкости, смачивающий пластину 1, силами вязкого трения приводит в движение смежный с ним по высоте слой. Таким образом, движение передается от одного слоя к другому, за исключением слоя, смачивающего неподвижную подкладку 2. В результате масло вовлекается в сужающийся клиновой зазор

ив нем создается и поддерживается давление жидкости. Оно не будет постоянным по длине зазора, поскольку на входной

ивыходной кромках масло находится в атмосферных условиях и здесь избыточное давление равно нулю, как показано на эпюре давлений (см. рис. 4.6). Несущая способность, или грузоподъемность, смазочного слоя равна равнодействующей силе давления F. Такой силой можно нагрузить пластину при данных ее размерах, скорости перемещения и вязкости масла. Наличие клинового зазора является необходимым условием поддержания режима жидкостного трения в гидродинамической опоре.

44

Рис. 4.6. Схема образования давления в масляном слое плоской пары трения

Для осуществления жидкостного трения необходимо, чтобы наименьшая толщина смазочного слоя при гладких сопрягаемых поверхностях и прочих идеальных условиях была не менее толщины, при которой проявляются объемные свойства жидкости. Для реальных шероховатых поверхностей деталей опор наименьшая толщина слоя – минимальное расстояние между вершинами выступов неровностей сопрягаемых поверхностей.

4.6. Эластогидродинамическая смазка

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

Механизм действия эластогидродинамической смазки можно представить следующим образом. При относительном перемещении рабочих поверхностей деталей в процессе трения смазочный материал, адсорбированный поверхностями трения, оказывается как бы зажатым в зазоре между ними.

45

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 трения масла на этом участке постоянна. На выходе из зазора, в том месте, где прекращается упругая деформация поверхностей, величина зазора резко уменьшается (рис. 4.7), снижается и толщина смазочной пленки. Свойство неразрывности потока обусловливает стремительное увеличение скорости прохождения смазочного материала через эту область. При этом резко возрастает гидродинамическое давление в слое смазочного материала. Обычно в зоне контакта при эластогидродинамической смазке толщина пленки смазочного материала составляет от 0,1 до 10 мкм.

Рис. 4.7. Схема распределения давления в зоне контакта цилиндрических поверхностей

в условиях эластогидродинамической смазки

Режим трения поверхностей деталей сопряжений и вид смазки определяют не только количеством смазочного материала и его вязкостью, но и характером работы узла трения.

Количественно режим работы сопряжения характеризуется безразмерным критерием Зоммерфельда Z:

Z = /Р,

(4.24)

46

где динамическая вязкость смазочного материала; угловая скорость; Р нормальная нагрузка или давление.

Графической характеристикой трения рабочих поверхностей деталей в присутствии смазочного материала является диаграмма Герси Штрибека, представляющая собой зависимость коэффициента трения f от параметра Z (рис. 4.8).

Рис. 4.8. Зависимость коэффициента трения от режима работы сопряжения и свойств смазочного материала

Критическое значение Z соответствует минимальному значению коэффициента трения. Ордината, проведенная через эту точку, делит диаграмму на две части: область 3 гидродинамического трения (жидкостная смазка) и область полужидкостной и граничной смазки (соответственно области 2 и 1). От зоны 2 вправо рост коэффициента трения происходит за счет увеличения внутреннего трения в слое смазки, подчиняющегося законам гидродинамики. Влево от зоны 2 коэффициент трения возрастает за счет увеличения доли граничной смазки вплоть до образования чисто граничной смазки (зона 1). При переходе в область неустойчивой полужидкостной смазки изменение всякого параметра, способствующего снижению Z (уменьшение вязкости, окружной скорости, увеличение нагрузки), вызывает увеличение трения и тепловыделения.

47

4.7. Трение в подшипниках качения

О. Рейнольдс в 1876 г. впервые предложил гипотезу относительного скольжения, согласно которой возникновение сопротивления при перекатывании абсолютно упругих тел объяснялось упругим скольжением их поверхностных слоев вследствие разных по знаку деформаций (сжатия или растяжения). На рис. 4.9 представлена схема процесса проскальзывания. На участке АВ поверхностные слои катка сжимаются (в направлении вдоль площадки контакта), а плоскости – растягиваются. На участке ВС площадки контакта эти деформации протекают в обратном направлении, что и порождает микроскольжение.

Рис. 4.9. Схема к пояснению гипотезы О. Рейнольдса

Гипотеза молекулярного взаимодействия нашла отражение в работах А.С. Ахматова и А. Томлинсона. В результате экспериментального исследования качения одинаковых по форме, размерам и материалу тел было установлено, что сопротивление перекатыванию превышает то, которое вызывается упругим проскальзыванием в зоне контакта. По мнению Томлинсона, возникновение дополнительного сопротивления объясняется тем, что в процессе качения элементарные поверхности (точки) тел

48

настолько сближаются, что между ними возникают силы атом- но-молекулярного взаимодействия, на преодоление которых затрачивается движущая энергия.

Учитывая потери энергии на взаимодействие молекул при качении цилиндра по плоскости, Томлинсон определяет коэффициент трения качения следующим образом:

	K	3		ef	,	(4.25)
		4	2	Pr

где Р – нагрузка на цилиндр; r – радиус цилиндра; e – постоянная кристаллической решетки; f – коэффициент трения скольжения; θ – функция упругих постоянных материалов контактирующих тел.

А.С. Ахматов вывел формулу для определения трения качения, основываясь на точечном сваривании поверхностей трения.

При качении происходит циклическое нагружение и разгрузка материала. Этот процесс является обратимым для абсолютно упругих тел, однако их в природе не существует. Большинство материалов обладает свойствами релаксации (уменьшения напряжений во времени при постоянной деформации) и ползучести (изменение деформаций во времени при постоянном напряжении). Таким образом, соотношения, определяющие поведение материала при деформировании, должны включать не только напряжения и деформации, но и их производные по времени. К материалам, обладающим такими свойствами, относятся, в частности, вязкоупругие материалы.

Для подтверждения этой гипотезы в 1938 г. А.Ю. Ишлинским была рассмотрена задача о качении абсолютно жесткого катка по упруговязкому грунту и по релаксирующему грунту. Распределение давления катка показано на рис. 4.10. Возникновение силы трения при этом объясняется несимметричностью распределения давления.

49

Рис. 4.10. Возникновение силы трения при несимметричном распределении давления катка на грунт по поверхности соприкосновения

Сила трения для релаксирующего грунта при больших скоростях

								3
F						4P				2						(4.26)
		3		2				μCbR
и при малых скоростях
F					μC				P.							(4.27)
					kR
При качении цилиндра по вязкоупругому основанию силу
трения рекомендуется определять по формуле
			18					5
3								vP				3		,		(4.28)
F
			5				C
										kbR

где k – коэффициент жесткости грунта; μ – коэффициент внутреннего трения; P – общая нагрузка на каток; С – окружная скорость катка; b – ширина катка; R – радиус катка; v – коэффициент текучести.

50