Вопрос №10 Основы теории трения. Внешнее и внутреннее трение. Виды трения по условию смазки. Формулы гидродинамической теории смазки

Первостепенной причиной изнашивания деталей, сопрягаемых и трущихся при движении друг о друга, является трение.

Трение – процесс сопротивления относительному перемещению, возникающему между двумя телами в зонах соприкосновения их поверхностей по касательным к ним, сопровождаемый превращением энергии в теплоту.

Внешнее трение – явление сопротивления относительному перемещению, возникающему между двумя твердыми телами в зонах соприкосновения поверхностей по касательным к ним.

Внутреннее трение – явление сопротивления действию внешних сил, вызывающих течение смазывающих сопрягаемые твердые тела материалов (масел).

Смазочные материалы – масла, мази (обычно минеральные) – должны соответствовать ряду показателей, в том числе показателю вязкости (внутреннего трения). Различают вязкости динамическую, кинематическую и условную.

Под вязкостью жидкостей понимают их свойство, характеризующее сопротивление действию внешних сил, вызывающих течение жидкостей.

Динамическая вязкость (коэффициент вязкости внутреннего трения) выражает собой силу, затрачиваемую на перемещение одного слоя жидкости относительно другого. За единицу динамической вязкости принята паскаль-секунда (Па с), равная динамической вязкости среды, касательное напряжение в которой равно 1 Па при ламинарном течении и разности скоростей слоев, равной 1м/с на расстоянии 1 м к направлению скорости.

Кинематическая вязкость (удельный коэффициент внутренней вязкости) представляет отношение динамической вязкости жидкости к ее плотности. За единицу кинематической вязкости принят квадратный метр на секунду , при этом динамическая вязкость среды равна 1Па с при ее плотности в 1кг/м³.

Условная вязкость – отношение времени истечения из вискозиметра 200 г масла ко времени истечения такого же количества дистиллированной воды при температуре 20 ⁰С.

При подборе смазки для машин следует руководствоваться некоторыми правилами:

1. Быстроходные механизмы необходимо смазывать маслами пониженной вязкости с целью избежания расходования излишней энергии на преодоление сцепления частиц смазочного материала и излишнего нагрева соприкасающихся поверхностей деталей.

2. Тихоходные механизмы, работающие под большими нагрузками, нужно смазывать маслами высокой вязкости или же густыми (консистентами) смазками. Применение в механизмах, работающих с большими знакопеременными нагрузками, масел пониженной вязкости неизбежно ведет к выдавливанию смазки.

3. В процессе эксплуатации станков с тяжелыми столами, каретками при скорости движения менее 20 мм/мин часто наблюдается прерывистое (скачкообразное) перемещение. В этих случаях для уменьшения трения, обеспечения точности установочных перемещений узлов станков следует применять антискачковое масло.

4. Тяжелонагруженные тихоходные механизмы, работающие при высокой температуре, рекомендуется смазывать твердыми смазочными материалами (графит, тальк, слюда).

Когда поверхности двух сопрягаемых деталей полностью разделены слоем смазки и нагрузка воспринимается смазочной пленкой, имеет место так называемое жидкостное трение. Коэффициент жидкостного трения равен 0,001–0,008. Величина коэффициента трения, например подшипников качения, колеблется в зависимости от значения относительной скорости трущихся поверхностей, способа подачи смазки, ее вязкости.

С повышением частоты вращения вала начинает увеличиваться толщина клинового слоя за счет увеличения количества смазки, увлекаемой цапфой в клиновой зазор. При бесконечно большой частоте вращения ось цапфы совпадает с осью подшипника, а толщина масляного клина достигает максимальной величины, способствуя жидкостному трению (в отличие от состояния покоя и начала вращения).

Полужидкостное трение имеет место в том случае, когда большая часть сопряженных поверхностей разделена слоем смазки, но отдельные их элементы соприкасаются (коэффициент трения при этом равен 0,08–0,08). При полужидкостном трении работают тяжелонагруженые валы с частотой вращения до 400 об./мин и детали, совершающие касательное и возвратно-поступательное движения.

Когда скользящие поверхности разделены очень тонким слоем смазки (толщиной до 0,15 мкм или всего в несколько молекул), то трение между поверхностями называется граничным. В нормальных условиях изнашивание происходит так же, как при полужидкостном трении.

Сухое трение возникает при отсутствии смазки между скользящими поверхностями, когда невозможно произвести смазывание или сопряжение работает при высоких температурах (свыше 300 ⁰С). Коэффициент сухого трения равен 0,1–0,8, но его величину можно снизить путем нанесения защитных пленок, термообработки и правильного подбора материалов сопряженных деталей.

Если слой смазки между двумя трущимися поверхностями разделят их лишь частично, то имеет место полусухое трение.

Основная характеристика внешнего трения – сила трения. Имеют место: сила трения скольжения (подшипники скольжения) и сила трения качения (подшипники качения).

Сила трения скольжения обусловлена двумя основными параметрами:

, (10.1)

где – коэффициент трения скольжения;

– нормальная к плоскости трения нагрузка.

Сила сухого трения качения шара или цилиндра определяется следующими параметрами:

, (10.2)

где – коэффициент трения качения;

– радиус качения.

Из анализа формул (10.1) и (10.2) следует вывод, что подшипники качения более прогрессивны по сравнению с подшипниками скольжения, т. к. нормальная нагрузка уменьшается на величину радиуса качения.

Сила трения зависит от факторов механического и молекулярного происхождения:

, (10.3)

где – силы соответственно механического и молекулярного происхождения;

– площадь трущихся поверхностей;

– коэффициенты, определяемые опытным путем.

Сила трения при жидкостном трении определяется следующими факторами:

, (10.4)

где – динамическая вязкость масла;

S – площадь сопрягаемых поверхностей;

– относительная скорость перемещения поверхностей;

– толщина масляного слоя.

На основании гидродинамической теории трения может быть определен наивыгоднейший зазор между сопрягаемыми поверхностями, при котором обеспечивается оптимальная толщина масляного слоя () для создания условий гарантированного жидкостного терния:

, (10.5)

где – диаметр вала, мм;

– частота вращения вала, об./мин;

– динамическая вязкость масла, Па^.с;

– удельное давление, Па;

– поправочный коэффициент на длину подшипника.

Максимально допустимый зазор определяется по формуле:

, (10.6)

где – величина неровностей (макро- или микронеровностей) вала и подшипника.

Экспериментальной проверкой установлено, что для подвижных посадок сопряжения вал – подшипник скольжения имеет место следующее соотношение между предельным зазором ( в мм) и максимальным конструктивным зазором в сопряжении новых деталей ( в мм):

. (10.7)

Коэффициент трения в слое смазки для идеального сопряжения качественно зависит от следующих параметров:

, (10.8)

где ;

– относительный зазор ( – диаметр охватываемой детали);

– давление;

– относительный эксцентриситет (, где – величина эксцентриситета, т. е. смещения осей вала и втулки);

– длина подшипника;

– динамическая вязкость масла;

– поправка на эксцентриситет;

– поправка на конечность размеров.

Минимальная толщина слоя смазки определяется по выражению:

, (10.9)

где – геометрический параметр .