Гидродинамическое трение

Гидродинамическое (жидкостное) трение характеризуется тем, что трущиеся поверхности разделены слоем масла. Минимальная толщина слоя должна быть больше, чем суммарная высота наиболее высоких микронеровностей обеих поверхностей: h_min³ (R_max1+R_max2). Масло является вязкой жидкостью. Сила внутреннего трения выражается формулой Ньютона:

, (1.57)

где h - динамическая вязкость; dV/dz - поперечный градиент скорости; S - площадь сдвига слоев смазки. Если скорость в направлении, перпендикулярном течению, по мере заглубления меняется по линейному закону (см. рис. 1.20), то dV/dz=V/h.

В таком случае формулу (1.57) можно записать в виде

F=hVS/h . (1.58)

Вязкость масла зависит от температуры и давления. С ростом температуры наблюдается резкое снижение вязкости. Повышение давления приводит к слабому увеличению вязкости. Русский инженер Н.П. Петров (1836-1920) рассмотрел сопротивление вращению вала в подшипнике при постоянном зазоре h=const (см. рис. 1.21,а). Для этого случая в формуле (1.57) вместо S можно подставить 2prL и вместо V - wr. Тогда получим формулу Петрова для расчета момента трения

M=F×r=2phwR³L / h. (1.59)

Коэффициент трения m = (2pr/h)×hv/q.

Здесь L - длина подшипник; w - угловая скорость вала; h<<r. Из формулы видно, что момент трения увеличивается с ростом вязкости, угловой скорости, радиуса, длины подшипника и с уменьшением зазора. Наиболее сильно влияет радиус подшипника.

а б в

Р и с. 1.21. Схемы гидромеханики подшипников

Если постоянство зазора не поддерживать искусственным путем, то вал опустится под действием силы тяжести. Зазор снизу начнет убывать. Здесь в действие включается гидродинамический эффект. Гидродинамический эффект заключается в том, что вал захватывает за счет смачивания масло и нагнетает его в сужающийся по направлению движения клиновой зазор. Внутри масляного клина возникает добавочное давление, эпюра которого показана на рис. 1.21,б.

Вал всплывает при некоторой толщине смазочного слоя, когда в результате саморегулирования устанавливается минимальный зазор нагруженной зоны подшипника, соответствующий действующей нагрузке N:

h_min=k×r×h×v/q , (1.60)

где К - коэффициент, g=N/L - погонная нагрузка.

Минимальной зазор возникает в сечении, смещенном на угол b. Для того чтобы выразить подъемную силу масляного клина, силу вязкого трения и минимальную толщину зазора, необходимо решать уравнение Рейнольдса. Для жестких элементов пары трения, несжимаемой жидкости и стационарного течения это уравнение в интегральной форме имеет вид

dp/dx=6hv(h-h₀)/h³ . (1.61)

Здесь h₀ - толщина зазора в области максимального давления; h - текущая величина зазора. Решение уравнения Рейнольдса редко удается получить в аналитическом виде. Оно выполняется обычно численными методами. Аналитическое решение, полученное для скольжения одной пластины по другой (см. рис. 1.21,в), имеет вид:

(1.62)

Здесь K=h_max/h_min.

Входящую в формулы (1.60), (1.62) безразмерную величину l=hu/q называют характеристикой подшипника. Зависимость коэффициента трения от характеристики называют диаграммой Герси-Штрибека (см. рис. 1.22).

При значении l^*, соответствующем минимуму коэффициента трения, происходит переход от граничного трения к жидкостному. На этом же графике изображена кривая интенсивности изнашивания. При l>l^* контакт деталей размыкается, и износ исчезает.

Разновидностью гидродинамической является эластогидродинамическая смазка. Высокие давления в масляном клине вызывают упругую деформацию контактирующих тел. В результате величина зазора между деталями возрастает. Особенно сильно этот эффект проявляется при трении тел, материал которых имеет низкий модуль упругости, например для резиновых колес автомобилей. На рис. 1.23 показан эластогидродинамический эффект при качении колеса по жесткому основанию. За счет эластогидродинамического эффекта смазка образует прослойку между колесом и основанием.

Так происходит при движении автомобиля по залитому водой асфальту при скорости более 70 км/ч. Явление называют глиссированием. Автомобиль становится неуправляемым со всеми вытекающими последствиями.

При проектировании гидродинамических подшипников жидкостного трения самый эффективный режим наблюдается при явлении так называемого «стеклования» смазки.

Согласно опубликованным данным явление стеклования проявляется при давлении в смазочном слое P_C=400...2500 МПа.

Упруго-гидродинамическое состояние пленки смазки в такой ситуации определяют три фактора: давление, сдвиг и температура.

Напряжения сдвига при стекловании описывают двучленным выражением:

t_стекл.=t_пред.+СDР, (1.63)

где t_пред - предельное напряжение сдвига; С - коэффициент, близкий по значению к коэффициенту трения при граничной смазке; DР - параметр, определяющий превышение действующего давления в контакте над значением давления при стекловании Р_С.

Если величина DР значительна (Р>P_C), то предельные напряжения сдвига равны

t_стекл@сDР. (1.64)

При проектировании узлов трения, имеющих гидродинамические подшипники, целесообразно использовать режим стеклования, обеспечивающий устойчивую работу подшипника, высокую жесткость опор и минимальные потери на трение.

Заключение

В основе современного подхода к пониманию трения лежит идея дискретности контакта трущихся поверхностей. Сегодня она кажется самоочевидной, хотя еще недавно для ее признания требовалось приводить тщательные доказательства. В развитие этой идеи большой вклад внесен российскими трибологами, основные работы которых выполнялись в 50-70-е гг. Особо здесь следует отметить И.В.Крагельского, Н.Б.Демкина, Э.В.Рыжова, Н.М. Михина и других последователей московской школы.

С позиции дискретности контакта анализируются механизмы трения и изнашивания, контактной жесткости, реологические характеристики контакта и выбор их моделей, дается оценка упругих и неупругих реакций, рассматриваются адгезия поверхности и смазки, контактная гидродинамика и др.

В главе также отражена вторая, не менее общая идея, выдвинутая И.В. Крагельским, Б.В. Дерягиным и зарубежными трибологами о двойственной молекулярно-механической природе трения.

Изложены основы гидродинамической теории смазки, поскольку подшипники качения и гидродинамические опоры являются в современных машинах основным средством обеспечения высокой работоспособности узлов.

Физические процессы при трении обусловлены закономерностями взаимодействия твердых тел, при упругой и пластической деформации микронеровностей поверхностей, теплопереносом, адгезией и гидродинамикой смазки.