Виды трения, его основные законы и род смазки
Как известно, в технике < обычно различают два рода трения: трение скольжения и трение качения. Трения скольжения в свою очередь делят на следующие виды: сухое трение, полусухое, полужидкостное и жидкостное.
Сухое трение имеет место при совершенном отсутствии смазки между трущимися поверхностями. Полусухое, — когда трущиеся поверхности имеют в большей части непосредственное соприкосновение и лишь частично разделены тонким слоем смазки. Полужидкостное—противоположно полусухому, т. е. трущиеся поверхности в большей своей части разделены тонким слоем смазки и лишь частично имеют непосредственное соприкосновение. Жидкостное, — когда трущиеся поверхности полностью разделены тонким слоем смазки, не имея непосредственного соприкосновения между собой.
Обычно считают, что сухое и полусухое трения подчиняются закону Кулона, полужидкостное и жидкостное — закону Ньютона.
По закону Кулона сила трения определяется из формулы:
(298)
где Т – сила трения;
— коэффициент трения;
—нормальная сила давления между трущимися поверхностями.
По закону Ньютона величина силы трения жидкости пропорциональна площади смачиваемой поверхности и относительной скорости отдельных слоев этой жидкости:
где —площадь поверхности скольжения;
— относительная скорость скольжения,
Однако ни закон Кулона, ни закон Ньютона не характеризуют в полной мере те процессы, которые имеют место в подшипниках, а лишь дают предельные условия, в границах которых работают подшипники скользящего трения различных типов.
Подшипники современных машин и механизмов, работающих с большими нагрузками и скоростями, требуют смазки, которая ) не может быть осуществлена старыми методами.
Классические исследования Н. П. Петрова (1883—1886 гг.), опыты Б. Тауэра (1883—1884 гг.) и математический анализ их результатов, произведенный Рейнольдсом, установили, что хорошо смазанный вал, вращающийся с достаточной скоростью, автоматически отделяется от подшипника пленкой жидкой смазки, находящейся Под давлением, и что сопротивление трения всецело зависит от вязкости смазки [154].
С учетом исследований Бредфорда и Грюндера [155] и Нюккера [156], касающихся состояния масла в работающем подшипнике при различных условиях нагрузки и скорости при разных величинах зазора и пр., можно получить достаточно полное представление о работе подшипников современных механизмов и машин. Придать подшипникам конструкцию, при которой между трущимися поверхностями автоматически поддерживалась бы достаточно толстая пленка масла, невозможно, поэтому масло подается в подшипник под давлением при помощи насоса. При этом коэффициент трения уменьшается до минимума и, как следствие, уменьшается износ вкладышей.
Шариковые и роликовые подшипники могут работать удовлетворительно в случае покрытия трущихся поверхностей лишь адсорбированной пленкой смазки (граничная смазка или «смазка с твердой пленкой»), эффективность которой зависит не от вязкости, а от маслянистости смазывающих веществ и скользкости смазываемых поверхностей.
Когда трущиеся поверхности совершенно разделены слоем жидкой смазки («жидкая пленка»), подаваемой под давлением, трение целиком зависит от вязкости масла, причем коэффициент трения равен 0,002 0,004, тогда как в подшипниках скользящего трения он равен 0,1 0,3.
После тщательного анализа экспериментальных данных Петров пришел к выводу, что сила трения хорошо смазанных подшипников вызывается сопротивлением сдвига, которое оказывает смазочная пленка. В 1885 г. он на основании закона Ньютона о трении жидкостей, увязывая силу трения с вязкостью, развил гидродинамическую теорию смазки и дал формулу для коэффициента жидкостного трения:
(300)
где —абсолютная вязкость смазки, кг*сек/м ;
— относительная скорость скольжения, м/сек,
— толщина масляного слоя, м;
— среднее удельное давление, кг/м .
Сопротивление трению определяется из формулы (300), если вместо коэффициента трения подставить его значение :
(301-5)
где — нормальное давление, кг;
—площадь соприкосновения, м.
Вязкость определяется аппаратом Уббелоде в градусах Энглера (Э) или секундах Редвуда ( ) и Сейболта ( ).
Не так давно считали, что жидкостное трение может иметь место только в идеальном случае и в практике почти не встречается. Между тем в настоящее время широко применяются подшипники, работа которых основана на принципе жидкостного трения (подшипники Моргойл).
В подшипниках качения сопротивление качения можно приравнять паре сил с моментом:
(306)
где — нормальное давление;
— коэффициент трения качения, соответствующий плечу момента, см.