ИЗМЕНЕНИЕ РЕСУРСА УЗЛОВ ТРЕНИЯ ПРИ ИСПОЛЬЗОВАНИИ СМАЗОЧНЫХ МАТЕРИАЛОВ С ОПРЕДЕЛЕННЫМИ КЛАССАМИ ВЯЗКОСТИ

 

Мироненков Е. И., Жиркин Ю. В., Юсупов Р. Р., Султанов Н. Л.

(ФБГОУ ВПО «МГТУ»,  г. Магнитогорск, РФ)

 

Studying of processes of a condition tribological systems at influence of a lubricant on friction and wear process of surfaces of friction are declared in the given paper.

 

Известно, что одним из наиболее эффективных путей повышения ресурса узлов трения деталей машин и механизмов, минимизации энергетических потерь при их эксплуатации является использование в качестве компонентов этих сопряжений правильно подобранных  смазочных материалов. Смазочные материалы (СМ) – продукты органического и  неорганического происхождения, которые вводят между поверхностями с целью уменьшения потерь на трение в этом сопряжении, предотвращения заедания и снижения износа пар трения (рис. 1). Внутреннее трение в смазочных материалах 3 существенно меньше, чем внешнее трение несмазанных деталей 1 и 2, и исключение или минимизация непосредственного контакта пар трения приводит к улучшению фрикционно-износных характеристик сопряжения.

Рисунок 1 – Схема несмазанного (а) и смазанного (б) контакта поверхностей трения:  1, 2 -  трущиеся тела, 3 – смазочный материал

 

Смазочный материал является важнейшим конструкционным элементом узла трения, во многом определяющим его надежность и долговечность, а также потери энергии при его функционировании. Действие смазочного материала, в результате которого уменьшается трение контактирующих тел и/или снижается их износ, называется  смазкой. Смазка, при которой осуществляется полное разделение трущихся поверхностей сопряженных деталей жидким смазочным материалом, называется жидкостной, а если это разделение осуществляется газом, то газовой смазкой. В этих случаях полностью исключен непосредственный контакт  трущихся тел. Он возможен только при пусках и остановках, когда жидкостный (газовый) слой еще не образовался или уже  разрушился. Внешнее трение твердых тел при этом отсутствует, его заменяет много меньшее  внутреннее трение смазочной среды, разделяющей эти тела. 

Различные состояния трения могут быть проиллюстрированы с использованием диаграммы Стрибека, как показано на рисунке 2. Диаграмма показывает различные состояния трения и коэффициенты трения при начале возникновения гидродинамического скольжения.

Рисунок 2 - Диаграмма коэффициентов трения μ для начала движения гидродинамического или гидростатического подшипника (диаграмма Стрибека)

 

Коэффициент трения μ падает, и поверхности становятся «подвешенными». Точка с минимальным коэффициентом трения (граничная точка) является переходом между смешанным трением и жидкостным (гидродинамическое трение), т.е. контакт твердых тел исчезает и происходит полное разделение поверхностей смазочным материалом. С физической точки зрения возрастание эффективной гидродинамической скорости приводит к возрастанию давления смазочного материала в узком смазочном «клине», поэтому происходит полное разделение двух соприкасающихся поверхностей. Эффективная гидродинамическая скорость является, таким образом, ответственной за возрастание давления смазочного материала и появление смазочного клина между поверхностями. Это определяется как средняя скорость поверхностей:

U_h=(U₁+U₂)/2,

где  U_h –эффективная гидродинамическая скорость;

U₁ – скорость первой соприкасающейся поверхности (т.е. тангенциальная скорость поверхности);

U₂ - скорость второй соприкасающейся поверхности (т.е. тангенциальная скорость втулки подшипника, равная нулю).

Потери на трение также обусловлены вязкостным трением, приводящим к повышению температуры составляющих частей. Вязкость уменьшается при повышении температуры (при конечном трении). С другой стороны вязкое трение уменьшается при снижении вязкости, так что постоянное действие приводит к снижению коэффициента трения. После постоянной работы в течение длительного времени установится тепловой баланс между выделением тепла за счет трения и тепловыми потерями составляющих элементов (теплопроводность поверхности материала и конвективная теплопередача смазочного материала), поэтому возникает постоянный коэффициент трения (рис. 3) показывает кривые Стрибека для трех смазочных материалов с различной вязкостью.

Рисунок 3 -  Диаграмма Стрибека для смазок различной вязкости

 

На диаграмме показано что, при высокой вязкости гидродинамическая область включает в себя и малые скорости вращения. С другой стороны, высокая вязкость препятствует большему вязкому трению в зоне гидродинамического трения. Это выражается в больших энергетических потерях и установившемся режиме действия, возрастание температуры сопровождается снижением действующей вязкости, кроме того, для форм граничного трения, смешанного трения и гидродинамического трения в случае, когда давление смазочного материала столь велико, что деформируется металлическая поверхность соприкасающихся поверхностей, мы говорим об «эластичной гидродинамической смазке». Такие упругие деформации часто происходят с зубьями круглых деталей, в зубчатых контактах,  вращающихся элементах подшипников и в подшипниках с очень большим диаметром. Порядки значений коэффициентов трения приведены в таблице 1 для различных видов трения. Коэффициенты трения включают в себя трение качения и трение воздуха, а также порядки величин трения скольжения.

Область упругогидродинамического контакта достаточно мала, если тангенциальная сила, которая должна быть передана скольжением в точке касания, складывается с нормальной силой. В случае жидкостного трения, как гидродинамического, так и гидростатического, коэффициент трения есть, по сути функция вязкости используемой смазки и находится в области μ≈0,01.

 

Таблица 1 – Значения коэффициентов трения для различных форм трения

Форма трения	Среда-посредник		Коэффициент трения
Граничное трение	-		μ0,1 – 0,25
Смешанное трение	Смазка (частично)		μ0,01 – 0,2
Жидкостное трение	Смазка		μ0,01 – 0,1
Трение качения	Вращающиеся детали		μ0,001 – 0,01
Воздушное трение	Газ; сжатый воздух		μ0,0001 – 0,0005
Диапазон значений удельной нагрузки
Формы трения		Удельная нагрузка (Н/мм2)
Сухое трение		0,1
Смешанное трение		1
Жидкостное трение		20
Упругогидродинамическое		1000
Твердые смазки		> 850

 

Таким образом, изменение ресурса узлов трения в сторону его повышения при использовании правильно подобранных смазочных материалов с определенными классами вязкости соответствует экономически и экологически целесообразной долговечности и надежности машин, технологического оборудования и инструмента.  Задача повышения ресурса узлов трения крайне усложняется каждый год, так как неумолимая тенденция развития науки, техники и технологии обязательно ведет к ужесточению и усложнению режима работы машин, а значит, узлов трения и деталей по нагрузкам, скоростям, температурам, диссипируемым энергиям, вибрации и т.д.

Литература

1 Основы трибологии (трение, износ, смазка): Учебник для технических вузов / Под общ. Ред. А.В. Чичинадзе. – М.: Машиностроение, 2001.

2 Гаркунов Д. Н. Триботехника (износ и безызносность): Учебник. – 4-е изд., переработ. и доп. – М.: «Издательство МСХА», 2001.

3 Силин А. А. Трение и его роль в развитии техники. – М.: Наука, 1983.