СМАЗКА
СМАЗКА, смазочный материал, а также нанесение и действие смазочного материала, уменьшающего силу трения между движущимися частями механизмов и их изнашивание. Смазочные материалы попутно могут выполнять также функции охлаждения, защиты от коррозии, уплотнения зазоров и очистки поверхностей.
ВИДЫ ТРЕНИЯ
При исследовании явления трения между двумя твердыми телами различают три основных вида трения: сухое, граничное и жидкостное.
Сухое трение.
Сухое трение проявляется при взаимном относительном движении двух очищенных и высушенных твердых тел, находящихся в естественном контакте друг с другом. Под «естественным контактом» понимается непосредственное и тесное соприкосновение тел, возможное при минимальной загрязненности их поверхностей. Для выявления сухого трения сначала путем обработки с применением моющих средств и растворителей удаляют все масляные загрязнения. Затем наждачной бумагой наименьшей зернистости снимают немасляные загрязнения. После прополаскивания в дважды перегнанном спирте или эфире образцы высушиваются в инертной атмосфере или чистом воздухе. Считается, что очищенные и высушенные таким образом поверхности отвечают условиям сухого трения.
Основополагающим является понятие статического коэффициента сухого трения (коэффициента трения покоя). Этот коэффициент f дается выражением
где F – максимальная сила трения в момент трогания (рубежная сила статического трения), а N – сила нормального давления на поверхности их контакта (т.н. нормальная сила).
На рис. 1 представлена схема определения статического коэффициента трения методом скольжения образца по наклонной плоскости. Угол q наклона плоскости постепенно увеличивают до тех пор, пока образец не начнет скользить вниз. Вектор W веса образца на схеме разложен на две составляющие – перпендикулярную и параллельную плоскости скольжения. Составляющая 
, перпендикулярная плоскости, равна нормальной силе N, c которой плоскость действует на образец, и направлена противоположно ей. Составляющая
, параллельная плоскости, тянет образец в направлении наклона плоскости, но ей противостоит сила трения F, которая, пока тело не движется, в соответствии с третьим законом механики принимает значения, равные . Когда угол наклона плоскости, увеличиваясь, достигает значения, при котором величина равна рубежной силе статического трения, образец начинает двигаться. При этом значении угла выполняется равенство
W sinq * = fW cosq *,
откуда f = tgq *, где q * – угол, при котором начинается скольжение (угол трогания).
Граничное трение.
Образец для исследования граничного трения подготавливается так же, как и в случае сухого трения. Однако после очистки и сушки на его поверхность наносят тонкую пленку чистого смазочного материала известной молекулярной структуры с известными физико-химическими свойствами. Самой тонкой пленкой применительно к смазке является пленка толщиной в одну молекулу. Поэтому лабораторные исследования граничного трения обычно проводятся с телами, трущиеся поверхности которых покрыты мономолекулярным слоем смазки.
Толщина пленки определяется в первую очередь общей формой поверхности и ее шероховатостью. Даже самые совершенные из существующих методов механической обработки не дают абсолютно ровной и гладкой поверхности. На практике вес образца, лежащего на плоскости, не распределяется равномерно по всей площади основания образца, а передается и воспринимается многочисленными отдельными микровыступами, имеющимися на обеих поверхностях. Как показал эксперимент, истинная площадь контакта может быть в тысячу раз меньше площади основания образца.
Очевидно, что смазочная пленка (между исследуемым образцом и плоскостью), толщина которой несколько больше максимальной высоты выступов, будет полностью разделять две трущиеся поверхности. В случае поверхностей, обработанных по высшему классу чистоты, это условие выполняется при толщине пленки порядка 50–70 мкм, и тогда контактная пара ведет себя в соответствии с законами гидродинамики (см. ниже «Жидкостное трение»). Однако в режиме граничного трения смазочная пленка слишком тонка, чтобы она могла обеспечить полное разделение трущихся поверхностей. Самые высокие выступы обеих поверхностей при движении задевают друг за друга. При этом локальное контактное давление может быть столь большим, что возможна деформация материала. Интенсивность выделения энергии на микроучастках деформации нередко бывает такой, что происходят высокотемпературные вспышки частиц материала.
Износ.
В режиме сухого или граничного трения противолежащие выступы контактирующих поверхностей трутся друг о друга и изнашиваются. По степени и характеру фрикционный износ может варьироваться в широких пределах от желательного (специальная операция тонкого полирования – притирки – в контролируемых условиях) до истирания, заедания и разрушения.
Если пока не учитывать влияния химического состава смазочного материала, то можно представить себе несколько упрощенный механизм износа контактной пары, работающей в условиях граничного трения. В точках локального контакта возникают напряжения сдвига, превышающие предел упругости, а температура материала повышается. Происходит срыв материала с верхушек выступов, а из-за своей ограниченной подвижности соседние молекулы смазки не успевают закрыть обнажившиеся участки контактной поверхности; они остаются чистыми и химически активными. В результате образуются и при дальнейшем движении тут же разрушаются многочисленные мостики микросварки двух соприкасающихся поверхностей. При этом механическая энергия движения преобразуется в тепловую с повышением температуры поверхности. Разрыв мостиков микросварки дополнительно приводит к локальному резкому и значительному повышению температуры. В результате начинается химическое разложение смазки с образованием окислов, карбидов и смолистых отложений и медленно, но неуклонно снижается качество смазки. Ухудшение состояния поверхностей трения ускоряется из-за абразивного действия множества оторвавшихся частичек материала контактной пары. Все эти эффекты приводят к общему усилению трения, увеличению энергетических затрат и интенсификации износа.
Очевидно, что работа машин и механизмов в условиях граничного трения крайне нежелательна по двум причинам: из-за потерь энергии и из-за риска отказа трущихся элементов вследствие неизбежного их изнашивания. Для эффективной работы системы (с небольшим трением и без износа) необходимо, чтобы трущиеся элементы были всегда и полностью разделены слоем смазки при их движении и полностью разделены в период отсутствия движения.
Первое из этих требований выполняется путем оптимизации проектирования. При вращении шипа (шейки вала) в подшипнике в условиях жидкостного трения за счет внутреннего давления жидкости автоматически поддерживается такая толщина пленки смазочного материала, при которой поверхности кинематической пары, пока она работает, не могут прийти в прямое соприкосновение. Когда же машина останавливается, гидравлический подпор шейки вала в подшипнике прекращается, и толщина пленки смазки под шейкой уменьшается вследствие ее выдавливания силой тяжести вала. Само по себе это не страшно, но при последующем включении машины проходит некоторое время, пока не установится режим жидкостного трения. В этот начальный период подшипник работает в условиях граничного трения. В тяжелом механическом оборудовании некоторых типов предусматривается подача смазки в подшипник под давлением через отверстия и по канавкам в области контакта, благодаря чему перед пуском создается достаточно толстая, полностью защищающая поверхности контакта смазочная пленка.
Химическое влияние смазки.
От химических свойств смазочного материала существенно зависит развитие таких нежелательных явлений, как коррозия, образование смолистого остатка и углеродистых отложений. Установлено также, что некоторые химические компоненты смазки весьма способствуют уменьшению трения и износа. В условиях граничного трения химические свойства смазки гораздо важнее физических (вязкости, плотности, температуры вспышки и затвердевания). В условиях же жидкостного трения картина обратная. Так, например, вязкость смазки, не играющая большой роли при граничном трении, крайне важна в режиме жидкостного трения. Основным фактором в условиях граничного трения (тонкой пленки) является химическая структура молекул смазочного материала.
Роль молекулярных сил в граничном трении.
На свободной поверхности чистого твердого тела действуют молекулярные силы притяжения. Внутри тела такие силы уравновешиваются, а на поверхности остаются неуравновешенными и могут образовывать прочные связи с активными молекулами, если последние приблизятся на достаточное расстояние. Радиус действия этих сил порядка долей нанометра. Свободные силы, действующие на поверхности, могут быть почти полностью нейтрализованы одним слоем нанесенных на нее активных молекул.
Это иллюстрируется следующим опытом. Предметное стекло микроскопа промывают чистящим средством и, когда оно высохнет, обливают слабым раствором пальмитиновой кислоты в чистом бензоле, а затем тщательно протирают тампонами из чистой тонкой (папиросной) бумаги. Если после такой обработки стекло окунуть в чистую воду и вынуть, оно останется совершенно сухим. Это свидетельствует о том, что водоотталкивающий слой молекул пальмитиновой кислоты образует прочное поверхностное соединение и не удаляется простым стиранием. При стирании удаляется вся нанесенная пальмитиновая кислота, кроме мономолекулярного слоя, поскольку поверхностные молекулярные силы резко ослабевают за пределами толщины первого, адсорбированного слоя. Этот прочный слой можно удалить сильным окислительным агентом, химически разрушающим молекулы пальмитиновой кислоты, или абразивом, удаляющим их механически.
Пальмитиновая кислота, химическая формула которой имеет вид COOH–(CH2)14–CH3, относится к классу органических соединений, молекулы которых обнаруживают высокую полярную активность с одного конца. Метильная группа CH3 на одном конце длинной цепной молекулы пальмитиновой кислоты неактивна, так как ее валентности заполнены. На другом же конце молекулы расположена очень активная карбоксильная группа COOH. Такая молекула связывается с поверхностью своим полярным концом (рис. 2). Электронограммы показывают, что связанный слой состоит из плотно «упакованных» молекул, образующих как бы ковер, толщина которого равна длине одной молекулы. При этом молекулы ориентированы относительно поверхности под углом около 90° к ней.
Поведение хорошо очищенного минерального масла медицинского качества удивительно контрастирует с поведением такого соединения, как пальмитиновая кислота. Углеводородные медицинские масла полностью насыщены, т.е. их молекулы не имеют незаполненных валентных связей и, следовательно, неактивны. Пленка медицинского масла, нанесенная на предметное стекло в опыте типа описанного выше, легко удаляется простым стиранием, оставляя поверхность, легко смачиваемую водой. Очевидно, что силы связи в этом случае очень слабы, и пленка медицинского масла, по толщине соответствующая граничному трению, не может служить защитой от изнашивания поверхности.
Ранее способность смазочного материала уменьшать трение объясняли его «маслянистостью». Считалось, что маслянистость – это особое свойство масла, не связанное с его вязкостью. Теперь известно, что маслянистость есть результат взаимодействия молекулярных сил, существующих на свободной поверхности, с молекулярными силами, действующими на полярных концах ненасыщенных молекул в контактном слое смазки. Интересно, что половины процента активных молекул в смазочном материале достаточно, чтобы заметно уменьшить трение. Это объясняется тем, что такие молекулы селективно адсорбируются на контактной поверхности.
Жидкостное трение.
О режиме жидкостного трения можно говорить, когда движущиеся поверхности полностью разделены толстой пленкой смазки и непосредственный контакт элементов пары отсутствует. Трение в этом случае сводится к вязкостному сопротивлению в самом слое смазки, обусловленному сдвигом соседних слоев пленки, т.е. к внутреннему трению. Пока такая жидкая пленка цела, материал движущихся поверхностей и их шероховатость не имеют значения. От жидкой пленки требуется, чтобы она прилипала к движущимся поверхностям, т.е. чтобы не было проскальзывания смазки относительно поверхностей.
Случаи жидкостного и граничного трения сопоставляются на рис. 3, где A – движущаяся поверхность, B – неподвижная поверхность, а C – пленка. Шероховатость поверхностей для наглядности сильно преувеличена. В условиях граничного трения (рис. 3,а) некоторые выступы соприкасаются друг с другом. В случае же жидкостного трения (рис. 3,б) движущиеся части полностью разделены достаточно толстой пленкой смазки.
Вязкость.
Вязкость жидкости определяется соотношением, которое экспериментально установил И.Ньютон. Если пространство между двумя горизонтальными параллельными пластинами заполнено жидкостью и меньшая верхняя пластина движется с постоянной скоростью, тогда как нижняя остается на месте, то выполняется равенство
где F – сила, необходимая для поддержания равномерного движения пластины, A – площадь поверхности и V – скорость верхней властины, h – толщина жидкой пленки между пластинами и m – коэффициент пропорциональности, называемый абсолютной (динамической) вязкостью. В системе единиц СИ абсолютная вязкость измеряется в пуазах. Таким образом, пуаз (Пз) определяется как сила в ньютонах, необходимая для того, чтобы пластинка площадью 1
двигалась с постоянной скоростью 1 см/с параллельно плоскости, расположенной на расстоянии 1 см от нее. На практике чаще пользуются в сто раз меньшей единицей (сПз). Вязкость, выраженную в сантипаузах, обычно обозначают буквой Z. Вязкость воды при 20° С почти точно равна 1 сПз. (Название «пуаз» дано в честь французского физика Жана Пуазейля.) В нефтяной промышленности для вязкости принята условная шкала «секунд Сейболта», соответствующая скорости течения исследуемой жидкости по капиллярной трубке стандартного диаметра. Прибор для таких измерений называется универсальным вискозиметром Сейболта.
Таким образом, с одной стороны, вязкость, как внутреннее трение, является причиной выделения тепла и потерь энергии, а с другой – она позволяет жидкой пленке смазочного материала удерживать нагрузку.
Пленка, несущая нагрузку.
Рассмотрим простейший случай, представленный на рис. 4,а. Плоские поверхности, обозначенные буквами AB и CD, параллельны друг другу, а их площадь бесконечно велика. Поверхность AB движется с постоянной скоростью V. Поверхность CD неподвижна. Толщина жидкой пленки, разделяющей поверхности, равна h.
Такую пленку можно представить себе состоящей из отдельных молекулярных слоев, на которые действуют силы сдвига (картина, характерная для пограничного слоя; см. ГИДРОАЭРОМЕХАНИКА). Эти слои скользят один относительно другого, как игральные карты в колоде. Будем считать, что в контакте приповерхностного слоя жидкости с соответствующей поверхностью нет проскальзывания, и, следовательно, слой, соприкасающийся с движущейся пластиной, перемещается со скоростью V, а слой, прилегающий к неподвижной плоскости, имеет скорость, равную нулю. Скорость частицы жидкости, находящейся в какой-либо промежуточной точке между поверхностями, пропорциональна расстоянию от этой точки до поверхности CD. (Жидкость, для которой выполняется это условие линейности, называется ньютоновской. Большинство смазочных масел при обычных температурах относится к таким жидкостям.) Стрелками разной длины показаны скорости жидкости в разных точках в сечениях MN, PQ и ST пленки. То обстоятельство, что распределение скоростей MO в сечении MN является прямолинейным, указывает, что напряжение сдвига постоянно по толщине пленки. Поскольку рассматривается несжимаемая жидкость, площади распределений скорости, например MNO, пропорциональны количеству масла, проходящего через соответствующие поперечные сечения зазора. На рис. 4,а поток одинаков во всех сечениях пленки. Давление во всех точках пленки равно нулю, и она не может удерживать никакой нагрузки.
Рассмотрим теперь случай, показанный на рис. 4,б. Здесь движущаяся плоскость, как и прежде, неограниченна, тогда как неподвижная имеет конечную протяженность; остальные условия остаются прежними. Вся масса пленки, покрывающей движущуюся поверхность, до зазора перемещается со скоростью, одинаковой во всем поперечном сечении пленки, например HJ, приближаясь к положению MN, где она входит в зазор. В сечении MN первоначально равномерное распределение скоростей пленки искажается. Вблизи неподвижной пластины появляется напряжение сдвига, что показывает линия MO. Это связано с инерционными и вязкостными эффектами при резком изменении скорости пленки от значения, равного V, до нуля в точке M. При дальнейшем движении распределение скоростей продолжает меняться. В силу инерции через сечение MN входит несколько больше смазки, чем выходит через сечение ST. Избыточная часть перетекает под прямым углом к направлению движения. Вследствие такого эффекта в пленке возникает внутреннее давление, величина которого зависит от плотности и вязкости смазки, а также от скорости движения V. Но это давление весьма невелико и может поддерживать лишь очень небольшую нагрузку.
На рис. 4,в показано, что происходит, когда верхняя пластина ограниченной протяженности движется в сторону параллельной нижней бесконечной плоскости. Жидкость при этом выдавливается в соответствии с распределениями скоростей, и вследствие вязкостного перетекания внутри пленки возникает давление. Давление максимально в сечении PQ, равноудаленном от сечений MN и ST. Скорость жидкости в сечении PQ равна нулю. Справа от этого сечения жидкость выдавливается вправо, а слева от него – влево. Штриховой линией F показано возникающее при этом распределение давления по поверхности SPM верхней пластины. Таким образом, пленка вязкой жидкости способна удерживать нагрузку, равную этой поверхностной силе, если такая пленка находится между двумя сближающимися пластинами.
Масляный клин.
Принцип масляного клина позволяет пленке смазки нести значительную нагрузку. На рис. 5,а показано распределение скоростей, возникающее в соответствии с изложенным выше при движении пластины под неподвижным клином. При этом не учитывается, с одной стороны, сравнительно небольшое влияние инерции на распределение скоростей, а с другой – очень важное выдавливающее действие, которое будет рассмотрено ниже. Таким образом, на рис. 5,а представлено только влияние вязкости. Площадь треугольника MNO больше площади треугольника STU (разница – треугольник MXO), и это свидетельствует о поперечном перетекании жидкости, вызванном повышением давления в пленке. Клин давит вниз на пленку и благодаря своей форме создает рассмотренный ранее эффект приближения верхней пластины к нижней (рис. 4,в). Единственное различие состоит в том, что теперь верхняя пластина представляет собой клин, а поэтому через сечение MN выдавливается больше масла, чем через сечение ST. Это выдавливающее действие показано на рис. 5,б. В некотором сечении PQ горизонтальная скорость выдавливания равна нулю, а давление в жидкости максимально.
Реальное распределение скоростей определяется путем наложения эффектов вязкостного увлечения жидкости движущейся пластиной и выдавливания (рис. 5,в). Распределение давления по поверхности клина показано на рис. 5,г.
В 1883 Б.Тауэр сделал важное открытие – он установил, что в клинообразной пленке между движущимися поверхностями устанавливается давление, удерживающее нагрузку. Это открытие сыграло неоценимую роль в машиностроении, открыв путь практическому применению гидродинамических принципов смазки.
ПОДШИПНИКИ С ЖИДКОСТНЫМ ТРЕНИЕМ
Сегментный подшипник.
Здесь принцип повышения давления в клиновидном слое масла между поверхностями используется для удержания осевой нагрузки.
Прототипом сегментного подшипника является подпятник Кингсбери (рис. 6). В современных конструкциях сегменты подпятника либо устанавливаются на шарнирах, либо делаются гибкими, чтобы обеспечивалась автоматическая регулировка угла наклона относительно движущейся поверхности. В некоторых механизмах и машинах, особенно с очень высокими нагрузками, предусматриваются также пружинные устройства для выравнивания давления. Подпятник такого типа наружным диаметром более 220 см используется в генераторе ГЭС плотины им. Гувера. Масса ротора генератора равна 817 т, частота вращения – 150 об/мин. Коэффициент трения в подпятниках Кингсбери обычно составляет от 0,001 до 0,005. Число сегментов, как правило, равно шести.
Опорный подшипник скольжения.
Опорный подшипник скольжения полностью охватывает вращающийся в нем вал несколько меньшего диаметра. Часть вала, находящаяся в подшипнике, называется шипом, шейкой вала или цапфой. Смазка вводится в определенном месте, проходит по всему подшипнику и затем вытекает на его концах.
Распределение смазки в подшипнике обычно регулируется канавками, сделанными на поверхности подшипника. Канавки могут иметь разную форму; существуют различные методы оптимального конструирования канавок в тех или иных условиях работы. Тем не менее всеми признано, что канавки не должны мешать формированию и поддержанию смазочной пленки или отводить смазку из области повышенного давления. Продольные канавки должны заканчиваться, не доходя до концов подшипника, чтобы предотвратить утечку смазки. Края канавок должны быть скруглены, чтобы масло не соскребалось с поверхности вала.
Когда вал не вращается, смазка силой тяжести выдавливается из-под шейки, и вал соприкасается с поверхностью подшипника, так что условия в подшипнике при этом соответствуют граничному трению. Когда же вал приходит во вращение, в одной половине подшипника формируется сходящийся масляный клин, а в другой – расходящийся.
Механизм нарастания несущего нагрузку давления в этих клиньях аналогичен тому, который был рассмотрен в случае плоских поверхностей. Вес груза W (рис. 7) направлен по вертикали сверху вниз, но максимум давления в смазочной пленке с нижней стороны вала не лежит на линии действия нагрузки. Дело в том, что центр шейки вала на практике не совпадает с центром подшипника. Расстояние e между их центрами называется эксцентриситетом.
При построении распределений давления через центры вала и подшипника проводят прямую, составляющую угол j с линией нагрузки. Угол j равен нулю, когда вал не вращается. При вращении вала этот угол принимает некоторое значение в пределах от нуля до 90° (значение 90° никогда не достигается). Угол j зависит от таких факторов, как нагрузка, частота вращения, вязкость смазочного материала при рабочей температуре, ширина зазора между шейкой вала и подшипником и утечка смазки из подшипника. Угол отсчета q измеряется в направлении вращения вала. Для линии, проходящей через центры вала и подшипника, этот угол равен нулю. Радиальными стрелками на рис. 7 показано распределение избыточного давления в смазочной пленке (без дополнительной подачи смазки) в зависимости от угла q. Когда угол q достигает 180°, давление проходит через нулевое значение, после чего следует участок отрицательного давления NP (давление ниже атмосферного). Ввод смазки обычно располагают в этой области. Входное давление смазки на практике может составлять от 0,07 до 0,7 МПа.
Механизм формирования масляного клина, несущего нагрузку, в опорном подшипнике скольжения показан на рис. 8. Здесь зазор для большей ясности сильно увеличен. На рис. 8,а вал не движется, и в самой нижней точке шейка вала контактирует с подшипником. Когда начинается вращение, вал вкатывается по поверхности подшипника вверх в условиях граничного трения (рис. 8,б). Когда достигается достаточно большая скорость вращения, под шейку вала втягивается масло, и образуется стабильный масляный клин, который и поддерживает вал, как это показано на рис. 8,в. При этом шейка вала смещается влево, занимая свое равновесное положение.
Трение в подшипнике скольжения.
Как показывают теория и практика, коэффициент трения в геометрически подобных подшипниках зависит от критерия
Zn/p,
где Z – вязкость смазки, n – частота вращения вала (число оборотов в единицу времени), а p – среднее давление нагрузки на подшипник, т.е. нагрузка, деленная на произведение длины шейки вала на ее диаметр.
Геометрически подобными считают подшипники, для которых отношение длины подшипника к диаметру шейки вала (отношение L/D) одинаково, а также одинаков относительный зазор – разность диаметров подшипника и шейки вала, деленная на диаметр шейки.
Коэффициент трения f при разных рабочих условиях для всех геометрически подобных подшипников можно определить по единому графику зависимости f от Zn/p типа представленного на рис. 9. Участок от А до В на рис. 9 соответствует граничному трению; здесь возможны контакт сухих поверхностей и заклинивание. Участок BC соответствует переходу от граничного трения к жидкостному (при увеличении Zn/p). Участок CD, приблизительно прямолинейный, характерен для жидкостного трения.
Хотя, как видно на рисунке, величина f минимальна при значениях, лежащих в интервале между B и C, рекомендуется выбирать значительно более высокие значения Zn/p, чтобы надежно обеспечивались условия жидкостного трения.
Получено целое семейство кривых зависимости f от Zn/p, отвечающее разным отношениям L/D и разным относительным зазорам. В общем, с увеличением относительного зазора трение уменьшается. При определении величины f по графику нужно следить за тем, чтобы величины Z, n и p были взяты в правильных единицах измерения.
Момент сил трения, действующий по касательной на шейку вала, можно вычислить по формуле
T = fWr,
где Т – момент сил трения (HЧм), f – коэффициент трения, W – нагрузка на шейку вала (H) и r – радиус шейки вала (м).
Потери мощности на трение (Вт) можно вычислить как 0,1 TN, где N – частота вращения (число оборотов в минуту), а T – то же, что и ранее.
Подшипники с жидкостным трением (гидродинамического типа), как опорные, так и упорные, конструируются в расчете на разные виды смазочных материалов. К числу таких материалов относятся консистентные смазки, минеральные и синтетические масла, ртуть, вода, жидкие хладагенты, воздух, газ, а в особых случаях – жидкие металлы. Для смазывания подшипников часто используются технологические жидкости, что позволяет исключить возможность загрязнения последних и обойтись без уплотнений.
ГИДРОСТАТИЧЕСКИЙ ПОДШИПНИК
Принцип действия гидростатического подшипника можно пояснить простым примером. На строго горизонтальном столе лежит плоский стальной лист с бортиками по краям, залитый маслом. Бортики не дают маслу растекаться и тем поддерживают постоянную толщину пленки. На поверхность масла кладется плоская стальная пластина меньших размеров. Оказывается, что сначала эту пластину легко сдвинуть, т.е. сила трения очень мала. Но вскоре сила, необходимая для того, чтобы сдвинуть пластину, становится все больше и больше. Это объясняется уменьшением толщины масляной пленки под пластиной, погружающейся под действием собственного веса. Через некоторое время пластина ляжет на дно и установятся условия граничного трения. Значительного улучшения можно добиться, если для восполнения потерь масла, выдавливаемого из-под пластины, подводить в зазор масло под давлением. Расход масла и его давление, необходимые для поддержания жидкой пленки заданной толщины, легко рассчитать, если известны площадь пластины, вязкость масла и внешняя нагрузка.
Двухсотдюймовый телескоп Паломарской обсерватории в штате Калифорния равномерно поворачивается в таких гидростатических подшипниках со скоростью один оборот в сутки под действием часового электродвигателя мощностью 60 Вт. Общий коэффициент трения системы в целом не превышает 0,000004.
Гидростатический принцип применяется в промышленности для снижения трения в опорных подшипниках тяжелого механического оборудования, а также в подпятниках вертикальных турбогенераторов. В последнем случае удобен ступенчатый упорный подшипник (рис. 10). Осевая нагрузка воспринимается масляным слоем благодаря подаче масла под высоким давлением P0 в небольшую выемку A в торце вала B. Масло растекается радиально и вытекает наружу по краям C. На том же принципе работают ступенчатые подпятники ультрацентрифуг, развивающих очень высокие скорости вращения, но в них для смазки используется не масло, а сжатый воздух.
СМАЗОЧНЫЕ МАТЕРИАЛЫ
Смазочным материалом может служить твердое вещество (например, графит), жидкость (скажем, жидкое масло) либо смесь масла с мылом – т.н. консистентная смазка. Кроме того, в качестве смазочных материалов используются многочисленные смеси жидких масел с различными добавками и присадками.
Твердые смазочные материалы.
Наиболее известным из короткого перечня твердых смазочных материалов является графит – темный минерал с жирным блеском, маслянистый на ощупь. Он встречается в природе, а также производится в электропечах. Синтезированный продукт не менее чем на 99% состоит из чистого углерода. В коллоидной форме, диспергированный в воде или масле, он применяется в особых случаях при очень высоких температурах. Основное достоинство графита, пожалуй, в том, что он образует прочные пленки на трущихся поверхностях, благодаря чему применяется в смеси с маслом при «обкатке» многих машин и механизмов, а также при обработке металлов.
К твердым смазочным материалам относится также сульфид молибдена, который применяется как сухое поверхностное покрытие и как добавка к маслам и консистентным смазкам. Его смазывающее действие обусловлено, по-видимому, слабыми связями между атомами серы и молибдена и взаимным скольжением слоев атомов серы и молибдена.
Из пластиковых твердых смазочных материалов наиболее известен политетрафторэтилен, называемый также тефлоном. Это весьма инертный материал с коэффициентом трения ок. 0,05. Если очень мелкие частицы тефлона диспергировать в фенольном полимере, а затем пульверизацией нанести на металлическую поверхность и подвергнуть отверждению, то получается прочное тефлоновое покрытие с малым коэффициентом трения, необычайно стойкое к износу и истиранию. Тефлон широко применяется в промышленности, а также как покрытие для кухонной посуды, не допускающее пригорания.
Жидкие смазочные материалы.
Масла как смазочные материалы делятся на три группы: 1) нелетучие, или жирные; 2) углеводородные, или минеральные; и 3) синтетические масла. Масла первой группы не могут быть перегнаны (при атмосферном давлении) без разложения. Все они животного или растительного происхождения и, как показывает химический анализ, состоят, как правило, только из углерода, водорода и кислорода. Масла второй группы называются минеральными, так как они получаются из нефти, или углеводородными, поскольку состоят только из углерода и водорода. Синтетические масла – это особые химические соединения.
Жирные масла.
Жирные масла при комнатной температуре являются жидкостями. Аналогичные твердые масла называются жирами. Жиры – это глицериды; они могут расщепляться на глицерин и жирные кислоты. Наибольшее практическое значение имеют три жирные кислоты: олеиновая, пальмитиновая и стеариновая. При наличии небольшого количества таких жирных кислот в смазке ее маслянистость существенно повышается.
Некоторые жирные кислоты легко окисляются на воздухе и загустевают или даже затвердевают. Примером могут служить льняное и тунговое масла. Примеры незагущающихся масел – оливковое (растительное) и спермацетовое (животное). Жирные масла входят в смазочные масла лишь в небольших количествах, но широко применяются при изготовлении мыльной основы в производстве консистентных смазок.
Углеводородные масла.
Углеводородные масла долго не окисляются на воздухе при обычных температурах. При высоких же температурах, таких, как в двигателях внутреннего сгорания, они могут вследствие окисления и частичного разложения давать нагар и смолистые отложения.
Одним из важнейших свойств минерального масла является вязкость. Следует учитывать, что вязкость сильно зависит от температуры. Относительное изменение вязкости масел в заданных температурных пределах характеризуют условным показателем – индексом вязкости (ИВ).
Углеводородные смазки можно классифицировать: 1) по типу нефти, из которой получено масло, и 2) по способу переработки нефти. Существуют три типа сырой нефти: парафинового, нафтенового (асфальтового) и смешанного основания. При изготовлении смазочных масел из нефти применяются следующие основные процессы: перегонка с нагревом открытым пламенем, паром или вакуумная; использование остаточного масла; фильтрование; депарафинизация; обработка кислотами и щелочами; экстрагирование растворителем; введение химических добавок для улучшения эксплуатационных характеристик. Масла нередко называются по технологиям их производства: масла паровой перегонки, масла вакуумной перегонки, дистиллятное минеральное масло (без присадок), масла селективной очистки, смешанные, с присадками, компаундированные, брайтстоковые (высоковязкие цилиндровые), палевые дистиллятные, веретенные масла и т.д.
Синтетические масла.
Наибольшее применение находят два вида синтетических масел: силиконовые (кремнийорганические) и полиэфирные. Первые из них образуют широкий класс кремнийорганических соединений, весьма различающихся по своим свойствам. Все они инертны в химическом отношении, а вязкость их изменяется в широких пределах. Они характеризуются высокими индексами вязкости, низкими температурами потери текучести и способностью выдерживать высокие температуры. Силиконовые смазочные масла хорошо работают в режиме жидкостного трения, но не в условиях высоких контактных давлений и высоких скоростей трения.
Полиэфирные синтетические масла – это полиалкиленгликоли. Как и силиконовые масла, они характеризуются высокими индексами вязкости и низкими температурами потери текучести.
Консистентные смазки.
Консистентные смазки представляют собой однородные смеси минерального масла с мылом. Иногда добавляются химические присадки, придающие им те или иные желательные свойства – противоокислительные, антикоррозионные, повышенную стойкость к давлению и т.д.
Если жир или жирную кислоту, нагревая, интенсивно перемешивать со щелочью, то происходит химическая реакция омыления. Например, пальмовое масло плюс каустическая сода при нагревании дают глицерин и натриевое мыло. Для получения мыла при изготовлении консистентных смазок применяют самые разнообразные животные и растительные жиры. Еще шире выбор минеральных масел разных сортов и разной вязкости в качестве второго компонента консистентных смазок.
Поведение консистентной смазки в различных условиях использования зависит от характера ее основы – мыла. Чаще всего применяются консистентные смазки на кальциевой или натриевой основе. Для особых условий выпускаются также консистентные смазки других типов – на алюминиевой, свинцовой и литиевой основах.
Кальциевые консистентные смазки.
Консистентные смазки на кальциевой основе, обычно называемые солидолами, широко применяются для смазывания подшипников скольжения, трансмиссионных валов, скользящих поверхностей и слабонагруженных шарикоподшипников, работающих при низких скоростях. Они имеют однородную структуру полутвердого жира. Замечательной особенностью кальциевой консистентной смазки является стойкость по отношению к воде, что делает ее пригодной для смазывания валов водяных насосов и подшипников на «влажной» стороне бумагоделательных машин. Ранее такие смазки считались непригодными для использования при температурах выше 80° С, но в настоящее время имеются высокотемпературные кальциевые консистентные смазки.
Натриевые консистентные смазки.
Такие смазки могут иметь разную структуру – от однородной до волокнистой. Температура плавления (термического разложения) некоторых натриевых консистентных смазок превышает 200° С. Эти смазки особенно подходят для тяжелонагруженных колесных подшипников и других контактных пар, в которых они подвергаются интенсивному круговому перемешиванию и воздействию повышенных температур.
ВЫБОР СМАЗОЧНОГО МАТЕРИАЛА
При выборе смазочного материала следует в первую очередь учитывать рабочую температуру, температуру атмосферного воздуха, давление и зазор между трущимися поверхностями, скорость движения, материал и характер поверхностей, присутствие влаги, допустимость протечек и тип смазочной системы. Смазочный материал должен образовывать сплошную пленку между трущимися деталями, выдерживать давление, возникающее в зазоре, сопротивляться коррозии и воздействию воды, окислению и карбонизации, не иметь излишней летучести, сохранять текучесть при пониженных температурах, выдерживать большие скорости поступательного и вращательного движения, не давать большой утечки, быть химически инертным, характеризоваться минимальными потерями на жидкостное трение и обеспечивать экономичное смазывающее действие как в отношении срока замены смазки, так и в том, что касается долговечности механического оборудования.
В общем, наиболее желательна смазка типа дистиллятного минерального масла (без присадок) с низкой вязкостью. К вязким маслам, консистентным и компаундированным смазкам с присадками и специальным смазочным материалам приходится прибегать в тех случаях, когда наилучшее минеральное масло с низкой вязкостью не обеспечивает удовлетворительной смазки при рабочих условиях. См. также АВИАЦИОННАЯ СИЛОВАЯ УСТАНОВКА; ДВИГАТЕЛЬ ТЕПЛОВОЙ; АВТОТРАНСПОРТ; НЕФТЬ И ГАЗ.
Олейко Ф.А. Математическая теория трения. Минск, 1971
Мур Д. Основы и применения трибологии. М., 1978
Труды Американского общества инженеров-механиков, Проблемы трения и смазки. М., 1987–1989