Одержання та переробка нафтопродуктів (стр. 9 из 17)
У будь-якій машині є деталі, які переміщуються відносно один одного по контактуючим поверхням, при цьому у зоні взаємодії поверхонь виникають контактні сили, названі силами тертя. На подолання сил тертя витрачається більше 20% корисної роботи. Величина втрат на тертя розподіляється наступним чином: поршневі кільця і поршень – циліндри – близько 67% загальних втрат, підшипник колінчастого валу – вал – близько 25%, газорозподільний механізм – близько 8%.
Поняття про тертя і спрацювання
За характером взаємопереміщення тертьових деталей розрізняють такі види тертя: покою – тертя двох тіл при попередньому зсуві і тертя руху – тертя двох тіл, що знаходяться у відносному русі.
Розрізняють тертя зовнішнє і внутрішнє. Зовнішнє – коли два тіла переміщаються відносно один одного, стикаючись своїми зовнішніми поверхнями, внутрішнє – коли елементи структури одного і того ж тіла (рідини, газу і т.п.) переміщаються відносно один одного.
У залежності від характеру відносного переміщення деталей розрізняють тертя ковзання і тертя кочення, а по наявності мастильного матеріалу існують такі режими тертя (рис. 1):
- із мастильним матеріалом на тертьових поверхнях – рідинне (в) і граничне (б) тертя;
- сухе – це тертя тіл при відсутності на поверхнях уведеного мастильного матеріалу (а).
- змішане – рубіжний режим між тертям із мастильним матеріалом і сухим (г).
Рідинне тертя – це коли тертьові поверхні розділені шаром мастильного матеріалу, в якому виявляються його об'ємні (в’язкістні) властивості.
Граничне тертя – це коли тертьові поверхні розділені тонкими плівками (до 0,1 мкм) мастильного матеріалу, з властивостями на відмінну від об'ємних. Режим граничного тертя хитливий. Якщо граничний шар руйнується, то навантаження перевищує сили зчеплення і у місці контакту виникає сухе тертя.
Таким чином, товщина мастильного шару та його характер визначає вид змащення і, тим самим, вид тертя.
Рис. 1. Види тертя по наявності мастильного матеріалу:
а – сухе (без змащення), б – граничне; в – рідинне; г – змішане:
Під граничним змащенням, відповідно до міжнародного стандарту ISO4378/3, розуміється вид змащення, якому не можуть бути приписані об'ємні в’язкостні властивості мастильного матеріалу. При цьому товщина і міцність масляної плівки залежать від складу масла і вхідних до нього присадок, хімічної структури і стану поверхні тертя. У цьому випадку шар масла співставляється із розмірами молекул мастильного матеріалу. Наявність граничної плівки знижує сили тертя у порівнянні із сухим тертям у 2…10 раз і зменшує знос поверхонь у сотні разів.
Розрізняють масляні плівки фізичного походження (адсорбція) і хімічного (хемосорбція) (див. рис. 1).
Тому, при граничному терті поверхні завжди покриті адсорбційним шаром поверхнево і хімічно активних речовин, які присутні у маслах.
Створення мастильних плівок силами адсорбції обумовлюється наявністю у мастильних матеріалах поверхнево-активних речовин, які несуть електричний заряд. Молекули мастильного матеріалу орієнтуються перпендикулярно до твердої поверхні, що дозволяє схематично уявити для наочності граничну плівку у виді «ворсу» (рис. 2).
 |
Рис. 2. Схема утворення граничних плівок
Електрозаряджені (полярно-активні) молекули притягуються до поверхні металу, утворюючи плівку завтовшки в одну молекулу, на яку нарощуються нові шари.
Таким чином, при граничному терті поверхні розділені плівкою мастильного матеріалу, який складається з декількох шарів молекул. При взаємному переміщенні поверхонь тертя «ворсинки» начебто вигинаються у протилежні сторони, так як молекули з однойменними зарядами відштовхуються. Здатність мастильних матеріалів, що містять поверхнево-активні речовини, утворювати на змащених поверхнях достатньо міцні шари орієнтованих молекул, називається маслянистістю або змащувальною здатністю масла. Маслянистість оцінюють, в основному, по коефіцієнту тертя: чим він менше – тим вище маслянистість. Однак, змащувальна здатність стрімко падає з підвищенням температури, коли сили міжмолекулярної взаємодії стають слабшими.
Режим граничного тертя дуже нестійкий. У реальних умовах дуже важко розділити рідинне та граничне тертя. При зменшенні швидкості руху, збільшення навантаження «масляний клин» стає тонкішим, зменшуються висоти нерівностей, що призводить до місцевого контакту мікровиступів, розділених тільки граничною плівкою.
При подальшому збільшенні навантаження може виникнути сухе тертя з задирками поверхонь.
Рідинне змащення характеризується тим, що труться поверхні, розділені шаром рідкого мастильного матеріалу, який знаходиться під тиском.
Стійкість мастильного шару, необхідного для рідинного тертя, залежить від наступних факторів: конструкції вузла тертя, швидкості взаємного переміщення тертьових поверхонь, питомого тиску на них, в'язкості мастильного матеріалу, площі тертьових поверхонь, величини зазору між ними та інші. При рідинному змащенні опір руху визначається внутрішнім тертям (в'язкістю) рідини. Цей режим тертя з властивими йому досить малими коефіцієнтами тертя є оптимальним для вузла тертя з погляду втрат енергії, довговічності і зносостійкості вузла. Сила тертя при рідинному змащенні не залежить від природи тертьових поверхонь. При цьому, коефіцієнт тертя знаходиться у межах 0,001…0,01, тобто у 10…100 разів менше у порівнянні з коефіцієнтом тертя без змащення.
Вище розглянуті залежності ілюструються процесами, зображеними на рис. 3.
У стані спокою вал опирається на вкладиш (див. рис. 3, а), між ними є найтонша адсорбована масляна плівка, а зазор у сполученні відсутній. При обертанні адсорбовані на поверхні вала частки масла починають обертатися разом з ним, захоплюючи за собою все нові і нові шари, нагнітаючи їх у звужений зазор, що призводить до підвищення тиску, під дією якого вал як би спливає (див. рис. 3, б). У цьому випадку вал і вкладиш підшипника розділені тонким шаром (nmin). Між ними утворюється масляний клин.
Зі збільшенням частоти обертання вала у підшипнику зростає тиск у масляному клині, вал, трохи зміщуючись убік обертання, ще більше піднімається на масляній подушці (див. рис. 3, в).
Рис. 3. Утворення масляного клину при обертанні вала у підшипнику:
О1 – центр вала, О2 – центр вкладиша підшипника
При нескінченно великій частоті обертання вала (див. рис. 3, г), центр вала сполучається з центром підшипника. Звичайно, у реальних умовах експлуатації машин такого тиску не буває.
Суть і закони поведінки масла при рідинному терті розроблені професором М.П. Петровим у 1882 р. і потім підтверджені і розвинуті у працях академіка М.Е. Жуковського та С.А. Чаплигіна, а також дослідженнями радянських вчених М.І. Мерцалова, А.К. Дячкова, А.І. Петрусевича, Б.І. Костецького, І.В. Крачельського та інших.
М.П. Петров, беручи за основу закон Ньютона (тертя рідких тіл у підшипниках, підкоряється закону гідродинаміки), запропонував для практичного користування таку спрощену формулу рідинного тертя:
де F – сила рідинного тертя, Н;
h – динамічна в’язкість, Нс/м2.
s – площа стискання тертьових поверхонь, м2;
v – відносна швидкість переміщування поверхонь, м/с;
h – товщина шару масла, м.
На підставі експериментального вивчення режимів роботи підшипників ковзання професором М.П. Петровим була створена гідродинамічна теорія тертя і запропонована наступна формула для визначення коефіцієнта рідинного тертя:
де Рм – питомий тиск на підшипник, Н/м2.
Мінімальна величина мастильного шару у циліндричному підшипнику визначається за формулою.
де с – коефіцієнт, який залежить від розмірів підшипника.
Для забезпечення рідинного тертя мінімальна товщина мастильного шару повинна бути більше, ніж сумарна висота мікровиступів на поверхнях тертя (див. рис. 1, в):
hmin ≥ 1,5 (Rz1+ Rz2),
де Rz1, Rz2 – максимальна висота мікровиступів поверхонь тертя.
Згідно гідродинамічній теорії, при роботі підшипника коефіцієнт рідинного тертя лінійно залежить від значень (h·ν/Рм – критерій Зоммерфельда) і ілюструється діаграмою Герсі (рис. 4). Фактор (h·ν/Рм)є характеристикою режимів тертя при напіврідинному і рідинному змащенні.
На діаграмі (див. рис. 4) лінія а-а, що минає через точку мінімуму коефіцієнта тертя, розділяє області тертя при рідинному та іншому виду змащення. При зменшенні числа Зоммерфельда, коефіцієнт тертя набуває нелінійного характеру (відрізок а-b). Цей відрізок характеризує режим тертя при граничному і напіврідинному змащенні. Крапка с визначає границю між гідродинамічним змащенням і тонкою плівкою, яка відповідає граничному змащенню і є кінцевою метою при розрахунку тертя і змащення деталей машин.
При подальшому зменшенні числа Зоммерфельда (коли збільшується тиск і знижується в'язкість масла і швидкість ковзання) можуть реалізовуватися тільки режими напівсухого або сухого тертя, де має місце висока ймовірність появи заїдання тертьових поверхонь деталей.
Режими напівсухого і сухого тертя реалізуються при аварійних умовах експлуатації і супроводжуються пошкодженням поверхонь тертя.