Смазка
авиационного
двигателя

DjVu

      ПОНЯТИЕ О ТРЕНИИ
      Трение может быть охарактеризовано, как сопротивление, возникающее на поверхности одного тела, движущегося по поверхности другого тела.
      Трение уменьшает полезное действие движущей силы, вызывает нагревание и изнашивание трущихся частей.
      Общая потеря энергии на механические потери (трение, работа насоса, привод агрегатов) в авиационном двигателе достигает 3 — 5% от энергии, внесенной с топливом. Энергия, затрачиваемая па трение, при этом распределяется следующим образом:
      1) степкя цилиндра и поршень — 60%;
      2) подшипники коленчатого вала — 30%;
      3) подшипники кулачкового валика и остальные трущиеся механизмы — 10%.
      Различают два основных вида трепня:
      а) трение скольжения — или треиие первого рода — когда тела соприкасаются по конечной поверхности (пример такого рода трепия — трение поршней в цилиндрах, а также трение обыкновенных скользящих подшипников);
      б) треиие качения — или трение второго рода — для круглых или шарообразных тел, когда тела соприкасаются или в одной точке, или линией (примером такого рода трения является трение в шариковых и роликовых подшипниках).
      . Явление треиия очень сложно, оно обусловлено многочисленными факторами, среди которых играют существенную роль силы сцепления, возникающие между частицами соприкасающихся тел. Вследствие этого явления трения] изучаются преимущественно экспериментальным путем.
     
      ТРЕНИЕ СКОЛЬЖЕНИЯ
      Для суждения о величине трения скольжения необходимо зиать коэфи циент трения. Коэфициейт тренш. представляет собой отношение силы, потребной для преодоления трепия, к весу или нагрузке, испытываемой трущимися поверхностями. Коэфд-циепт трепия может быть определен с помощью устройства, изображенного на черт. 1.
      Черт. 1. Устройство для определения коэфициента трения скольжения.
      На столе 1 укрепляется исследуемая трущаяся поверхность, по которой должно двигаться тело 2 посредством веревкн 3, перекинутой через блок и привязанной к чашке 4; на чашку накладываются гири до тех пор, пока после легкого толчка тело 2 не начнет двигаться; делением веса гирь Р на вес тела Ж получают коэфициент трения р.
     
      ТРЕНИЕ КАЧЕНИЯ (трение II рода)
      Трение качения, как и трение скольжения, было изучено Кулоном, пользовавшимся для этой цели прибором, изображенным на черт, 2.
      Черт. 2. Устройство для определения коэфициента трения качения.
      На два уиора А и В кладутся две полосы из испытуемого материала, а перпендикулярно к их длине — тщательно изготовленный цилиндр 00, также из испытуемого материала»
      Через цилиндр перебрасывается гибкий шнур с двумя чашками одинакового веса, на которые кладутся два одинаковых груза»
      Каток останется в покое и будет оказывать на обе опоры давление, равное весу его плюс 2 Q.
      Если прибавлять на одну чашку гирн, то при некотором дополнительном .г грузе q цилиндр 00 покатится равномерно в направлении упоров А и В.
      *
      Из этого можно сделать вывод, что добавочный груз q уравновешивает силу трения.
      На основании подобного опыта была выведена следующая зависимость между коэфициентом трения р„ давлением на каток N и движущей силой Р (равной и прямо противоположной силе трения) и диаметром катка I).
      Отсюда можно сделать заключение, что сила трения качения:
      1) прямо пропорциональна нормальному давлению (Лг),
      2) обратно пропорциональна диаметру катка,
      3) зависит от материала соприкасающихся тел и от их обработки (так как от этого зависит величина коэфициента трения p-j).
      В отношении размерности коэфициента трения качения, необходимо обратить внимание, что он выражается в единицах длины.
      Это существенно отличает рассматриваемый коэфициент от коэфициента трения скольжения, который является величиной отвлеченной.
      На табл. 2 приводятся средние значения коэфициента трения качения для различных условий качения.
      Таблица 2. Значение коэфициента тречмя качения
      В шариковых и роликовых иодпшониках трение обычно не зависит от смазки и оно бывает обычно ниже, чем у лучших подшипников скользящего типа.
      На табл. 3 даются приблизительные величины коэфициента трепия.
      Таблица 3. Приблизительные величины коэфициента трения
      Значения коэфициентов трения, приведенные в этой таблице, являются кинетическими величинами, относящимися к поверхностям, находящимся в движении.
     
      СРАВНЕНИЕ МЕЖДУ СОБОЙ ТРЕНИЯ СКОЛЬЖЕНИЯ И ТРЕНИЯ КАЧЕНИЯ
      Из сопоставления между собой обоих видов трения можно вывести заключение, что условия работы материала в обоих случаях различны.
      При скольжении точки одного тела перемещаются относительно соприкасающихся с ними точек другого тела. При качении же можно допустить , что соприкасающиеся частицы не перемещаются одна относительно другой.
      Отсюда можно сделать вывод, что изнашивание трущихся поверхностей больше в нервом случае, чем во втором.
      Самая же существенная разница заключается в потере энергии, которую влечет за собой каждый из обоих видов трения.
      Рассмотрим это на примере. (...)
      Таким образом ясно видно, что движущая сила, приложенная к окружности цилиндра, в нервом случае больше в = 15 раз, чем во втором.
      Само собой понятно, что это отношение движущих сил не остается постоянным, так как F2 зависит от диаметра катящегося ролика.
      Благодаря экономии в расходе энергии, которую дает трение качения по сравнению с трением скольжения, нм охотно пользуются во всех случаях машиностроения. После сказанного легко попять, почему шариковые и роликовые подшипники выгоднее по сравнению с обыкновенным скользящим подшипником.
      Для примера приведем коэфицненты трения соответствующих подшипников.
      Для шарикового подшипника со стальными закаленными шариками коэфициент трения, как показали опыты, составляет = 0,0015, чему соответствует сила трения (...)
     
      СУХОЕ ТРЕНИЕ
      Сухое трение происходит между двумя движущимися твердыми поверхностями, когда между ними отсутствует какое-либо промежуточное смазочное вещество.
      Основные законы сухого трения были установлены в конце XVIII столетия (1781 г.) Кулоном.
      Из опытов, производившихся нм на вышеописанных приборах, были определены коэфициенты трения для различных материалов и установлены следующие законы;
      1) сила трения в покое больше, чем в состоянии движения;
      2) сила трения прямо пропорциональна нагрузке на трущиеся поверхности;
      3) сила трения не зависит от величины трущихся поверхностей (если последние не слишком малы);
      4) сила трения не зависит от скорости движения одной поверхности относительно другой;
      5) сила трения зависит от состояния трущихся поверхностей, а именно: трение между гладкими и шлифованными поверхностями меньше, чем между шероховатыми поверхностями, и меныпе мезкду разнородными металлами, чем между однородными металлами.
      Эти законы относятся к трению скольжения и качения.
      Введением промежуточного вещества между трущимися поверхностями, твердого (например графит, тальк) или жидкого маслянистого, сухое орение может быть превращено в полусухое, полужидкостное или жидкостное.
      К трению качения (шариковые и роликовые подшипники) эти положения не относятся.
     
      ПОЛУСУХОЕ И ПОЛУЖИДКОСТНОЕ ТРЕНИЕ
      Полусухое и полужидкостное трение являются видами трения скольжения.
      Полусухое трение происходит в том случае, когда поверхности тел смочены каким - либо смазочным веществом; при этом непосредственное соприкосновение частиц твердых тел происходит между собой на большей части поверхности трения и лишь местами поверхности твердых тел разделены тончайшим слоем смазочного вещества.
      Полужидкостное трение происходит при смазанных поверхностях твердых тел в том случае, когда на большей части поверхности трения твердые тела разделены хотя бы тончайшим слоем смазки и лишь местами этот слой смазки вытеснен и твердые тела прикасаются непосредственно.
      Полусухое трение приближенно подчиняется законам Кулона. Полу-жидкоетное тренне частично подчиняется закону Кулона, частично же законам жидкостного трения.
      Строгой разницы между полусухим н иолужидкостным трением не существует; оба вида трения надо рассматривать как промежуточные между жидкостным н сухим.
      Полусухое трение допустимо лишь в моменты -«арогапия с места, т. е. в моменты, когда относительная скорость трущихся поверхностей еще близка к нулю и смазка не успела расположиться по всей поверхности.
      Когда поверхности находятся некоторое время в покое, то масляный слой более или менее выжимается, и тогда возникнет некоторое соприкосновение металлических поверхностей между собой. В результате этого усилие, потребное для приведения в движение машины, значительно больше, чем для получения того же эффекта но время движения; в действительности коэфициент трения покоя значительно больше, чем в состоянии движения, и весьма приближается к значению при сухом трении.
      Если скорость трущихся поверхностей очень мала, то величина кинетического коэфициента трения может быть даже больше, чем статического значения, так как н этом случае к сухому трению прибавляется еще сопротивление, создаваемое присутствием смазки, ибо скорость столь мала, что смазка не может создать сколько-нибудь существенного разделения трущихся поверхностей.. Когда скорость увеличивается н смазка начинает занимать сплошной слой, сухое трение быстро уменьшается и кинетический коэфициент тоже уменьшается, до тех пор пока не образуется постоянный слой смазки.
      Высокой величиной статического коэфициента трения объясняется большое усилие, требующееся при запуске двигателя для проворачивания коленчатого вала. Это является одним из оснований для употребления шариковых и рожковых подшипников.
      Коэфициент трепия покоя зависит главным образом от:
      1) состояния и твердости поверхностей — он ниже для твердых и гладких поверхностей, чем для мягких и шероховатых;
      2) давления между поверхностями — чем больше давление, тем сильнее выдавливание смазки;
      3) продолжительности пребывания поверхностей в состоянии покоя — чем больше была остановка, тем больше вероятия выжимания смазки
      4) природы смазки.
      Твердые смазки, подобные графиту, не выжимаются от давления.
      Полужидкие смазки не могут вытесняться совершенно давлением поверхностей на время остановки, это представляет их большое преимущество по сравнению с маслами, что может иметь иногда важное значение.
      Минеральные масла вытесняются ночти совершенно, но опыт показывает, что растительные и животные масла или компаундированные с последними минеральные масла оставляют тонкую иленку между поверхностями и что поэтому статический коэфицнент трения у таких масел значительно ниже, чем у чистых минеральных масел.
      В результате не только уменьшается пусковое усилие, но и понижается изнашивание, зависящее от истирания металла в первые моменты после пуска в ход.
      Полужидкостное трение встречается в условиях малой скорости движения и больших давлений; в некоторых случаях при невозможности придания детали иной конструкции с полужидкостным трением приходится мириться.
      В стабильном состоянии нормально во всех трущихся частях двигателя должно иметь место жидкостное трение.
     
      ЖИДКОСТНОЕ ТРЕНИЕ
      Жидкостное трение происходит тогда, когда между трущимися поверхностями имеется смазочный слой, разделяющий поверхности настолько, что между ними нет абсолютно никакого соприкосновения и масляная пленка при любых условиях рабочих скоростей, давлений и температур не выжимается.
      Законы, которым подчиняется жидкостное трение, совершенно иные, чем законы сухого трения. Они отличаются от перечисленных выше законов тем, что в них будут участвовать скорости перемегцения поверхностей и величины площадей трущихся поверхностей. В результате испытаний были найдены следующие законы трения смазанных поверхностей:
      1) сила трения прямо пропорциональна илощади слоя смазочного материала;
      2) сила трения пропорциональна линейной скорости относительного движения двух смазываемых поверхностей;
      В) сила тления обратно пропорциональна толщине смазочного слоя;
      4) сила трения практически не зависит от давления, производимого
      на слой смазочного вещества, если только слой будет постоянной
      площади, толщины и вязкости;
      5) сила трения прямо пропорциональна вязкости масла, применяемого для смазки;
      6) потеря смазочного материала, вытекающего нз пространства между движущимися частями, прямо пропорциональна давлению на единицу площади и обратно пропорциональна вязкости (особенно при больших зазорах в подшипниках); при смазанных поверхностях трепие зависит исключительно от трения частиц масла. Коэфициент тренпя при этом иолучаетея значительно меньше, чем в случае сухого или полусухого трепия.
      При жидкостном тренни наблюдается следующее явление: слон масла, находящиеся в непосредственном соприкосновении с поверхностями, находятся в покое, а отстоящие от них последующие слои двигаются тем быстрее,
      чем ближе они к середине масляного слоя.
      Наибольшей относительной скоростью обладают два слоя, расположенные по обе стороны от средней липни и двигающиеся в противоположные стороны (черт. Б).
      Состояние жидкостного трения надо признать идеальным. Нормально приходится сталкиваться с полужидкостным трением, когда поверхности трения разделены тончайшим слоем смазкн, но местами этот слон жидкости вытеснен н поверхности все же соприкасаются непосредственно.
      Характер жидкостного трения существенно отличен от сухого трения. Если при сухом трении износ весьма значительный, то при жидкостном трении он почти совершенно отсутствуете Если при сухом трении затрата энергии на ирсодоление трепня весьма значительна, то при жидкостном трении она составляет 10% сухого тренпя. При сухом трении температура трущихся тел повышается иногда настолько, что тела твердые начинают плавиться; при жидкостном трении нагревание трущихся поверхностей весьма незначительно.
      Проф. Петров (1888 г.) первый нашел формулу для жидкостного трения применительно к трущимся поверхностям в машинах.
      Основная формула проф. Петрова выражается в следующем виде: (...)
      Исходя из предположения, что между двумя Движущимися относительно друг друга поверхностями находится слой жидкости такой толщины, что поверхности не соприкасаются, мы не можем себе представить этого движения, не допустив, что происходит:
      1) скольжение отдельпых слоев жидкости друг по другу и
      2) скольжение слоев жидкости, непосредственно прикасающихся к поверхностям твердых тел, по этим поверхностям.
      Подобное скольжение нельзя себе представить иначе, как нарушение существующей взаимной связи между отдельными частицами жидкости и частицами поверхности тела.
      Многочисленные опыты показали, что взаимная связь между отдельными частицами жидкости во много раз слабее, чем связь между частицами жидкости и поверхностью твердого тела. Последняя связь, иначе называемая силой щтлипстпя, или липкостью, у смазочных масел настолько велика, что предположение о скольжении частиц масла по поверхности совершенно исключается. Таким образом остается лишь скольжение частиц жидкости друг по другу.
      Скольжение это однако совершается не беспрепятственно, так как оно связано с нарушением внутреннего сцепления между жидкими частицами; при таком скольжении возникает внутреннее трение.
      Законы внутреннего трения жидкости были впервые изучены Ньютоном (1643 — 1727 г.).
      Величина внутреннего трення жидкости характеризуется ее густотой иди, что то же самое, ее вязкостью.
      Для количественной оцепкн вязкости существуют два понятия: абсолютная вязкость и вязкость относительная.
      Под абсолютной вязкостью понимают силу (в кг), потребную для передвижения слоя жидкости площадью в 1 м3 относительно другого такого же слоя, отстоящего от первого на расстоянии 1 м, со скоростью в 1 м/сек.
      Абсолютная вязкость практически может оцениваться, как время истечения жидкости через капилляр в специальном приборе.
      Под относительной вязкостью понимают отиошение времени истечения определенного объема данного масла (при заданной температуре) ко времени истечения того же объема воды при 20°. Определение относительной вязкости производится на стандартном приборе (вискозиметре) Энглера, описание которого будет дано ниже.
      В отношении скорости необходимо сделать следующее пояснение. Если мы возьмем вал, вращающийся в подшипнике, то в спокойном состоянии взаимное положение вала и подшипнпка будет таковым, как указано на черт. 4, т. е. вал под влиянием своего веса будет лежать на нижней части внутренней поверхности подшипника. Но как только вал придет в движение, то он займет положение, указанное на черт. 5, причем во время своего вращения он будет захватывать с собой масло, заполняющее зазор, и вгонять его в место соприкосновения с вкладышем подшипника. Таким образом между валом и подшипником создастся слой смазки, который сможет более или менее нацело отделять друг от друга трущиеся поверхности. Чем больше будет скорость вращения вала, тем сильнее масло будет загоняться в зазор между валом и подшипником и тем толще будет слой смазки. На толщину слоя смазки в зазоре оказывает влияние вязкость масла. Чем она выше, тем слой масла в зазоре толще, но вместе с тем придется затрачивать больше энергии на преодоление сцепления частиц масла. При большой скорости нет надобности в применении густых масел, а наоборот для уменьшения сопротивления трения требуется применять масла из четырех величин, входящих в выражение коэфициента трения, первая величина Z — абсолютная вязкость — зависит исключительно от свойств смазочного материала, изменяясь только с температурой подшипника;
      вторая величина V — относительная скорость трущихся поверхностей в м/сек — зависит от кинематических условий работы данного механизма и большей частью является наперед заданной н постоянной величиной;
      третья величина рт — удельное давление н т/м.2 — зависит тоже от конструктивных условий и большею частью является наперед заданной постоянной величиной;
      четвертая величгта. h — толщина масляного слоя — есть функция многих переменных; она находится в зависимости не только от трех величин (Д V и рт), но еще н от самой конструкции трущихся деталей и от их относительного расположения.
      Имея в виду лишь общий вид формулы трения, рассмотрим сначала> какое влияние на коэфициент трения при постоянной вязкости оказывает изменение скорости и удельного давления. Это позволит понять самый процесс скользящего трения н отметить в нем некоторые характерные моменты.
      В первую очередт. выясняй влияние изменения скорости и скольжения на коэфициент трения.
      Многочисленные опыты по этому вопросу проделаны проф. Р. Охрнбвк над вращающимся в подшипнике валом.
      Черт. 6 показывает изменение коэфициента трения с изменением числа оборотов вала или соответственно скорости скольжения.
      Рассматривая кривую, видим что, несмотря на то, что переменной величиной является одна лишь скорость, коэфициент трения изменяется не по закону прямой, а по какой-то кривой. Это ясно указывает о влиянии на характер кривой четвертой величины, а именно толщины масляного слоя h.
      Толщина слоя, как показал опыт, с уменьшением скорости также уменьшается, но вместе с уменьшением скорости меняется взаимное расположение вала и подшипника, что также влияет на величину коэфициента трения.
      Из черт. 6 видно, что коэфициент трения с уменьшением скорости постепенно уменьшается и при определенной скорости (в точке А) характер кривой меняется. ; Изменение кривизны в точке А указывает па то, что масляная пленка местами разрывается, благодаря чему трущиеся поверхности начинают приходить в соприкосновение (полужидкостное трение). Тем не менее это непосредственное соприкосновение поверхностей еще настолько незначительно, что коэфициент трения все асе продолжает падать.
      Наконец наступает момент, когда влияние сухого трения начинает преобладать, а вместе о тем трение увеличивается.
      Начиная с точки В, слой жидкости быстро теряет свою цельность, благодаря чему начинается металлическое соприкосновение, и трение приобретает характер полусухого трения.
      С уменьшением скорости кривая коэфициента трения поднимается кверху, пока при V = О она не пересечет ординату на определенной высоте, соответствующей коэфициенту полусухого треаия покоя.
      Таким образом ясно видеп более или менее плавный переход от состояния жидкостного трения к состоянию полусухого трения.
      В яоследпеы состоявши роль вязкости жидкости отходит на второй план и первенствующее значение приобретает липкость по отношению к поверхностям трения, т. е. свойство, обусловливающее прочность масляной нленки.
      В состоянии же жидкостного трепия (вправо от точки А) первенствующее значение имеет вязкость, хотя липкость также весьма существенна, так как с ее увеличением коэфициент жидкостного трения уменьшается.