В современной механике подшипник качения не всегда является оптимальным решением. Иногда требуются надежные и недорогие опоры, способные работать с максимально высокими частотами вращения, выдерживать вибрации и удары, а также применяться там, где возможна только установка разъемных опор. Как следует из названия, эти изделия используют в работе трение скольжения, которое принципиально отличается от трения качения.
Подшипники скольжения и виды трения
Принято считать, что трение при отсутствии смазочного материала в подшипниках не встречается. Но это чисто теоретический случай, встречающийся в практике очень редко, поэтому рассматривать мы его не будем. Существует несколько видов трения, которые встречаются в подшипниках скольжения:
• Жидкостное;
• Полужидкостное;
• Сухое;
• Полусухое.
В подшипниках скольжения полусухое трение характерно для неустановившихся режимов работы узла, а также в том случае, если в нем находится очень ограниченное количество смазки. При сухом, а также полусухом трении коэффициент находится в небольшом диапазоне от 0,1 до 0,5.
В большинстве случаев подшипники такого типа эксплуатируются в условиях полужидкостного трения. Для него характерно разделение поверхностей тонким слоем смазки, но также допускается и соприкосновение отдельных участков поверхностей. Коэффициент трения в таких случаях составляет 0,008-0,08.
При трении жидкостного типа смазка полностью разделяет поверхности, а трутся между собой только слои смазочного материала. Коэффициент в этом случае минимальный – от 0,001 до 0,008. Но в таких условиях могут функционировать далеко не все подшипники скольжения. Для жидкостного трения изготавливают особые высокоточные узлы, способные работать лишь при небольших нагрузках. Зато скоростной режим таких опор максимален из-за чего их широко применяют в промышленных шлифовальных станках.
Трение скольжения и режимы работы подшипников
Подшипники с жидкостным трением очень требовательны к режиму работы. Снижение количества оборотов, повышение нагрузки или воздействие высокой температуры способны нарушить их функциональность. Эти факторы могут перевести жидкостное трение в полужидкостное, а в отдельных случаях и в экстремальное для таких устройств полусухое.
В подшипниках с жидкостным трением нагруженная цапфа, при неработающем механизме, лежит на вкладыше. При изготовлении этих деталей учитывают специфику их работы, поэтому расточка вкладыша всегда больше диаметра шипа или цапфы. Когда цапфа начинает свое вращение, смазочная жидкость, прилипая к поверхностям, устремляется в щель между цапфой и вкладышем. При высокой скорости вращения давление в жидкости повышается, уравновешивая радиальную нагрузку на цапфу. Это приводит к тому, что она всплывает и перестает касаться вкладыша. Для реализации жидкостного трения важно соблюдение еще одного условия – несущий слой жидкости должен полностью покрывать все неровности на поверхностях деталей, как цапфы или шипа, так и вкладышей.
Жидкостный режим непрерывно поддерживается из-за того, что вращающаяся цапфа непрерывно нагнетает в зазор жидкость. В процессе работы опорного узла ось цапфы несколько смещена в сторону вращения. Жидкостный режим по праву считается самым благоприятным для подшипника скольжения, так как при нем практически отсутствуют потери энергии на трение, а также износ элементов механизма.
Трение жидкости имеет важную особенность – при уменьшении зазора между цапфой и вкладышами увеличивается несущая способность масла и подшипник становится более грузоподъемным. Но уменьшение зазора влечет за собой существенное повышение точности изделия и дополнительные требования к монтажу. Кроме этого снижается охлаждающий эффект от присутствия в детали смазки и появляется вполне реальный риск перегрева подшипника. Также существует зависимость грузоподъемности такого подшипника от скорости. Даже при существенном зазоре возможно добиться высокого давления смазки вокруг цапфы, если увеличить частоту ее вращения.
При расчете подшипника скольжения с жидкостным трением принято учитывать такой параметр как его длина. Чем длиннее подшипник, тем меньше вероятность вытекания смазочного материала через торцы детали. Логично было бы предположить, что увеличение длины благотворно влияет на несущую способность жидкости, но тут есть один важный нюанс. При большой длине втулок гораздо выше вероятность того, что цапфа деформируется и прорвет смазочный слой, обеспечивающий жидкостное трение.
В связи с этой особенностью принято считать, что для подшипника такого типа как слишком малое, так и очень большое отношение диаметра к длине являются нежелательными. Также известно, что отрицательно влияют на качество работы такого узла отклонения от правильной геометрической формы его элементов. Овальность, бочкообразность, конусность – эти дефекты цапфы или вкладышей влияют на размер зазора в подшипнике, что в разных режимах его работы создает различные угрозы нормальному функционированию. Точность размеров всех трущихся деталей – это важное требование к подшипникам скольжения, независимо от принципа их работы.
На эффективность жидкостного трения влияет высота неровностей на трущихся деталях. Чем она больше, тем сложнее установить оптимальный режим работы узла. Поэтому изделия, предназначенные для использования с таким трением, подвергаются особо тщательной обработке. Когда трение полужидкостное, то выступы материала разрывают слой смазки и это приводит к увеличению коэффициента трения. Считается, что полужидкостное трение – это комбинация жидкостного и граничного взаимодействия. При этом под граничным трением понимают контакт между поверхностями с крайне тонкой разделительной пленкой смазки. А вот полусухое трение – это уже сочетание граничного трения с сухим.
И в полужидкостном, и в полусухом режиме трения важную роль играют используемые для изготовления узла материалы. Оптимальное сочетание трущейся пары обеспечивает стойкость к истиранию и сводит к минимуму риск заедания в процессе работы. Как ни странно, но при жидкостном трении правильный выбор материалов также играет большую роль. Это связано с тем, что подшипники скольжения с жидкостным трением в момент запуска и перед остановкой на некоторое время находятся в режиме полужидкостного трения, когда неровности поверхностей цапфы и вкладышей разрывают слой смазки и соприкасаются.
Еще один значимый в этом случае фактор – оптимальный температурный режим. Повышение этого показателя почти всегда говорит о нарушении режима работы узла. Выделение тепла связано с процессом трения, который очень нежелателен в жидкостном режиме и допускается в небольших пределах в полужидкостном и полусухом трении. Нужно помнить, что адсорбирующие масляные пленки стремительно теряют свою прочность при нагревании. Это ставит под угрозу нормальную работу узла вращения – в полужидкостном и полусухом трении нагревание приводит выплавлению материала из которого изготовлен вкладыш и последующему заеданию подшипника скольжения.