When one body slides across another a resistive force must be overcome. This force is called friction. If the bodies are rigid, it is called solid friction. Solid friction may be static or kinetic—the former encountered when initiating movement of a body at rest, the latter when a body is in motion. (Distinct from solid friction is fluid friction, a normally less resistive force that occurs between the molecules of a gas or liquid in motion. As will be seen in later discussions, lubrication generally involves the substitution of low fluid friction for high solid-to-solid friction.) Causes of Solid Friction Solid, or sliding, friction originates from two widely differing sources. The more obvious source is surface roughness; no machined surface, however polished, is ideally smooth. Though modern machinery is capable of producing finishes that approach perfection, microscopic irregularities inevitably exist. Minute protuberances on a surface are called asperities, and, when two solids rub together, interference between opposing asperities accounts for a considerable portion of the friction, especially if the surfaces are rough. The other cause of sliding friction is the tendency of the flatter areas of the opposing surfaces to weld together at the high temperatures that occur under heavy loads. Rupture of the tiny bonds created in this manner is responsible for much of the friction that can occur between machine parts. On finely ground surfaces, in fact, these minute welds constitute a major source of potential frictional resistance. Factors Influencing Friction For rigid bodies in direct contact, static friction is greater than kinetic friction, that is, frictional drag is lower once a body is in motion with respect to the opposing body. Sliding friction varies only with the *Contributed by Exxon Company U.S.A., Marketing Technical Services, Houston, Texas. Reference: Form DG-5A. W force that presses the two surfaces together; it is independent of both speed and the apparent area of contact. Effect of Friction In some respects, it is very fortunate that friction exists. Without friction, walking would be impossible, and an automobile or a brake or a grindstone would be useless. On the other hand, almost all mechanisms involve the sliding of one part against another, Figure 1-2. Here, friction is quite undesirable. Work is required to overcome this friction, and the energy thus wasted entails a loss of power and efficiency. Whenever friction is overcome, moreover, dislocation of the surface particles generates heat, and excessive temperatures developed in this way can be destructive. The same frictional heat that ignites a match is what “burns out” the bearings of an engine, Figure 1-3. Additionally, where there is solid friction, there is wear: a loss of material due to the cutting action of opposing asperities and to the shearing apart of infinitesimal welded surfaces. In extreme cases, welding may actually cause seizure of the moving parts. Whether a piston ring, Когда одно тело скользит по другому, необходимо преодолеть силу сопротивления. Эта сила называется трением. Если тела жесткие, это называется трением твердого тела. Трение твердого тела может быть статическим или кинетическим — первое возникает при инициировании движения тела в состоянии покоя, второе - когда тело находится в движении. (Отличие от трения твердого тела заключается в трении жидкости, обычно меньшей силе сопротивления, возникающей между молекулами газа или жидкости в движении. Как будет показано в последующих обсуждениях, смазка обычно предполагает замену низкого трения жидкости на высокое трение твердого тела.) Причины трения твердого тела Твердое, или скользящее, трение возникает из двух сильно отличающихся источников. Более очевидным источником является шероховатость поверхности; ни одна обработанная поверхность, какой бы полированной она ни была, не является идеально гладкой. Хотя современное оборудование способно производить отделку, приближающуюся к совершенству, микроскопические неровности неизбежно существуют. Мелкие выступы на поверхности называются неровностями, и, когда два твердых тела трутся друг о друга, взаимодействие между противоположными неровностями составляет значительную часть трения, особенно если поверхности шероховатые. Другой причиной трения скольжения является склонность более плоских участков противоположных поверхностей свариваться друг с другом при высоких температурах, возникающих при больших нагрузках. Разрыв крошечных связей, созданных таким образом, является причиной значительной части трения, которое может возникать между деталями машины. Фактически, на тонко отшлифованных поверхностях эти мельчайшие сварные швы являются основным источником потенциального сопротивления трению. Факторы, влияющие на трение Для твердых тел, находящихся в непосредственном контакте, статическое трение больше, чем кинетическое трение, то есть сопротивление трению становится ниже, когда тело находится в движении относительно противоположного тела. Трение скольжения изменяется только в зависимости от * Предоставлено компанией Exxon Company U.S.A., Отдел маркетинговых технических услуг, Хьюстон, Техас. Ссылка: Форма DG-5A. W сила, которая прижимает две поверхности друг к другу; она не зависит как от скорости, так и от кажущейся площади контакта. Эффект трения В некоторых отношениях очень удачно, что трения существуют. Без трения ходьба была бы невозможна, а автомобиль, тормоз или точильный камень были бы бесполезны. С другой стороны, почти все механизмы включают скольжение одной детали по другой, рис. 1-2. Здесь трение совершенно нежелательно. Для преодоления этого трения требуется работа, и потраченная впустую энергия влечет за собой потерю мощности и эффективности. Кроме того, всякий раз, когда преодолевается трение, смещение поверхностных частиц приводит к выделению тепла, и чрезмерные температуры, возникающие таким образом, могут быть разрушительными. То же самое тепло от трения, которое воспламеняет спичку, “выжигает” подшипники двигателя, рис. 1-3. Кроме того, там, где есть твердое трение, есть износ: потеря материала из-за режущего действия противоположных неровностей и раздвигания бесконечно малых сварных поверхностей. В крайних случаях сварка действительно может привести к заеданию движущихся частей. Является ли поршневое кольцо, gear tooth, or journal is involved, the harmful effects of friction can hardly be overemphasized. One of the tasks of the engineer is to control friction—to increase friction where friction is needed and to reduce it where it is objectionable. This discussion is concerned with the reduction of friction. It has long been recognized that if a pair of sliding bodies are separated by a fluid or fluid-like film, the friction between them is greatly diminished. A barge can be towed through a canal much more easily than it can be dragged over, say, a sandy beach. Figure 1-4 should remind us of this fact. Lubrication The principle of supporting a sliding load on a friction-reducing film is known as lubrication. The substance of which the film is composed is a lubricant, and to apply it is to lubricate. These are not new concepts, nor, in their essence, particularly involved ones. Farmers lubricated the axles of their ox carts with animal fat centuries ago. But modern machinery has become many times more complicated since the days of the ox cart, and the demands placed upon the lubricant have become proportionally more exacting. Though the basic principle still prevails—the prevention of metal-to-metal contact by means of an intervening layer of fluid or fluid-like material—modern lubrication has become a complex study. LUBRICANTS All liquids will provide lubrication of a sort, but some do it a great deal bettor than others. The difference between one lubricating material and another is often the difference between successful operation of a machine and failure. Mercury, for example, lacks the adhesive and metal-wetting properties that are desirable to keep a lubricant in intimate contact with the metal surface that it must protect. Alcohol, on the other hand (Figure 1-5), wets the metal surface readily, but is too thin to maintain a lubricating film of adequate thickness in conventional applications. Gas, a fluid-like medium, offers lubricating possibilities—in fact, compressed air is used as a lubricant for very special purposes. But none of these fluids could be considered practical lubricants for the multitude of requirements ordinarily encountered. Petroleum Lubricants For almost every situation, petroleum products have been found to excel as lubricants. Petroleum lubricants если речь идет о зубе шестерни или цапфе, вредное воздействие трения трудно переоценить. Одной из задач инженера является контроль трения — увеличивать трение там, где оно необходимо, и уменьшать его там, где оно нежелательно. Это обсуждение касается уменьшения трения. Давно признано, что если пара тел скольжения разделена жидкостью или флюидоподобной пленкой, то трение между ними значительно уменьшается. Баржу можно отбуксировать по каналу гораздо легче, чем это может быть затащили, скажем, на песчаный пляж. Рисунок 1-4 должен напомнить нам об этом факте. Смазка Принцип поддержания скользящей нагрузки на пленке, снижающей трение, известен как смазка. Вещество , из которого состоит пленка, является смазкой, и наносить его - значит смазывать. Это не новые концепции и, по своей сути, не особо сложные. Столетия назад фермеры смазывали оси своих повозок, запряженных волами, животным жиром. Но современная техника стала во много раз сложнее со времен повозки, запряженной волами, и требования, предъявляемые к смазочным материалам, стали пропорционально более жесткими. Хотя основной принцип по—прежнему преобладает предотвращение контакта металла с металлом с помощью промежуточного слоя жидкости или текучеподобного материала - современная смазка превратилась в сложное исследование. СМАЗОЧНЫЕ МАТЕРИАЛЫ Все жидкости в той или иной степени обеспечивают смазку, но некоторые делают это намного лучше, чем другие. Разница между одним смазочным материалом и другим часто является разницей между успешной эксплуатацией машины и отказом. Ртути, например, не хватает адгезива и смачивающие металл свойства, которые желательны для поддержания смазки в тесном контакте с металлической поверхностью, которую она должна защищать. Спирт, с другой стороны (рис. 1-5), легко смачивает металлическую поверхность, но он слишком тонкий, чтобы поддерживать смазочную пленку достаточной толщины при обычном применении. Газ, похожий на жидкость, обладает смазывающими свойствами - фактически, сжатый воздух используется в качестве смазки для совершенно особых целей. Но ни одна из этих жидкостей не может считаться практичной смазкой для множества требований, с которыми обычно сталкиваются. Нефтяные смазочные материалы Было установлено, что практически в любой ситуации нефтепродукты превосходно подходят в качестве смазочных материалов. Нефтяные смазочные материалы stand high in metal-wetting ability, and they possess the body, or viscosity characteristics, that a substantial film requires. Though the subject is beyond the scope of this introductory chapter, these oils have many additional properties that are essential to modern lubrication, such as good water resistance, inherent rust-preventive characteristics, natural adhesiveness, relatively good thermal stability, and the ability to transfer frictional heat away from lubricated parts. What is more, nearly all of these properties can be modified during manufacture to produce a suitable lubricant for each of a wide variety of applications. Oils have been developed hand-in-hand with the modern machinery that they lubricate; indeed, the efficiency, if not the existence, of many of today’s industries and transportation facilities is dependent upon petroleum lubricants as well as petroleum fuels. The basic petroleum lubricant is lubricating oil, which is often referred to simply as “oil.” This complex mixture of hydrocarbon molecules represents one of the important classifications of products derived from the refining of crude petroleum oils, and is readily available in a great variety of types and grades. Viscosity To understand how oil enters a bearing and picks up and carries the bearing load requires an explanation of viscosity. With lubricating oils, viscosity is one of the most fundamental properties, and much of the story of lubrication is built around it. The viscosity of a fluid is its resistance to flow. Thick fluids, like molasses, have relatively high viscosities; they do not flow readily. Thinner fluids, such as water, flow very easily and have lower viscosities. Lubricating oils are available in a wide variety of viscosities, Figure 1-6. Effect of Temperature The viscosity of a particular fluid is not constant, however, but varies with temperature, Figure 1-7. As an oil is heated, its viscosity drops, and it becomes thinner. Conversely, an oil becomes thicker if its temperature is reduced, and it will not flow as rapidly. Therefore, a numerical figure for viscosity is meaningless unless accompanied by the temperature to which it applies. HYDRODYNAMIC LUBRICATION Basically, lubrication is governed by one of two principles: hydrodynamic lubrication and boundary lubrication. In the former, a continuous full-fluid film separates the sliding surfaces. In the latter, the oil film is not sufficient to prevent metal-to-metal contact. Hydrodynamic lubrication is the more common, and it is applicable to nearly all types of continuous sliding action where extreme pressures are not involved. Whether the sliding occurs on flat surfaces, as it does in most thrust bearings, or whether the surfaces are cylindrical, as in the case of journal (plain or sleeve) bearings, the principle is essentially the same, Figure 1-8. обладают высокой способностью смачивать металл и обладают плотными характеристиками, или вязкостью, которые требуются для получения прочной пленки. Хотя тема выходит за рамки этой вводной главы, эти масла обладают многими дополнительными свойствами, которые необходимы для современной смазки, такими как хорошая водостойкость, присущие антикоррозионные свойства, естественная адгезия, относительно хорошая термостойкость и способность отводить тепло от смазываемых деталей при трении. Более того, почти все эти свойства могут быть модифицируется в процессе производства для получения подходящей смазки для каждого из широкого спектра применений. Масла разрабатывались рука об руку с современным оборудованием, которое они смазывают; действительно, эффективность, если не существование многих современных отраслей промышленности и транспортных средств зависит от нефтяных смазочных материалов, а также от нефтяного топлива. Основной нефтяной смазкой является смазочное масло, которое часто называют просто “масло”. Эта сложная смесь молекул углеводородов представляет собой одну из важных классификаций продуктов, получаемых в результате переработки сырых нефтяных масел, и легко доступна в большом разнообразии типов и сортов. Вязкость Чтобы понять, как масло поступает в подшипник, воспринимает и переносит нагрузку на подшипник, требуется объяснение вязкости. С вязкость смазочных масел является одним из самых фундаментальных свойств, и большая часть истории смазки построена вокруг нее. Вязкость жидкости - это ее сопротивление течению. Густые жидкости, такие как патока, имеют относительно высокую вязкость; они не текут легко. Более тонкие жидкости, такие как вода, текут очень легко и имеют меньшую вязкость. Смазочные масла доступны в широком диапазоне вязкостей, рис. 16. Влияние температуры Однако вязкость конкретной жидкости не является постоянной, а меняется в зависимости от температуры, рис. 1-7. В качестве масло нагревается, его вязкость падает, и оно становится тоньше. И наоборот, масло становится гуще, если снизить его температуру , и оно не будет течь так быстро. Следовательно, числовое значение вязкости не имеет смысла, если оно не сопровождается температурой, к которой оно относится. ГИДРОДИНАМИЧЕСКАЯ СМАЗКА В основном смазка регулируется одним из двух принципов: гидродинамической смазкой и граничной смазкой. В первом случае поверхности скольжения разделяются сплошной жидкой пленкой . В последнем случае масляной пленки недостаточно для предотвращения контакта металла с металлом. Гидродинамическая смазка является более распространенной, и она применима практически ко всем типам непрерывного скольжения, где не задействованы экстремальные давления. Независимо от того, происходит ли скольжение по плоским поверхностям, как это происходит в большинстве упорных подшипников, или поверхности цилиндрические, как в случае цапфовых подшипников (скольжения или втулки), принцип по существу один и тот же, рис. 1-8. Hydrodynamic Lubrication of Sliding Surfaces It would be reasonable to suppose that, when one part slides on another, the protective oil film between them would be scraped away. Except under some conditions of reciprocating motion, this is not necessarily true at all. With the proper design, in fact, this very sliding motion constitutes the means of creating and maintaining that film. Consider, for example, the case of a block that slides continuously on a flat surface. If hydrodynamic lubrication is to be effected, an oil of the correct viscosity must be applied at the leading edge of the block, and three design factors must be incorporated into the block: 1. The leading edge must not be sharp, but must be beveled or rounded to prevent scraping of the oil from the fixed surface. The block must have a small degree of free motion to allow it to tilt and to lift slightly from the supporting surface, Figure 1-9. 3. The bottom of the block must have sufficient area and width to “float” on the oil. Full-fluid Film Before the block is put in motion, it is in direct contact with the supporting surface. Initial friction is high, since there is no fluid film between the moving parts. As the block starts to slide, however, the leading edge encounters the supply of oil, and it is at this point that the significance of viscosity becomes apparent. Because the oil offers resistance to flow, it is not wholly displaced by the block. Instead, a thin layer of oil remains on the surface under the block, and the block, because of its rounded edge, rides up over it. Effect of Viscosity As the sliding block rises from the surface, more oil accumulates under it, until the oil film reaches equilibrium thickness. At this point, the oil is squeezed out from under the block as fast as it enters. Again, it is the viscosity of the oil that prevents excessive loss due to the squeezing action of the block’s weight. With the two surfaces completely separated, a full-fluid lubricating film has been established, and friction has dropped to a low value. Under these conditions, the block assumes of its own accord an inclined position, with the leading edge slightly higher than the trailing edge. Fluid Wedge This fortunate situation permits the formation of a wedge-shaped film, a condition essential to fluid-film lubrication. The convergent flow of oil under the block develops a pressure—hydrodynamic pressure—that supports the block. It can thus be said that fluid-film lubrication involves the “floating” of a sliding load on a body of oil created by the “pumping” action of the sliding motion, Figure 1-10. BEARING LUBRICATION Shoe-type Thrust Bearings As was illustrated in Figure 1-9, many heavily loaded thrust bearings are designed in accordance with the principle illustrated by the sliding block. A disk, or thrust collar, rotates on a series of stationary blocks, or shoes, arranged in a circle beneath it. Each shoe is mounted on a pivot, rocker, or springs, so that it is free to tilt and to assume an angle favorable to efficient operation. The leading edge of each contact surface is slightly rounded, and oil is supplied to it from a reservoir. Bearings of the type described serve to carry the tremendous axial loads imposed by vertically mounted hydro-electric generators. Rotation of the thrust collar produces a flow of oil between it and the shoes, so that the entire weight of the turbine and generator rotors and shaft is borne by the oil film. So closely does this design agree with theory, that it is said that the babbitt facing of the shoes may be crushed before the oil film fails. Journal Bearings The hydrodynamic principle is equally ap Гидродинамическая смазка поверхностей скольжения Было бы разумно предположить, что, когда одна деталь скользит по другой, защитная масляная пленка между ними будет соскабливаться. За исключением некоторых условий возвратно-поступательного движения, это совсем не обязательно верно. При правильном дизайне, на самом деле, именно это скользящее движение является средством создания и поддержания этой пленки. Рассмотрим, например, случай блока, который непрерывно скользит по плоской поверхности. Если гидродинамический необходимо произвести смазку, на передний край блока должно быть нанесено масло нужной вязкости , и в блоке должны быть учтены три конструктивных фактора : 1. Передняя кромка не должна быть острой, но должна быть скошена или закруглена, чтобы предотвратить соскабливание масла с неподвижной поверхности. Блок должен иметь небольшую степень свободы перемещения , чтобы он мог наклоняться и слегка подниматься с опорной поверхности, рис. 1-9. 3. Нижняя часть блока должна иметь достаточную площадь и ширину, чтобы “плавать” на масле. Полнотекучая пленка Прежде чем блок приводится в движение, он находится в непосредственном контакте с опорной поверхностью. Начальное трение высокое, так как между движущимися частями нет пленки жидкости. Однако, когда блок начинает скользить, передний край сталкивается с подачей масла, и именно в этот момент значение вязкости становится очевидным. Поскольку масло оказывает сопротивление потоку, оно не полностью вытесняется блоком. Вместо этого на поверхности остается тонкий слой масла. поверхность под блоком, и блок, благодаря своему закругленному краю, поднимается над ним. Влияние вязкости По мере того как скользящий блок поднимается с поверхности, под ним скапливается все больше масла, пока масляная пленка не достигнет равновесной толщины. В этот момент масло выдавливается из-под блока так же быстро , как и поступает. Опять же, именно вязкость масла предотвращает чрезмерные потери из-за сжимающего действия веса блока. При полном разделении двух поверхностей образуется полностью жидкая смазочная пленка, а трение снижается до низкого значения. Под в этих условиях блок сам по себе принимает наклонное положение, при этом передняя кромка немного выше задней кромки. Жидкий клин Такое удачное положение позволяет образовать клиновидную пленку, что является необходимым условием для смазывания жидкой пленкой. Сходящийся поток нефти под блоком создает давление — гидродинамическое давление - которое поддерживает блок. Таким образом, можно сказать, что смазка жидкой пленкой включает в себя “плавающий” скользящий груз на масляной массе, создаваемый “насосным” действием скользящего движения, рис. 1-10. СМАЗКА ПОДШИПНИКОВ Упорные подшипники башмачного типа Как было показано на рисунке 1-9, многие сильно нагруженные упорные подшипники сконструированы в соответствии с принципом, иллюстрируемым скользящим блоком. Диск, или упорное кольцо, вращается на серии неподвижных блоков, или башмаков, расположенных по кругу под ним. Каждый башмак установлен на шарнире, коромысле или пружинах, так что он может свободно наклоняться и принимать угол, благоприятный для эффективной работы. Передний край каждой контактной поверхности слегка закруглен, и масло подается на него из резервуара. Подшипники описанного типа служат для переноса огромные осевые нагрузки, создаваемые вертикально установленными гидроэлектрогенераторами. Вращение упорной манжеты создает поток масла между ней и башмаками, так что весь вес роторов и вала турбины и генератора приходится на масляную пленку. Этот дизайн настолько хорошо согласуется с теорией, что говорят, что облицовка башмаков баббитом может быть раздавлена до того, как масляная пленка разрушится. Цапфовые подшипники Гидродинамический принцип в равной степени применим Journal Bearings The hydrodynamic principle is equally applicable plicable to the lubrication of journal bearings. Here, the load is radial, and a slight clearance must be provided between the journal and its bearing to permit the formation of a wedge-shaped film. Let it be assumed, for example, that a journal supports its bearing, as it does in the case of a plain-bearing railroad truck. The journal is an extension of the axle and, by means of the bearing, it carries its share of the load represented by the car. All of the force exerted by the bearing against the journal is applied at the top of the journal—none against the bottom. When the car is at rest, the oil film between the bearing and the top of the journal has been squeezed out, leaving a thin residual coating that is probably not sufficient to prevent some metal-to-metal contact. As in the case of the sliding block, lack of an adequate lubricating film gives rise to a high initial friction. As the journal begins to rotate, however, oil seeps into the bearing at the bottom, where the absence of load provides the greatest clearance. Some of the oil clings to the journal and is carried around to the upper side, dragging additional oil around with it. In this manner, oil is “pumped” into the narrowing clearance at the top of the journal, where there is greatest need. The consequent flow of oil from an area of low pressure through a converging channel to an area of high pressure, as shown in Figure 1-10, produces a fluid wedge that lifts the bearing from the top of the journal, eliminating metal-to-metal contact. When a state of equilibrium is reached, the magnitude of the entering flow displaces the bearing to one side, while the load on the bearing reduces the thickness of the film at the top. The situation is analogous to that of the inclined thrust-bearing shoe; in either case, the tapered channel essential to hydrodynamic lubrication is achieved automatically. The resulting distribution of hydrodynamic pressure is shown in Figure 1-11. If the load were reversed, that is, if the bearing supported the journal, as is more generally the case, the relative position of the journal would be inverted. The low-pressure region would be at the top of the journal, and the protective film would be at the bottom. Journal Bearing Design Requirements The performance of a journal bearing is improved by certain elements of design. In addition to the allowance of sufficient clearance for a convergent flow of oil, the edges of the bearing face should be rounded somewhat, as shown in Figure Цапфовые подшипники Гидродинамический принцип в равной степени применим к смазке подшипников качения. Здесь нагрузка является радиальной, и между цапфой и ее подшипником должен быть предусмотрен небольшой зазор, чтобы обеспечить образование клиновидной пленки. Предположим, например, что цапфа поддерживает свой подшипник, как это происходит в случае железнодорожного грузовика с подшипником скольжения. Цапфа является продолжением оси и с помощью подшипника несет свою долю нагрузки , которую представляет автомобиль. Вся сила, приложенная подшипником к журнал применяется в верхней части журнала — нет в нижней части. Когда автомобиль находится в состоянии покоя, масляная пленка между подшипником и верхней частью цапфы выдавливается, оставляя тонкое остаточное покрытие, которого, вероятно , недостаточно для предотвращения некоторого контакта металла с металлом. Как и в случае с блоком скольжения, отсутствие надлежащей смазочной пленки приводит к высокому начальному трению. Однако, когда цапфа начинает вращаться, масло просачивается в подшипник снизу, где отсутствие нагрузки обеспечивает наибольший зазор. Часть масла прилипла к журналу и переносится на верхнюю сторону, увлекая за собой дополнительное масло. Таким образом, масло “закачивается” в сужающийся зазор в в Верхней части цапфы, где возникает наибольшая потребность. Последующий поток масла из области низкого давления через сужающийся канал в область высокого давления, как показано на рисунке 1-10, создает жидкий клин , который поднимает подшипник с верхней части шейки, устраняя контакт металла с металлом. Когда достигается состояние равновесия, величина входящего потока смещает подшипник на один стороне, в то время как нагрузка на подшипник уменьшает толщину пленки в верхней части. Ситуация аналогична ситуации с наклонным башмаком упорного подшипника; в любом случае конический канал, необходимый для гидродинамической смазки, достигается автоматически. Результирующее распределение гидродинамического давления показано на рисунке 1-11. Если бы нагрузка была обратной, то есть если бы подшипник поддерживал цапфу, как это имеет место в более общем случае, относительное положение цапфы было бы обратным. Область низкого давления находилась бы в верхней части цапфы, а защитная пленка был бы в самом низу. Требования к конструкции цапфового подшипника Характеристики цапфового подшипника улучшаются за счет определенных элементов конструкции. В дополнение к допуску достаточного зазора для сходящегося потока масла, края поверхности подшипника должны быть несколько закруглены, как показано на рисунке