Процессы трения в контактных уплотнениях с эластомерным элементом в установившемся режиме

Размещено на http://www.allbest.ru/

Ивановский государственный политехнический университет

Процессы трения в контактных уплотнениях с эластомерным элементом в установившемся режиме

преподаватель Топоров Алексей Валериевич

кандидат наук, доцент Топорова Ева Александровна

Аннотация

Рассмотрены процессы трения в контактных уплотнениях в установившемся режиме. Приведены механизмы граничного, полужидкостного и упругогидродинамического трения.

При определенной скорости скольжения происходит частичный или полный отрыв эластомерного элемента от контртела. В образующиеся таким образом зазоры из окружающего тела трения пространства в область трения проникает смазочный материал. В течении некоторого времени тонкая пленка смазочного материала образуется на всей поверхности трения.

Механизм трения в этом случае принимает иной характер. В этих условиях нельзя пренебрегать гидродинамическими эффектами. Когда скорость скольжения V достаточно мала и нельзя не учитывать наличие смазки на пиках неровностей, но в тоже время она достаточно велика для впадин между соседними выступами возникает граничное трение. Пленка на пиках выступов очень тонкая и имеет свойства, отличные от свойств массы смазки во впадинах между выступами. Вблизи вершин выступов максимальной величины в результате физико-химического взаимодействия смазки с эластомером, ее свойства существенно изменены [2]. Коэффициент трения при граничной смазке зависит от контактного давления, и величины выступов поверхности твердого тела. Пренебрегая некоторыми условиями незначительно влияющими на процесс трения можно сказать, что f , то есть коэффициент трения при граничной смазке не значительно отличается от коэффициента трения при отсутствии смазочного материала. Иногда возникают случаи, например, при трении нейлона, показывающие повышение коэффициента трения скольжения при введении смазки по сравнению с сухим трением [2].

В результате экспериментальных исследований выявлена особая зависимость коэффициента трения от вязкости, которую можно объяснить уменьшением фактической площади контакта вследствие гидродинамических эффектов на начальном участке поверхности [1].

Трение при граничной смазке является наиболее распространенным режимом, возникающем при работе уплотнений. Однако, если при трении твердых элементов граничная смазка позволяет значительно уменьшить коэффициент трения [3, 4, 5, 6, 7], то при трении эластомеров такого эффекта не возникает.

При увеличении скорости скольжения в начальных участках зоны контакта развиваются гидродинамические процессы, приводящие к большему раскрытию стыка и дальнейшему проникновению смазочного материала в зону контакта. Далее зона раскрытия распространяется на всю поверхность трения. Между элементами трения возникает непрерывная пленка смазочного материала, разделяющая их.

Процесс перехода от граничной к упругогидродинамической смазке протекает следующим образом. В местах соединения поверхности выступов и эластомера в пленке жидкости возникает гидродинамическое давление клина, стремящееся поднять эластомер над поверхностью твердого тела. Этот эффект зависит в некоторой степени от упругости эластомера. Такое состояние эластогидродинамического равновесия вызывает постоянное искривление поверхности эластичного тела. В результате этого явления на характер обычного скольжения эластомера по жесткому телу оказывает влияние образование положительного приращения давления на передних склонах выступов и отрицательного на задних склонах. Сумма положительных приращений давления значительно больше суммы отрицательных. Этот эффект и приводит к разделению поверхностей [2].

Основной отличительной особенностью упругогидродинамической смазки является то, что в идеальном случае совершенно отсутствует износ движущихся деталей, а сопротивление движению возникает единственно вследствие вязкости смазки, причем чем ниже вязкость, тем ниже вязкостное сопротивление. Однако существует некоторый предел снижения вязкости, потому что чем ниже вязкость, тем больше сближение поверхностей [3].

На процесс гидродинамической смазки серьезное влияние оказывают следующие факторы:

1. Кавитация, разбивающая смазочный слой на отдельные части;

2. Влияние давления на вязкость смазочного материала. Вязкость смазки возрастает с увеличением давления, при этом изменяются физические свойства пленки смазочного материала;

3. Влияние температуры на вязкость смазки. При жидкостной смазке тепло трения разогревает масло, при чем температура может достигнуть большой величины. (Даже для лучших видов смазочных материалов увеличение температуры на 10% снижает ее вязкость до половины начальной величины.);

4. Влияние предельно высокой скорости сдвига на вязкость масла. Повышение скорости ведет к снижению вязкости. Все эти факторы очень трудно учесть теоретически.

Режим упругогидродинамической смазки является наиболее благоприятным с точки зрения износа и момента трения рабочих элементов контактного уплотнения. Однако стоит отметить, что разделение рабочего элемента уплотнения и вала может стать причиной утечки через уплотнения.

Таким образом, механизм трения зависит от наличия или отсутствия смазочного материала и параметров его состояния, характера физико-механического или физико-химического взаимодействия контактирующих поверхностей. При изменении величины контактного давления, скорости скольжения, вязкости смазочного материала, до определенных значений происходит переход от одного механизма трения к другому. Особенностью режимов трения эластомерного материала является зависимость вида смазки от сочетания таких параметров, как контактное давление, скорость скольжения, температура, продолжительность контакта при отсутствии движения. Смазочным материалом является окружающая элементы трения среда, проникающая в зону контакта при перемещении контртела. Зависимость коэффициента трения от относительной толщины слоя смазочного материала, характерной для различных режимов трения, представлена на рис. 1. [1].

Рисунок 1. Зависимость коэффициента трения эластомера от режима трения: 1 - зона контакта поверхностей, 2 - контакт граничных пленок, 3 - жидкость.

При различной толщине, наличие и сплошноси пленки смазки возможно трение без смазочного материала (1), при граничной (II-III), полужидкостной (IV) или упругогидродинамической (V) смазке. Во время страгивания в уплотнениях наиболее часто возникает режим сухого трения (I), а для эксплуатации уплотнений характерными являются режимы трения при граничной смазке (участки II -IV). Однако режим трения при полужидкостной смазке, являющейся наиболее благоприятным, может быть обеспечен не всегда [7]. Обеспечение этого режима связано с рациональным выбором параметров, влияющих на механизм смазки. Рационально выбрать эти параметры во многих случаях достаточно сложно [5, 6], поскольку при работе машин происходит изменение скорости вращения, давления уплотняемой среды, температуры. В этом случае желаемое сочетание параметров обеспечивающее наиболее благоприятный механизм смазки может быть получен лишь при узко определенном режиме работы механизма. В остальных случаях механизм трения будет носить иной характер, при котором величина коэффициента трения значительно превосходит его минимальное значение, что отрицательно сказывается на работоспособности уплотнения.

трение вязкость гидродинамический поверхность

Список литературы

1. Уплотнения и уплотнительная техника : Справочник / А.А. Кондаков, А.И. Голубев, В.Б. Овандер и др.; Под общ. ред. А.И. Голубева, Л.А. Кондакова. - М.: Машиностроение, 1986- 464 с., ил.

2. Мур Д. Трение и смазка эластомеров. США, 1972. Пер. с англ. к.т.н. Г.И. Бродского. М.: Химия, 1977. - 262 с.

3. Киселев, В.В. Повышение качественных характеристик моторных масел за счет введения присадок / Киселев В.В., Топоров А.В., Никитина С.А., Пучков П.В., Покровский А.А., Зарубин В.П., Легкова И.А. В сборнике: Состояние и перспективы развития электро- и теплотехнологии //Материалы международной научно-технической конференции : (XVIII Бенардосовские чтения). Иваново, 2015. С. 330-333.

4. Пучков, П.В. Разработка конструкции трибологически безопасного резьбового соединения / П.В. Пучков, А.В. Топоров, В.В. Киселев Вестник Ивановского государственного энергетического университета. Иваново, 2012. № 1. С. 28-31.

5. Киселев, В.В. Перспективы применения магнито-жидкостных устройств в пожарной и аварийно-спасательной технике / В.В.Киселев, А.В.Топоров, П.В. Пучков Научные и образовательные проблемы гражданской защиты. Химки, 2010. № 2. С. 63-64.

6. Киселев, В.В. Повышение надёжности пожарной техники применением модернизированных смазочных материалов / В.В. Киселев, А.В. Топоров, П.В.Пучков Научные и образовательные проблемы гражданской защиты. Химки, 2010. № 3. С. 24-28.

7. Топоров, А.В. Анализ конструкций контактных уплотнений NovaInfo.Ru. 2016. Т. 2. № 54. С. 55-57.

Размещено на Allbest.ru