Методика проведення роботи

Мета роботи

Експериментальне визначення моменту тертя; визначення коефіцієнта тертя.

2.2. Теоретичні відомості

Підшипники ковзання – це елемент опор валів і осей, поверхня цапф яких взаємодіє через шар мастила або безпосередньо з оновлюючою її нерухомою поверхнею підшипника. Підшипники ковзання вимагають систематичного нагляду і безперервного змащування, мають більш високі втрати на тертя при малих швидкостях обертання валів і потребують підвищення пускових моментів під час пуску машин в дію. Підшипники ковзання застосовують у випадках, коли довговічність підшипників кочення досить низька: при високій швидкості обертання, при високому навантаженні, при роботі у воді або агресивному середовищі, а також при необхідності мати роз’ємну конструкцію.

Вантажопідйомність і момент тертя залежать від геометричних і режимних параметрів підшипника ковзання: його діаметра d, довжини l, зазора D, товщини мастильного шару у вузькому місті h_min, динамічної в’язкості мастила m, кутової швидкості цапфи w і середнього тиску p=F_r/(l×d), де F_r – радіальне навантаження на підшипник, а також параметра p×V, де V=0,5×w×d – швидкість ковзання або колова швидкість цапфи.

Більш загальною характеристикою геометрії та режиму роботи підшипників є безрозмірні відношення:

y=D/d – відносний зазор;

c=(0,5×D–h_min)/0,5×D – відносний ексцентриситет;

С_F – коефіцієнт навантаженості (критерій Зоммерфельда)

C_F=F_r×y²/(m×w×l×d)=p×y²/(m×w) (1)

C_T=f/(y×C_F) – коефіцієнт опору обертанню.

Коефіцієнт тертя f у підшипниках ковзання прийнято характеризувати діаграмою Герci (рисунок 1).

По осі абсцис відкладаються C_F^-1 – величина, зворотня коефіцієнту навантаженості, яку можна назвати “коефіцієнтом розвантаженості”. Як тільки цапфа починає обертатися, тертя спокою замінюється сухим тертям. При цьому дотик шорстких поверхонь відбувається в умовах відсутності шарів мастила (мономолекулярного і граничного– квазикристалічного). Поява цих шарів обумовлює ковзання при граничній плівці мастила товщиною до 0,1 мкм. Молекули мастила орієнтуються перпендикулярно поверхні, як ворс. Гранична плівка знижує сили тертя в 2–10 разів порівняно з тертям сухих поверхонь і зменшує їх спрацьовування в сотні разів.

Між сухим і граничним тертям є перехідне – напівсухе або змішане. У цьому випадку гранична плівка має високий опір нормальному тиску, тоді як в дотичному напрямку молекулярні шари легко ковзають одне відносно другого. Опір відносному руху складається з опору зсуву граничного шару і опору пружно–пластичному деформуванню шорсткостей спряжених поверхонь.

На дільниці 0 – 1 діаграми Герсі f залежить не від в’язкості мастила, а від антифрикційних властивостей поверхонь цапфи і вкладиша. Для сталі по бронзі f =0,1...0,15; по сірому чавуну f =0,15...0,20; по бабітовій заливці f =0,07...0,12; по фторопласту f =0,05...0,08.

У цих умовах (біля точки 1) для оцінки вантажності підшипників ковзання користуються критеріями [p] i [pV], які відображають стійкість проти спрацьовування (невитискання мастила з контакту деталей) і теплостійкість робочих поверхонь.

Поза точкою 1 і до точки 2 тертя напіврідинне, бо на частині поверхонь цапфи і вкладиша залишається мастило, а на решті частин поверхонь тертя вже є шар рідинного мастила, що знаходиться під тиском (шар, що несе навантаження). Опір відносному руху складається з опору зсуву граничного шару і опору в’язкому зсуву шару рідинного мастила (шару, що несе навантаження). При зростанні С_F^-1 зменшується частина поверхонь з граничним шаром, зростає частина поверхонь з рідинним шаром, внаслідок чого зменшується f.

Для дільниць 0–1–2 діаграми Герсі цапфа має ексентричне положення у вкладиші замість початкового симетричного відносно лінії дії радіального навантаження F_r. На рисунку 2 рівнодіюча F_r реактивного тиску і тертя на цапфу зміщена проти руху на радіус r=0,5×d×f. Аналогічний вираз f приймається як лінійне зниження на дільниці 1–2, бо плями рідинного, граничного й навіть сухого тертя з’являються і руйнуються безперервно. Цапфа із зростанням частоти її обертання і в’язкості мастила, а також із зменшенням тиску, відходить від вкладиша, при цьому зменшується дотик шорсткостей.

 

Рисунок 2 – Положення цапфи у вкладиші, сили і параметри

Точка 2–це є початок рідинного тертя. Під час якого робочі поверхні цапфи і вкладиша роз’єднані шаром мастила, товщина h_min якого більша за суму висот нерівностей поверхонь цапфи R_Z1 і вкладиша R_Z2. Опір руху дає тільки в’язкість мастила. При цьому коефіцієнт тертя дуже малий f =0,010...0,001. В точці 2 значення коефіцієнта C_F отримало назву критичного. Цапфа має ексцентричне положення у вкладиші (рисунок 3) без дотику до його поверхні, але з відносним ексцентриситетом c. Рівнодіюча F_r реактивного гідродинамичного тиску і тертя від шару мастила у клиновому зазорі зміщена проти руху на мінімальну відстань r_T. Зовнішнє навантаження зрівноважується гідродинамічним тиском у мастильному шарі, який розподіляється нерівномірно згідно з епюрами

У гідростатичних підшипниках шар мастила.між поверхнями тертя створюється підведенням до них мастила під тиском.

Підшипник, що досліджується, – нероз’ємної конструкції. Сталевий загартований шип діаметром d =60мм і довжиною l =60мм входить в отвір бронзової втулки з діаметральним зазором D =0,12мм.

Рідке мастило надходить до ненавантаженої зони втулки самопливом з мастильної арматури.

Кутова швидкість обертання шипа w =169 с^-1 і швидкість його ковзання наближено V =5 м/с. Умовним розрахунком за показниками [p] =5МПа i [p×V] =10МПа×м/с отримуємо вантажність підшипника ковзання.

[F_r]=[p×V]×l×d/V=10×60×60/5=7200 H

2.3. Опис установки ДМ29М для дослідження підшипника ковзання

Лабораторна установка ДМ29М призначена для вимірювання моменту тертя коромисловим моментоміром у втулочного підшипника в залежності від навантаження.

Установка ДМ29М (рисунок 4) складається з вала 1, що обертається, та шипа 2, охопленого втулкою 3, що розташована у корпусі динамометричного моментоміра 4. Момент вимірюється за силою, яка прикладається до важеля певної довжини. Сила впливає на плоску динамометричну пружину,що розташована на важелі 5, забезпеченому упором 6, який регулюється. Індикатор моменту тертя Т_Т також закріплюється на важелі 5. Положення важеля динамометричного моментоміра контролюється індикатором 7, що закріплений на корпусі 8 установки. Корпус динамометричного моментоміра 4 має кінематичний зв’язок з гвинтом 9, гайка якого обладнана рукоятками 10 для обертання рукою. В кінематичному ланцюзі гвинта 9 послідовно змонтований динамометр 11. Його шкала має діапазон від 0 до 500 кгс (5 кН).

 

Рисунок 4 – Схема установки ДМ29М

Обертаючи рукоятки 10, можна до підшипника прикладати радіальне навантаження F_r, а його величину контролювати за шкалою динамометра 11.

Рідке мастило надходить до підшипника крізь кран, який регулюється маховичком 12. Мастило, яке витікає з зазору підшипника, збирається в заглибленні корпусу установки.

Зазаначимо, що як у важелевих терезів важіль необхідно приводити до початкового стану при зважуванні вантажу, так і у моментоміра для вірного показання динамометра його важіль повинен приводитись до початкового стану, який контролюється за індикатором 7. Справа у тому, що важіль моментоміра – це ланка шарнірного пара паралелограма. Для його попереднього зрівноваження при настроюванні використовують ще й противагу 13 на стержні з різьбою. Вимикач 14 установки розташований на корпусі 8.

Крім того, у таблиці зручно показати і коефіцієнти тертя ковзання, які здобуті розрахунком за наслідками дослідження. Розрахунки можна базувати за загальною залежністю:

Т_Т=0,5×F_r×f×d (2)

і залежністю, яка характерна для підшипників:

Т_Т=T₀+T_F=T₀+0,5×F_r×f_пр×d, (3)

де Т₀ – момент тертя при обертанні без навантаження, тобто при F_r=0;

Т_F – складова момента тертя, яка є функцією навантаження F_r;

f і f_пр – коефіцієнти тертя ковзання підшипника, які враховують вплив навантаження, конструкції і режиму змащування підшипника.

Методика проведення роботи

Важіль моментоміра 4 повинен займати зрівноважене положення, яке залишається незмінним, якщо здійснювати навантаження підшипника гайкою 10. Це положення важеля перевіряється без вмикання електродвигуна. Для перевірки треба важіль знизу підперти плоскою пружиною, користуючись упором 6, який регулюється на важелі 5.

На важіль опускають ніжку індикатора 7. Після цього маховиком 10 навантажують моментомір найбільшим зусіллям F_rmax=5кН, яке фіксується динамометром 11.

Шкали індикаторів нульовими поділками встановлюють проти кінців стрілок. Гайкою 10 знижують зусилля до F_r=0. Стрілки індикаторів при зрівноваженому положенні важеля моментоміра відходять від нульової поділки незначно (не більше 4 поділок).

Відкривається кран надходження мастила маховичком 12, регулюється подача: крапля мастила подається через 2–3 с.

Установка готова до вмикання, необхідно отримати дозвіл викладача (лаборанта) на вмикання.

Вмикання робиться ручкою 14 вмикача та його кнопками "Пуск"–"Стоп", які розташовані: на корпусі 8. Стрілка контрольного індикатора 7 встановлюється навпроти нульової поділки обертанням упора 6, який регулюється. Після цього можна знімати показники моментоміра за індикатором на важелі 5.

При увімкненій установці гайкою 10 при спостереженні за динамометром 11 встановлюється найбільше навантаження F_rmax=5 кН і знімаються показники індикатора моментоміра (нижній індикатор) після підводу стрілки контрольного індикатора 7 до нульової поділки його шкали обертанням гвинта регульованого упора 6.

Вимірювання бажано проводити швидко, щоб суттєво не змінився температурний режим підшипника.

Вимкнувши електродвигун при знятому навантаженні, не забути закрити подачу мастила, керуючи маховичком 12.

 

2.5. Експериментальні дані

Дослідження дадуть пари чисел: навантаження F_r і момент тертя Т_Т, які ми заносимо до таблиці 2.1.

 

Fr, kH	Δ інд	Tt, Нм	f	P, МПа.	Ф	1/Ф
		0,198	-	-	-	-
		0,264	0,0088	0,28	0,364	2,72
		0,33	0,0055	0,55	0,715	1,38
		0,462	0,0051	0,83	1,079	0,917
		0,99	0,0082	1,1	1,43	0,699
		1,782	0,0118	1,38	1,794	0,557

Таблиця 2.1 – Дані експерименту.

2. 6. Обробка і аналіз, одержаних результатів

Tт= Δінд. *С; С= 0,066 Нм/под.

м.

.

 

 

 

Побудуємо діаграму Герсі за нашими даними.(графік 2.1).

 

Графік 2.1 – Діаграма Герсі

 

Висновки: Оскільки зі зростанням коефіцієнта розвантаженості в діапазоні 1/Ф, (1,079 до 0,713) характер графіка змінюється зі спадання на зростання, це означає, що в одному діапазоні підшипник переходить з режиму напіврідинного терття в режим рідинного терття.