Расчёт пары трения по критерию износа

Размещено на http://www.allbest.ru/

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«Волгоградский государственный технический университет»

Факультет подготовки и переподготовки инженерных кадров

Кафедра «Сопротивление материалов»

РАСЧЕТ ПАРЫ ТРЕНИЯ ПО КРИТЕРИЮ ИЗНОСА

контрольная работа по дисциплине «Триботехника»

направление подготовки 190600.62

«Эксплуатация транспортно-технологических машин и комплексов»

профиль - «Автомобильный сервис»

профиль - «Автомобили и автомобильное хозяйство»

Выполнил:

Студент группа АТЗ-311с

Проверил:

доц. Паршев С.Н.

Волгоград 2016

Содержание

Введение

1. Теоретическая часть

2. Основные расчётные формулы

3. Задача

Список использованной литературы

Введение

Триботехника - наука о контактном взаимодействии твердых тел при их относительном движении, охватывающая весь комплекс вопросов трения, изнашивания и смазывания машин. В последние годы в триботехнике получили развитие новые разделы - трибохимия, трибофизика и трибомеханика

Трибохимия - изучает взаимодействие контактирующих поверхностей с химически активной средой. Она исследует проблемы коррозии при трении, химические основы избирательного переноса и воздействие на поверхность деталей химически активных веществ, выделяющихся при трении вследствие деструкции полимеров или смазочного материала.

Трибофизика - изучает физические аспекты взаимодействия контактирующих поверхностей при их взаимном перемещении.

Трибомеханика - изучает механику взаимодействия контактирующих поверхностей при трении. Она рассматривает законы рассеяния энергии, импульса, а также механическое подобие, релаксационные колебания при трении, реверсивное трение, уравнения гидродинамики и др. применительно к задачам трения, изнашивания и смазывания.

Внешнее трение - явление сопротивления относительному перемещению, возникающее между двумя телами в зонах соприкосновения поверхностей по касательным к ним, сопровождаемое диссипацией энергии.

Изнашивание - процесс разрушения и отделения материала с поверхности твердого тела и (или) накопления его остаточной деформации при трении, проявляющийся в постепенном изменении размеров и (или) формы тела.

Износ - результат изнашивания, определяемый в установленных единицах. Износ может выражаться в единицах длины, объема, массы и др.

Износостойкость - свойство материала оказывать сопротивление изнашиванию в определенных условиях трения, оцениваемое величиной, обратной скорости изнашивания или интенсивности изнашивания. Смазочный материал - материал, вводимый на поверхности трения для уменьшения силы трения и (или) интенсивности изнашивания.

Смазка - действие смазочного материала, в результате которого между двумя поверхностями уменьшается сила трения и (или) интенсивность изнашивания.

Смазывание - подведение смазочного материала к поверхности трения.

Трение покоя - трение двух тел при микроперемещениях до перехода к относительному движению.

Трение движения - трение двух тел, находящихся в относительном движении.

Трение без смазочного материала - трение двух тел при отсутствии на поверхности трения введенного смазочного материала любого вида.

Трение со смазочным материалом - трение двух тел гари наличии на поверхности трения введенного смазочного материала любого вида.

Трение скольжения - трение движения двух твердых тел, при котором скорости тел в точках касания различны по величине направлению, или по величине или направлению.

Трение качения - трение движения двух твердых тел, при котором их скорости в точках касания одинаковы по величине и направлению.

Сила трения - сила сопротивления при относительном перемещении одного тела по поверхности другого под действием внешней силы, направленной по касательной к общей границе между этими телами.

Наибольшая сила трения покоя - сила трения покоя, любое превышение которой ведет к возникновению движения.

Предварительное смещение - относительное микроперемещение двух твердых тел при трении в пределах перехода от состояния покоя к относительному движению.

Скорость скольжения - разность скоростей тел в точках касания при скольжении.

Поверхность трения - поверхность тела, участвующая в трении.

Коэффициент трения - отношение силы трения двух тел к нормальной силе, прижимающей эти тела друг к другу.

Коэффициент сцепления - отношение наибольшей силы трения покоя двух тел к нормальной относительно поверхностей трения силе, прижимающей тела друг к другу.

1. Теоретическая часть

Изнашивание материалов узлов трения.

Виды изнашивания сопряженных поверхностей деталей при работе машин весьма разнообразны. Это связано с комплексным воздействием механических, физико-химических и электрохимических процессов при контакте, а так же, внешних факторов окружающей среды, таких, как температура, влажность, агрессивность среды и т.п. Совокупность явлений в процессе трения определяет вид изнашивания и его интенсивность.

Вследствие разнообразия исходных материалов деталей пар трения и условий их эксплуатации, виды изнашивания классифицированы следующим образом (по ГОСТ 16429-70):

механическое изнашивание (абразивное, эрозионное, кавитационное, усталостное, гидроабразивное, газоабразивное);

молекулярно-механическое изнашивание (диффузионное, адгезионное (износ при заедании);

коррозионно-механическое изнашивание (окислительное, фреттинг-коррозия).

Абразивное изнашивание возникает вследствие пластической деформации, царапания и резания поверхности контакта твёрдыми частицами при наличии относительной скорости.

Эрозионное изнашивание поверхностей деталей возникает из-за механического воздействия высокоскоростного потока жидкости, газа или пара, а также действия электрических зарядов

Кавитационное изнашивание возникает в случае, когда на поверхности тела при определенных условиях образуются мельчайшие пузырьки газа, которые при исчезновении производят гидравлический удар, сопровождающийся микроразрушениями поверхностного слоя

Усталостное изнашивание характеризуется многократным нагружением локальных микрообъемов поверхности знакопеременными упругими и пластическими деформациями.

Изнашивание вследствие пластической деформации заключается в смятии микрообъёмов в результате чего изменяются размеры или форма деталей

Изнашивание при заедании (износ от схватывания) характеризуется привариванием или сцеплением отдельных зон на поверхности трения при непосредственном контакте за счёт сил молекулярного сцепления, сопровождающегося отрывом частичек материала и удалением их с поверхности трения.

Коррозионно-механическое изнашивание происходит на сопряженных поверхностях при трении, когда коррозионная плёнка разрушается и удаляется из зоны трения, при этом частицы окислов могут разрушать поверхность.

Изнашивание при фреттинг-коррозии характеризуется разрушением плотно контактирующих поверхностей деталей при их колебательных движениях с малой амплитудой

Смазка и её роль в процессах трения и изнашивания

Смазывание поверхностей трения деталей машин обусловлено необходимостью уменьшения сил трения и интенсивности изнашивания, а также охлаждения зоны трения и удаления потоком масла продуктов изнашивания. Смазочный материал оказывает демпфирующее действие в зоне контакта, снижая динамичность переменных нагрузок и уменьшая поперечные и продольные колебания. Смазочные материалы могут быть жидкие (масла, вода, водные растворы), пластичные (консистентные), твердые (графит, дисульфид молибдена) и газообразные.

В зависимости от количества и вида смазочных материалов между трущимися поверхностями деталей различают следующие виды трения:

трение при отсутствии смазки;

граничное трение;

жидкостное трение

Технологические методы повышения триботехнических свойств узлов трения:

Существующие технологические методы обеспечения износостойкости поверхностей деталей узлов трения подразделяют на несколько групп: химико-термические, объемная и поверхностная закалка, электрохимические, химическая обработка, механотермические, наплавка износостойких слоев, напыление порошковых покрытий, ионно-плазменная обработка, плакирование, механическое упрочнение и др. Применение этих методов в значительной мере связано с историей развития автомобилестроения в развитых странах. Само развитие этих методов было вызвано стремлением повысить эксплуатационные качества автотранспортных средств.

Химико-термическая обработка (ХТО)

Целью ХТО является создание на стальной поверхности тонкого легированного слоя за счет диффузии извне легирующих элементов.

Цианирование (нитроцементация) происходит в жидких (расплавы солей) и газовых азотно-углеродных средах

Поверхностная закалка

Эта операция сопровождает химико-термическую обработку, а также имеет и самостоятельное значение. В самостоятельном виде она применяется для образования твердого износостойкого слоя на поверхности деталей из средне- и высокоуглеродных сталей и некоторых чугунов.

Электрохимические покрытия

Их наносят на поверхности методом электролиза, что широко используется в современной технологии. Чаще всего применяются электролитическое хромирование, серебрение, нанесение покрытия из олова, свинца, цинка, индия и сплавов легкоплавких металлов. Вещества могут наноситься как непосредственно рабочие слои, так и как элементы многослойных покрытий.

Химическая обработка

Данный метод предназначен для создания защитных слоев за счет химических реакций. Большой интерес представляют никель-фосфорные покрытия, получаемые за счет выделения металлов из раствора их солей с помощью химических препаратов - восстановителей.

Наплавка износостойких слоев

Это один из наиболее распространенных способов восстановления изношенных деталей автотранспортных средств. Имеется большое число методов наплавки, которые различаются источниками тепловой энергии, способами защиты наплавляемого металла, уровнем автоматизации.

Ионно-плазменные методы

Данные методы весьма эффективны. В связи с тем, что их применение требует высокого разрежения, они осуществляются в вакуумных камерах, поэтому являются достаточно дорогостоящими и применяются лишь для весьма ответственных деталей, работающих при высоких температурах в условиях адгезионного и окислительного изнашивания.

Механическое упрочнение поверхностей

Привлекают простота и дешевизна этого метода. Здесь используется явление значительного роста предела текучести, а следовательно и твердости материала, при высокой степени пластической деформации - деформационное упрочнение.

Обработка поверхности концентрированными потоками энергии

В последние годы все большее распространение получают лазерные технологии. Они отличаются высокой культурой производства.

Электромеханическая обработка

Одним из перспективных направлений в технологии поверхностного упрочнения является разработка методов высокоскоростного температурно силового воздействия с использованием различных видов подводимой в зону обработки энергии.

Конструктивные методы повышения триботехнических свойств

Уменьшение износа в машинах достигается мерами конструктивного, технологического и эксплуатационного порядка, проводимыми в процессе проектирования, изготовления и эксплуатации.

Конструктивные методы повышения износостойкости деталей.

В конструктивную разработку узлов трения входят: оценка и выбор принципиальной схемы работы узлов трения с точки зрения их влияния на износостойкость машины в целом; выбор материалов для узлов трения; разработка мер по уменьшению местных и общих перегрузок; обеспечение нормального функционирования узлов трения с помощью смазочной системы, защиты от загрязнений и перегрева; обеспечение эксплуатационной технологичности конструкции; защита трущихся поверхностей деталей от возможных повреждений при эксплуатации.

Выбор износостойких материалов

Выбор износостойких материалов является очень сложной задачей, так как износостойкость зависит не только от свойств сопряжённых материалов, но и от условий работы данного сопряжения. Выбор материалов в первую очередь связан с видом износа данной пары трения. Прежде всего, материалы должны гарантировать, что на поверхности трения не возникнут недопустимые виды изнашивания, например, молекулярное схватывание, которое приводит к задирам. Кроме этого, материалы должны обладать: легкой прирабатываемостью, высокой износостойкостью при нормальных условиях работы, низким коэффициентом трения при нормальных условиях работы н в условиях несовершенной смазки. В ряде случаев для материалов требуется высокая теплопроводность, низкий коэффициент теплового расширения, хорошая смачиваемость маслом. Для фрикционных материалов, где требуется высокое значение коэффициента трения, особую роль играет теплостойкость, коррозионная стойкость и теплопроводность.

Опыт эксплуатации различных машин позволяет выделить группы типовых сочетаний материалов для различных пар трения.

Сталь - антифрикционный цветной сплав. Сочетание термообработаннон стали в паре с бронзами и баббитами широко применяется для подшипников скольжения, червячных пар и других сопряжений.

Сочетания из стали и антифрикционного чугуна; стали по стали; чугуна по чугуну применяется для таких пар трения, как гильзы цилиндра - поршневые кольца двигателей, зубчатые и цепные передачи, пары трения гидросистем, подшипники и направляющие качения.

Металл - полимерный материал. Такое сочетание в паре со сталью или чугуном применяется для зубчатых и червячных передач, подшипников и направляющих скольжения.

Специальная сталь - абразивная среда. Специальные хромистые, марганцовистые и другие высокопрочные стали применяются для деталей, работающих в высокоабразивной среде, таких как звенья гусениц тракторов, лемехи плугов, зубья ковшей экскаваторов.

Сталь или чугун - фрикционный сплав. Для тормозных устройств применяется сочетание специальных * чугунов или сталей с металлическими, асбокаучуковыми, асбосмоляными и металлокерамическими фрикционными материалами. От этих материалов в первую очередь требуется высокая теплостойкость.

Сталь - самосмазываюшийся материал. Такое сочетание применяется для сопряжений типа подшипников скольжения, шарниров с ограниченной внешней смазкой и при небольших скоростях скольжения, когда материал должен обеспечивать подачу смазки за счет своей структуры. Такими материалами являются пористые спечённые псевдосплавы, содержащие медь, свинец, гранит, а также различные виды пластмасс Применяются также различного рода покрытия в сочетании со специальным рельефом поверхности. О взаимном расположении пар трения по твердости. При конструировании пар трения, имеющих разные значения твердости и размеры площадей трения, можно получить два сочетания:

1) Н,>Н2, Sl<S1;

2) Hi<H2,S,<S2,

где Hi и Н2- твердости трущихся поверхностей; Si и §j - соответствующие площади поверхностей трения. Пара с расположением материалов, удовлетворяющих первому условию - прямая пара, а второму - обратная пара. В случае прямой пары трения, по большей поверхности скользит более твердое тело, а в случае обратной пары - более мягкое тело. В некоторых случаях обратная пара имеет преимущество перед прямой. Например, в обратной паре, при перегрузке, деталь с меньшей твердостью деформируется пластически и не препятствует работе пары.

Замена трения скольжения трением качения

Во многих случаях для повышения долговечности сопряженных деталей, надежности их работы и экономичности машины в целом целесообразна замена подшипников скольжения на подшипники качения, которые имеют следующие преимущества:

1. Уменьшаются потери на трение по сравнению с потерями у подшипников скольжения, работающих при граничной смазке. Коэффициент трения подшипника качения мало изменяется в большом диапазоне скоростей и нагрузок. Статический момент подшипника всего лишь на 30-50% превышает момент трения при установившемся движений, а в подшипниках скольжения он в 15 раз больше, что особенно актуально для транспортных машин, работающих с частыми пусками и остановками.

2. Экономится большое количество цветных металлов.

3. Значительно уменьшается расход смазочных материалов.

4. Упрощается обслуживание.

5. Отсутствует износ шеек валов.

6. Так как подшипники качения стандартизированы, упрощается процесс конструирования узлов, ускоряется изготовление и монтаж машины.

7. Применение подшипников качения уменьшает стоимость машины.

Замена внешнего трения внутренним

Иногда для замены пар трения применяют конструкции, где внешнее трение заменено внутренним трением упругого элемента. Это, например, резинометаллические шарниры, резиновые башмаки для крепления рессор. Взаимное смещение звеньев в процессе их работы достигается за счет деформации специальной эластичной детали.

По сравнению с обычными, резинометаллические шарниры имеют следующие преимущества: отсутствует изнашивание от внешнего трения, отпадает необходимость в смазывании и установке уплотняющих устройств, амортизируются удары, что способствует бесшумной работе.

Жесткость узлов, податливость, учет температурных деформаций, применение плавающих деталей, разгрузка рабочих поверхностей как факторы повышения износостойкости пар трения. На долговечность деталей пар трения может благоприятно повлиять увеличение податливости одной из деталей или увеличение её жесткости, а также, изменение этих параметров для узла в целом.

Податливость детали, общая или местная, позволяет её рабочей поверхности следовать за деформацией сопряженной детали, приспосабливаться к её геометрической форме. Такая деформация, не нарушая непрерывности смазочного слоя, распределяет нагрузку более равномерно и, тем самым, улучшает работу пар трения. С другой стороны, жесткость детали может влиять на условия работы сопряженных деталей. Например, распределение нагрузки вдоль зуба зубчатых колес зависит от жесткости валов, деформации опор и корпусов. 8 данном случае увеличение жесткости валов может явиться фактором благоприятным для улучшения работы зубчатых колес.

На практике много пар трения работает в зонах с высокими температурами. При повышении температуры уменьшается зазор между сопряженными парами, детали деформируются, что приводит к ухудшению условий работы машины. Чаще всего это поршневая группа двигателя внутреннего сгорания.

При конструировании деталей узлов трения необходимо учитывать температурные деформации, правильно назначать зазоры в сопряжениях, применять устройства для охлаждения пар трения.

Например, в поршне двигателя внутреннего сгорания более жесткая головка прорезями отделена от более податливой юбки, которая, в свою очередь, разрезана по высоте и часто имеет овальную форму. В головке поршня делают кольцевые канавки над верхним кольцом, что позволяет распределить тепловой поток более равномерно между верхними и нижними кольцами. Для компенсации деформаций применяют плавающие элементы в узлах машин.

Часто применяют плавающие опоры. В этом случае один из подшипников закрепляется на валу и в корпусе, а второй при жестком закреплении на валу имеет возможность свободно перемешаться в осевом направлении.

Поверхности трения в некоторых случаях можно разгрузить, внеся в конструкцию машины изменения. Например, применение шевронной передачи вместо косозубой позволяет разгрузить подшипники от осевой нагрузки. Использование двухколодочяого тормоза вместо одноколодочного или ленточного разгружает опоры вала от радиальных нагрузок.

Защита рабочих поверхностей пар трения от загрязнений

Для наземных транспортных машин характерна работа в запыленной или загрязненной среде, в связи с чем особую актуальность приобретает защита поверхностей трения от загрязнений. Защиту от загрязнений можно подразделить на защиту открытых узлов; герметизацию закрытых корпусов в местах выхода валов или других деталей; очистку смазочного масла н топлива, а также воздуха, поступающего в машину.

Подшипниковые узлы защищают от загрязнений уплотняющими устройствами. Уплотняющие устройства общего назначения по принципу действия разделяют на следующие типы: 1) контактные, в которых герметизация узла достигается в результате контакта между неподвижным уплотняющим элементом и валом либо между подвижным элементом и корпусом; 2) центробежные, где центробежные силы вращающегося элемента служат для отбрасывания от подшипника загрязнений или для возврата вытекающего из него смазочного материала; 3) винтовые, в которых используется транспортирующее действие винтовых канавок, расположенных на вращающемся или неподвижном элементе уплотнения; 4) щелевые, канавочные или лабиринтные.

Фрикционные передачи. Классификация фрикционных передач.

Фрикционная передача - механическая передача, служащая для передачи вращательного движения (или для преобразования вращательного движения в поступательное) между валами с помощью сил трения, возникающих между дисками, цилиндрами или конусами, насаженными на валы и прижимаемыми один к другому. Фрикционные передачи состоят из двух катков: ведущего и ведомого, которые прижимаются один к другому, так что сила трения в месте контакта катков достаточна для передачи окружного усилия.

Один каток к другому может быть прижат с помощью:

предварительно затянутых пружин (применяют в передачах, предназначенных для работы при небольших нагрузках);

гидроцилиндров (в случае передачи больших нагрузок);

собственной массы машины или узла;

перечисленных выше средств, через систему рычагов;

центробежной силы (в случае сложного движения катков в планетарных системах).

Фрикционные передачи классифицируются по следующим признакам:

1. По назначению:

с нерегулируемым передаточным числом;

с бесступенчатым регулированием передаточного числа (вариатор) без промежуточного звена и с промежуточным звеном.

2. По взаимному расположению осей и валов:

цилиндрические или конусные с параллельными осями;

конические и лобовые с пересекающимися осями;

торовые соосные.

3. В зависимости от условий работы:

открытые (работают всухую);

закрытые (работают в масляной ванне).

4. По принципу действия:

нереверсивные;

реверсивные.

Нарушение условия приводит к буксованию и быстрому износу катков. Все фрикционные передачи можно разделить на две основные группы: передачи нерегулируемые, т. е. с постоянным передаточным отношением; передачи регулируемые, или вариаторы, позволяющие изменять передаточное отношение плавно и непрерывно (бесступенчатое регулирование)*. Каждая из указанных групп охватывает большое количество передач, различающихся по конструкции и назначению. Например, различают передачи с параллельными и пересекающимися осями валов; с цилиндрической, конической, шаровой или торовой поверхностью рабочих катков; с постоянным или автоматически регулируемым прижатием катков, с промежуточным (паразитным) фрикционным элементом или без него и т. д. Она состоит из двух катков с гладкой цилиндрической поверхностью, закрепленных на параллельных валах. Ведущий ролик А можно перемещать по валу в направлениях, указанных стрелками. При этом передаточное отношение плавно изменяется в соответствии с изменением рабочего диаметра d2 ведомого диска Б. Если перевести ролик на левую сторону диска, то можно получить изменение направления вращения ведомого вала -- вариатор обладает свойством реверсивности. Применение. Фрикционные передачи с постоянным передаточным отношением применяют сравнительно редко. Их область ограничивается преимущественно кинематическими цепями приборов, от которых требуются плавность движения, бесшумность работы, безударное включение на ходу и т. п. Как силовые (не кинематические) передачи они не могут конкурировать с зубчатыми передачами по габаритам, надежности, КПД и пр. Фрикционные вариаторы применяют как в кинематических, так и силовых передачах в тех случаях, когда требуется бесступенчатое регулирование скорости (зубчатая передача не позволяет такого регулирования). Применение фрикционных вариаторов на практике ограничивается диапазоном малых и средних мощностей -- до 10, реже до 20 кВт. В этом диапазоне они успешно конкурируют с гидравлическими и электрическими вариаторами, отличаясь от них простотой конструкции, малыми габаритами и повышенным КПД. При больших мощностях трудно обеспечивать необходимую силу прижатия Механический износ может вызываться и плохим обслуживанием оборудования, например нарушениями в подаче смазки, недоброкачественным ремонтом и несоблюдением его сроков, мощностной перегрузкой и т. д.

Во время работы многие детали машин (валы, зубья зубчатых колес, шатуны, пружины, подшипники) подвергаются длительному действию переменных динамических нагрузок, которые более отрицательно влияют на прочностные свойства детали, чем нагрузки статические. Усталостный износ является результатом действия на деталь переменных нагрузок, вызывающих усталость материала детали и его разрушение. Валы, пружины и другие детали разрушаются вследствие усталости материала в поперечном сечении. При этом получается характерный вид излома с двумя зонами - зоной развивающихся трещин и зоной, по которой произошел излом. Поверхность первой зоны гладкая, а второй - с раковинами, а иногда зернистая.

Усталостные разрушения материала детали не обязательно должны сразу привести к ее поломке. Возможно также возникновение усталостных трещин, шелушения и других дефектов, которые, однако, опасны, так как вызывают ускоренный износ детали и механизма. Для предотвращения усталостного разрушения важно правильно выбрать форму поперечного сечения вновь изготовляемой или ремонтируемой детали: она не должна иметь резких переходов от одного размера к другому. Следует также помнить, что грубо обработанная поверхность, наличие рисок и царапин могут стать причиной возникновения усталостных трещин.

Износ при заедании возникает в результате прилипания («схватывания») одной поверхности к другой. Это явление наблюдается при недостаточной смазке, а также значительном давлении, при котором две сопрягаемые поверхности сближаются настолько плотно, что между ними начинают действовать молекулярные силы, при-водящие к их схватыванию.

В зубчатых передачах наиболее часто изнашиваются зубья: образуются задиры, зубья изменяют свою форму, размеры и выламываются. Поломка зубьев, появление трещин в спицах, ободе и ступице зубчатых колес, износ посадочных отверстий и шпонок происходит по трем основным причинам: 1) перегрузка зубчатой передачи; 2) попадание в нее посторонних тел; 3) неправильная сборка (например, крепление зубчатых колес на валу с перекосом осей).

Виды изнашивания рабочих поверхностей колёс передачи и критерии износа.

Основным критерием работоспособности фрикционных передач является износостойкость рабочих поверхностей контактирующих колёс. Обычно для быстроходных фрикционных передач, работающих в масляной ванне, износ стальных колёс имеет вид поверхностного выкрашивания (питгинга), а расчёт ведётся (аналогично зубчатым передачам) на контактную выносливость активных поверхностей колёс. Однако в быстроходных закрытых передачах, даже при наличии интенсивной смазки, иногда обнаруживается абразивный износ, обусловленный недостаточной чистотой рабочих поверхностей и частой работой передачи на пусковых и тормозных режимах, когда затруднено образование устойчивой масляной плёнки в зоне контакта.

Для тихоходных фрикционных передач, у которых не обеспечено устойчивой масляной плёнки между контактными поверхностями, или передача вообще работает без смазки, характерен абразивный износ (истирание) рабочих поверхностей колёс. Особенно интенсивный износ наблюдается при наличии систематического проскальзывания (пробуксовывания) колёс, переменной нагрузки, попадания на рабочие поверхности абразивов (металлических частиц, песчинок, пыли и т.п.). Интенсивное истирание рабочих поверхностей колёс ведёт к нарушению их размеров не правильности формы, а также к появлению дополнительных динамических нагрузок. Как контактная выносливость, так и абразивный износ активных поверхностей колёс, в первую очередь, зависят от величины максимальных контактных напряжений и механических характеристик материалов, из которых изготовлены колёса. Кроме того, на работоспособность передачи большое влияние оказывают технологические факторы (качество и точность изготовления рабочих элементов фрикционной передачи) и эксплуатационные особенности (условия нагружения, проскальзывание, температурный режим, свойства смазки и др.).

Материалы колёс, их механические свойства, виды применяемых смазок

Выбор износостойких материалов является очень сложной задачей, так как износостойкость зависит не только от свойств сопряжённых материалов, но и от условий работы данного сопряжения.

Выбор материалов в первую очередь связан с видом износа данной пары трения. Прежде всего, материалы должны гарантировать, что на поверхности трения не возникнут недопустимые виды изнашивания, например, молекулярное схватывание, которое приводит к задирам. Кроме этого, материалы должны обладать: легкой прирабатываемостью, высокой износостойкостью при нормальных условиях работы, низким коэффициентом трения при нормальных условиях работы и в условиях несовершенной смазки. В ряде случаев для материалов требуется высокая теплопроводность, низкий коэффициент теплового расширения, хорошая смачиваемость маслом. Для фрикционных материалов, где требуется высокое значение коэффициента трения, особую роль играет теплостойкость, коррозионная стойкость и теплопроводность.

Опыт эксплуатации различных машин позволяет выделить группы типовых сочетаний материалов для различных пар трения.

Сталь - антифрикционный цветной сплав. Сочетание термообработанной стали в паре с бронзами и баббитами широко применяется для подшипников скольжения, червячных пар и других сопряжений.

Сочетания из стали и антифрикционного чугуна; стали по стали; чугуна по чугуну применяется для таких пар трения, как гильзы цилиндра поршневые кольца двигателей, зубчатые и цепные передачи, пары трения гидросистем, подшипники и направляющие качения.

Металл - полимерный материал. Такое сочетание в паре со сталью или чугуном применяется для зубчатых и червячных передач, подшипников и направляющих скольжения.

Специальная сталь - абразивная среда. Специальные хромистые, марганцовистые и другие высокопрочные стали применяются для деталей, работающих в высокоабразивной среде, таких как звенья гусениц тракторов, лемеха плугов, зубья ковшей экскаваторов.

Сталь или чугун - фрикционный сплав. Для тормозных устройств применяется сочетание специальных чугунов или сталей с металлическими, асбокаучуковыми, асбосмоляными и металлокерамическими фрикционными материалами. От этих материалов в первую очередь требуется высокая теплостойкость.

Сталь - самосмазывающийся материал. Такое сочетание применяется для сопряжений типа подшипников скольжения, шарниров с ограниченной внешней смазкой и при небольших скоростях скольжения, когда материал должен обеспечивать подачу смазки за счет своей структуры. Такими материалами являются пористые спечённые псевдосплавы, содержащие медь, свинец, гранит, а также различные виды пластмасс. Применяются также различного рода покрытия в сочетании со специальным рельефом поверхности.

Смазка и её роль в процессах трения и изнашивания сопрягающихся деталей.

Смазывание поверхностей трения деталей машин обусловлено необходимостью уменьшения сил трения и интенсивности изнашивания, а также охлаждения зон трения и удаления потоком масла продуктов изнашивания из зон трения. Смазочный материал оказывает демпфирующее действие в зоне контакта, снижая динамичность переменных нагрузок и уменьшая поперечные и продольные колебания.

Смазочные материалы могут быть жидкие (масла, вода, водные растворы), пластичные (консистентные), твёрдые (графит, дисульфид молибдена) и газообразные.

В зависимости от количества и вида смазочных материалов между трущимися поверхностями деталей различают следующие виды трения:

-- трение при отсутствии смазки;

-- граничное трение;

-- жидкостное трение (при наличии слоя смазки такой толщины, при котором не происходит касания микронеровностей деталей).

При трении без смазки молекулярная составляющая силы трения особенно велика, так как от непосредственного соприкосновения поверхностей защитой служат только окисные и адсорбированные плёнка газов и влаги. При повышении температуры адсорбированные плёнки исчезают, и тогда возникают условия для схватывания в местах разрушения окисных плёнок на контактных поверхностях.

Трение без смазки встречается в тормозах, фрикционных передачах, ременных передачах, работающих всухую. При таком виде трения имеет место наибольший износ элементов пар трения.

При граничном трении наименьшая толщина смазочного слоя может иметь место при мономолекулярном слое, то есть слое, состоящем из однородно расположенных молекул вещества смазки и достигающем 0.1мкм. Прочность граничных масляных пленок зависит от количества и качества поляризованных молекул. Эти плёнки могут быть очень прочными и после местного их повреждения в процессе - трения самозалечиваться. Граничная масляная плёнка должна хорошо сопротивляться, продавливанию и иметь слабое сопротивление касательным напряжениям. Эта плёнка не будет разрушаться при внедрении выступов твёрдой детали в поверхность более мягкой и одновременно не будет препятствовать скольжению одной детали по другой. Этими качествами как раз и обладает слой поляризованных молекул смазочного материала.

Восприятие нормальной нагрузки при граничном трении происходит в пятнах касания и частично через адсорбированные масляные плёнки, прилегающие к зонам пятен касания. Поэтому воспринимающие нагрузку поверхности больше фактических поверхностей соприкосновения. Вследствие этого при граничном трении сила трения снижается по сравнению с трением без смазки до 10 раз, а износ может уменьшаться в сотни раз. При граничной смазке чаще всего применяют пластичные и твёрдые смазки, граничный слой которых хорошо сопротивляется продавливанию и слабо сопротивляется касательным силам. При жидкостном трении уже при толщине слоя смазочного масла в 5-кг мм силы притяжения между молекулами масла и поверхностью детали настолько ослабевают, что молекулы масла получают возможность свободно перемешаться. При относительном движении сопрягающихся деталей в разделяющем их слое масла происходит скольжение между молекулами, не связанными силами притяжения с самими деталями. Происходит как бы свободное скольжение в жидкости. При, этом вся нагрузка от одной детали к другой передаётся голые? через слой масла. Для возможности такой передачи нагрузки необходимо создание давления в слое масла.

При жидкостном трении износ сопряженных поверхностей деталей практически отсутствует. Однако необходимо учитывать, что жидкостное трение при гидродинамической смазке имеет место только при установившихся режимах работы. При пусках и остановках машин, резких изменениях нагрузок и скоростей движения режим жидкостного трения нарушается. Кроме этого, жидкостное трение также нарушается при возвратно-поступательных движениях в зонах, где скорость - относительного движения снижается до нуля.

Трение при газовой смазке можно рассматривать как жидкостное трение, при котором несущий смазывающий слой газа является сжимаемым (в отличие от жидкости).

трение износ смазка поверхность

2. Основные расчётные формулы

Структура методов расчета на износ

В расчетах на износ деталей машин необходимо оценивать изменение геометрических параметров контактирующих тел во времени, возможность возникновения критических ситуаций, приводящих к катастрофически быстрому изнашиванию и выходу узлов трения из строя. В общем случае для зон изнашивания должны учитываться физические, химические, механические и геометрические факторы, а также кинематика движения сопрягающихся пар трения, состояние смазочного слоя и поверхностных слоев материалов, температура и другие характеристики. В расчетах используют аналитические зависимости, максимально приближающиеся к описанию экспериментальных закономерностей конкретных узлов трения.

Наибольшие значения износов возникают в периоды пуска, останова и реверса, в условиях несформировавшегося смазочного слоя (при жидкостном трении).

При расчете интенсивности изнашивания поверхности пары трения следует определить, к какому виду контактного взаимодействия поверхностей трения относится рассчитываемый случай.

В механике твёрдых тел к основным видам контактного взаимодействия сопряжённых поверхностей трения относят: упругое деформирование; упругопластическое деформирование; микрорезание. Интенсивность изнашивания сильно зависит от вида сопряженных тел. Поэтому в конструкциях узлов трения следует обеспечивать упругое контактное взаимодействие тел. Большей частью это происходит самопроизвольно в результате приработки поверхностей, приводящей к благоприятному по уменьшению износа изменению конфигурации контактирующих неровностей и расположения их по высоте.

При инженерных расчетах на износ деталей пар трения с не приработанными поверхностями без волнистости для упругого контакта, в случае, если номинальные и контурные давления равны (р=рс), можно использовать полученную зависимость для вычисления линейной интенсивности изнашивания. Формулу можно применять для сопряжений малогабаритных деталей, многих видов резьбовых, штифтовых, шпоночных соединений, сопряжений, в которых одна из деталей имеет малую жесткость, для зубчатых передач, кулачковых механизмов.

При определении линейной интенсивности изнашивания поверхностей пар трения по формулам (4.1) - (4.4) используют ряд параметров, зависящих от различных факторов:

- разрушающее напряжение при однократном растяжении, МПа

ty - параметр кривой фрикционной усталости

Кty - поправочный коэффициент к числу циклов до отделения с поверхности частик износа

Бпер - коэффициент перекрытия контактных площадей.

,

где А а Аг - площади контакта номинальная и фактическая, мм2 (для приработанных поверхностей бпер=1).

к - коэффициент, величина которого зависит от волнистости поверхности (для волны сферической формы к =0,5; без учета влияния шероховатости поверхности на деформацию волн к=0,2);

- коэффициент гистерезисных потерь при простом растяжении-сжатии.

Расчёт фрикционных передач на износостойкость предполагает определение величин интенсивности изнашивания и толщин износа за требуемый промежуток времени контактирующих поверхностей фрикционных колес при работе без смазки (как правило, открытых передач) и со смазкой, а также определение ресурса работы передачи.

При передаче вращающего момента Т1 на ведущем валу фрикционной передачи необходимую силу нажатия можно вычислить по формуле

,

где kсц =1,2-1,5 - коэффициент сцепления (коэффициент режима работы); f - коэффициент трения скольжения.

E1и Е2 - модули нормальной упругости материалов соприкасающихся деталей, МПа;

Rпр - приведенный радиус кривизны деталей в зоне контакта, мм.

где r1 и r2 -радиусы контактирующих сфер (знак плюс - при внешнем контакте, знак минус - при внутреннем контакте), мм.

Где

- приведённый модуль нормальной упругости тел, МПа.

При коэффициентах Пуассона µ=0,3 расчет контактного напряжения и полуширины полоски контакта ведется по формулам:

контактное напряжение

полуширина полоски контакта

Толщину изношенного слоя ведущего 1 и ведомого 2 колёс можно определить по формуле

где Ih(1,2) - интенсивность изнашивания рабочих поверхностей ведущего 1 и ведомого 2 колёс

bH - полуширина полоски контакта при действии силы нажатия Fп, мм;

и - окружные скорости (качения) точек рабочих поверхностей ведущего I и ведомого 2 колёс, м/с;

n(1,2) - частота вращения ведущего 1 и ведомого 2 колёс, об/мин;

t - время работы рассчитываемой фрикционной передачи, мин.

Максимальную величину толщины изношенного слоя hmax необходимо сравнить с нормативной (допустимой) величиной износа [h] и определить ресурс работы фрикционной передачи

3. Задача

Определить максимальную величину износа на рабочих поверхностях колёс открытой фрикционной цилиндрической передачи. Параметры передачи:

диаметры колес D1 = 110 мм и D2 =320мм;

ширина колес B=70 мм;

передаваемая мощность на ведущем валу P1=6,3 кВт;

частота вращения ведущего вала n1=1080 об/мин;

коэффициент сцепления Kсц=1,2;

коэффициент трения скольжения материала без смазки fc=0,1;

модуль нормальной упругости Е=2,15•105 МПа (чугун 4НМХ)

время работы t =1200 ч.

Решение.

Необходимая сила нажатия для передачи вращающего момента Tt определяется по формуле

Где

Полуширина полоски контакта при действии силы нажатия F'B=12152Н. определяется по формуле

где приведенный радиус кривизны

Контактные напряжения

Определяем интенсивность изнашивания рабочих поверхностей колёс фрикционной передачи по формуле

Для 8-го класса шероховатости при круглом шлифовании рабочих поверхностей колёс v=l,8; ; (с приработкой рабочих поверхностей);

k=0,2; aпер=1 [1, ф. (4.5)];;

tу=4,1; ;

Кtv=3;

fм=0.095

=

Толщина изношенного слоя ведущего h1 и ведомого h2 колес:

где окружные скорости ведущего и ведомого колес

передаточное отношение

Максимальная величина изношенного слоя hmax=h1=1,28 мм. По нормам 2,5 мм.

Допустимый ресурс работы ведущего колеса передачи

что больше заданного.



Рисунок 2. Схема фрикционной цилиндрической передачи.

Список использованной литературы

1. Багмутов, В. П. Изнашивание деталей узлов трения наземных транспортных средств: учебное пособие / В. П. Багмутов, А. Н. Савкин, С. Н. Паршев; ВолгГТУ. - Волгоград, 2011.- 56 с.

2. Багмутов, В. П. Обеспечение триботехнических свойств деталей узлов трения наземных транспортных средств: учебное пособие / В. П. Багмутов, А. Н. Савкин, С. Н. Паршев; ВолгГТУ. - Волгоград, 2011.- 59 с.

3.Багмутов,В.П. Конструктивные методы обеспечения триботехнических свойств деталей узлов трения наземных транспортных средств: учебное пособие / В. П. Багмутов, А. Н. Савкин, С. Н. Паршев; ВолгГТУ. - Волгоград, 2012.- 62 с.

3. Гаркунов Д. Н. Триботехника. - М.: - МСХА, 2002, 630 с.

2. Шапочкин В. И. Износостойкость деталей машин. Волгоград: Перемена, 1994, 97 с.

4. Износостойкость сопрягающихся деталей механического оборудования наземных транспортных систем. Н. В. Асеев, Е. Н. Асеева, Э. Ф. Крейчи, М. М. Матлин. Волгоград, РПК «Политехник», 2000, 99 с.

5. Беркович И.И., Громаковский Д.Г. Трибология, Самара, СамГТУ, 2000

6. Паршев, С. Н. «Поверхностная прочность и изнашивание материалов узлов трения» /С.Н. Паршев, Н.Ю. Полозенко // Волгоград, РПК «Политехник», 2009, 54 с.

Перечень методических указаний

1. Паршев С.Н., Полозенко Н.Ю. Микротвердость материалов, Волгоград, РПК «Политехник», 2004, 14 с.

2. Паршев С. Н., Полозенко Н. Ю. Испытания металлов на изнашивание Волгоград, РПК «Политехник», 2004, 18 с.

3. Паршев С.Н. Испытание металлов на усталостное изнашивание. Волгоград, РПК «Политехник», 2010, 18 с.

Размещено на Allbest.ru