Трение в узлах машин, триботехнические системы

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

1. Виды трения в узлах машин

Виды трения: По характеру относительного движения различают трение скольжения и трение качения. Иногда оба вида трения проявляются совместно, когда качение сопровождается проскальзыванием, например, в зубчатых и зубчато-винтовых передачах или между колесами и рельсами.

В зависимости от наличия смазочного материала различают следующие виды трения: трение без смазочного материала и трение со смазочным материалом.

1.1 Трение без смазочного материала

Трение без смазочного материала и при отсутствии загрязнений между трущимися поверхностями бывает в тормозах, фрикционных передачах, а также в узлах машин, работающих в условиях высоких температур, когда любой смазочный материал не пригоден.

Статическая сила трения в зависимости от продолжительности неподвижного контакта возрастает до некоторого предела.

Сила трения движения зависит от скорости скольжения поверхностей, причем соответственно давлению и твердости сопряженных тел коэффициент трения может монотонно возрастать, убывать, переходить через максимум или минимум.

Трение без смазочного материала сопровождается скачкообразным скольжением поверхностей, с чем связаны, например, вибрация автомобиля при включении сцепления, "дергание" при торможении, "визг" тормозов, вибрация резцов при резании и нарушение плавности работы медленно движущихся деталей. Можно указать некоторые мероприятия борьбы со "скачками" при трении -- увеличение жесткости системы, повышение скорости скольжения, подбор пар трения, для которых коэффициент трения незначительно возрастает с ростом продолжительности неподвижного контакта и при повышении скорости через минимум не проходит.

Пленки окислов, влага и загрязнения на металлических поверхностях влияют на коэффициент трения двояко. Силы молекулярного притяжения между ними могут быть в сотни раз меньше, чем в случае взаимодействия металла на чистом контакте. Кроме того, прочность окислов обычно меньше прочности основного металла, поэтому сопротивление "пропахиванию" и срезанию частиц при перемещении, наряду с силами молекулярного взаимодействия, значительно понижается, и коэффициент трения падает. Толстые пленки окислов обладают меньшей твердостью, и наличие их приводит к повышению площади фактического контакта, причем, если это возрастание будет протекать быстрее, чем уменьшение механической составляющей силы трения, то произойдет увеличение силы трения.

1.2 Трение при граничной смазке

При граничной смазке поверхности сопряженных тел разделены слоем смазочного материала весьма малой толщины (от толщины одной молекулы до 0,1 мкм). Наличие граничного слоя или граничной пленки снижает силы трения по сравнению с трением без смазочного материала в 2... 10 раз и уменьшает износ сопряженных поверхностей в сотни раз.

а) б)

Рис.1. Схемы скольжения тел при граничной смазке: а -- смазка идеальных поверхностей; б -- контактирование реальных поверхностей; А -- участки, воспринимающие нагрузку; Б -- участки непосредственного контактирования или контактирования при твердых пленках

Все масла способны адсорбироваться на металлической поверхности.

Молекулы смазочного материала ориентируются перпендикулярно к твердой поверхности (стоймя), что позволяет представить для наглядности граничную планку в виде ворса (рис. 1). При взаимном перемещении поверхностей трения "ворсинки" как бы изгибаются в противоположные стороны. На самом же деле происходит сдвиг с перекосом квазикристаллической структуры пленки. Сопротивление ее скольжению в таком состоянии несколько повышено. На восстановление ориентации молекул в прежнее положение перпендикулярно поверхности тел требуется некоторый промежуток времени, иногда относительно большой.

Смазочный материал в граничном слое анизотропен, в тангенциальном направлении молекулярные слои легко изгибаются и при толщине слоя больше некоторой критической величины скользят друг по другу; по нормали к твердой поверхности пленка обладает высоким сопротивлением сжатию; ее несущая способность исчисляется десятками тысяч килограммов на 1 см².

Деформация сжатия пленки в довольно высоком интервале не выходит за пределы упругости.

Механизм трения при граничной смазке представляется в следующем виде. Под нагрузкой протекает упругая и пластическая деформации на площадках контакта, под которыми здесь следует понимать площадки наиболее близкого прилегания поверхностей, покрытых граничной пленкой смазочного материала, вплоть до мономолекулярного слоя. На площадках контакта может произойти взаимное внедрение поверхностей без нарушения целостности смазочной пленки.

Сопротивление движению при скольжении складывается из сопротивления сдвигу граничного слоя и сопротивления "пропахиванию" поверхностей внедрившимися объемами. Кроме того, на площадках контакта, подвергнутых наиболее значительной пластической деформации, и в пунктах с высокими местными температурами может произойти разрушение смазочной пленки с наступлением адгезии обнажившихся поверхностей и даже схватывание металлов на микроучастках Б (см. рис.1). Это вызывает дополнительное сопротивление движению.

Благодаря подвижности молекул смазочного материала на поверхности трения адсорбция протекает с большой скоростью, что сообщает смазочной пленке свойство "самозалечиваться" при местных ее повреждениях. Эта способность играет большую роль в предупреждении лавинного процесса схватывания.

Невозобновляемая граничная пленка по мере возрастания пути трения изнашивается, масло из пленки адсорбируется на продукты износа и уносится с поверхности трения; происходит сублимация пленки как твердого тела и удаление масла в атмосферу. Окисление пленки способствует дезориентации структуры и разрушению ее.

При трении с граничной смазкой износ деталей машин велик. В силу волнистости и шероховатости поверхностей их контактирование происходит на очень малых участках трения; контактные давления имеют высокие значения, и тонкая граничная пленка масла не предохраняет поверхности от пластической деформации, что неизбежно ведет к износу деталей. Это является непреодолимым недостатком граничной смазки.

1.3 Жидкостная, вязкопластическая и контактно-гидродинамическая смазка

Жидкостная смазка характеризуется тем, что трущиеся поверхности разделены слоем жидкого смазочного материала (масла), находящегося под давлением. Давление смазочного материала уравновешивает внешнюю нагрузку. Слой смазочного материала называют несущим слоем. При увеличении его толщины, более толщины граничной пленки, уменьшается степень влияния твердой поверхности на далеко отстоящие от нее молекулы масла. Слои, находящиеся на расстоянии более 0,5 мкм от поверхности, приобретают возможность свободно перемещаться один относительно другого. При жидкостной смазке сопротивление движению определяется внутренним трением (вязкостью) жидкости и складывается из сопротивления скольжению слоев масла по толщине смазочной прослойки.

Этот режим трения со свойственными ему весьма малыми коэффициентами трения является оптимальным для узла трения с точки зрения потерь энергии, долговечности и износостойкости. Сила трения при жидкостной смазке не зависит от природы сопрягаемых поверхностей.

Рис. 2. Схематический разрез металлической поверхности и слоя жидкого смазочного материала: 1-- исходная структура металла; 2 -- кристаллы, деформированные в направлении обработки; 3 -- раздробленные размазанные кристаллы, окислы и адсорбированное масло; 4 -- адсорбированный монослой масла; 5 -- граничный слой масла; б -- зона микротурбулентности; 7 -- ламинарный поток

Пластичные смазочные материалы, как и жидкие, могут обеспечить режим трения, исключающий непосредственный контакт поверхностей и их взаимное внедрение. В отличие от масел, являющихся вязкими жидкостями, пластичные смазочные материалы обладают вязкопластическими свойствами. Поэтому поток такого материала имеет свои особенности.

В нем имеются зоны, в которых отсутствует послойное скольжение, течение в них происходит как в идеальной пластичной среде; вне этих зон течение вязкое. Возможно, также скольжение смазочного материала относительно стенок подшипника.

При качении цилиндра по плоскости (рис. 3.1) в зонах / и III градиент скорости по высоте отличен от нуля и течение вязкое. В зоне // касательное напряжение меньше предельного напряжения сдвига, взаимное послойное перемещение в каждом сечении этой зоны отсутствует, и поток подобен течению пластического тела.

При качении или при качении со скольжением масло втягивается в зону контакта движущимися поверхностями. При некоторых условиях, аналогичных условиям возникновения гидродинамической смазки между скользящими поверхностями, в масляном слое образуется подъемная сила. Вследствие малой протяженности зоны контакта и больших давлений в ней масляный слой имеет толщину того же порядка, что и местные деформации контактирующихся тел. Эти деформации влияют на конфигурацию зазора. Задача о распределении давления в слое смазочного материала в зоне контакта упругих тел является контактно-гидродинамической.

трение смазочный триботехнический

Рис. 3. 1. Эпюра распределения скоростей в вязкопластичном потоке при качении цилиндра по плоскости: х₁, х₂ -- координаты концов смазочной прослойки. 2. Форма зазора между контактирующими при качении цилиндрами и ориентировочный график распределения в нем давления масла: 1 - контактирующие поверхности; 2 -- масло, 3 -- график давления масла; 4 -- эллипс распределения давления по Герцу для несмазываемых поверхностей

На рис. 3.2 представлена примерная форма зазора и ориентировочный график давления для катящихся друг по другу под нагрузкой цилиндров при наличии между ними разделяющего масляного слоя. Точка А - начало контакта на площадке касания несмазанных цилиндров. Перед контактом в масляном клине возникает давление, которое постепенно повышается и в некоторой области контакта распределяется, как и при трении без смазочного материала. В точке В, лежащей в задней половине контакта, зазор сужается и возникает пик давления. Место расположения пика зависит от нагрузки, вязкости масла, скорости качения и др.

При малой толщине смазочного слоя, не полностью разделяющего контактирующие поверхности, трение зависит от тех же факторов, что и при жидкостной смазке и от свойств материалов.

1.4 Трение при полужидкостной смазке

Такое трение имеет место при наличии одновременно жидкостной и граничной смазки. Нормальная нагрузка в случае трения при полужидкостной смазке уравновешивается нормальной составляющей сил взаимодействия поверхностей на площадках их контакта и силами гидродинамического давления в смазочном слое. Относительная доля каждой реакции зависит от нагрузки, скорости взаимного перемещения поверхностей, шероховатости, жесткости и макрогеометрии, количества и вязкости смазочного материала. Сила трения складывается из касательной составляющей сил взаимодействия поверхностей и сопротивления вязкому сдвигу.

Гидродинамическое действие жидкости может возникнуть в двух случаях. Во-первых, если макрогеометрия соприкасающихся поверхностей такова, что существует сужающийся зазор, в который масло может заклиниться при трении, то при подаче масла в достаточном количестве и при подходящих параметрах режима трения возникнет поток и образуется подъемная сила. Однако эта сила недостаточна для полного восприятия нагрузки при полужидкостной смазке. Поток жидкости обтекает участки взаимного контакта поверхностей.

Рис. 4. Схема элементарного гидродинамического клина, образованного неровностями трущихся поверхностей: а --длина элементарного масляного клина; h --начальный зазор между поверхностями в вершине элементарного клина

Во-вторых, если неровности между площадками контакта образуют в направлении относительного перемещения деталей места сужения и расширения по высоте. При достаточном количестве масла между поверхностями трения для заполнения микрополостей сужения играют роль гидродинамических микроклиньев (рис. 4).

Гидродинамическое действие масла на микроклиньях проявляется уже при самой малой скорости скольжения.

Преимущество смазочных масел перед твердыми смазочными материалами заключается в том, что они могут не только создавать гидродинамический эффект при соответствующих условиях, но и служить для охлаждения узла трения.

1.5 Трение качения

Сила трения качения по крайней мере в 10 раз меньше силы трения скольжения.

Сопротивление качению объясняется деформационными потерями в нижележащем твердом теле. При отсутствии пластической деформации трение обусловлено гистерезисными потерями в твердом теле.

Взаимное проскальзывание поверхностей можно представить при рассмотрении качения шарика (рис. 5.1). Окружность АВ шарика перемещается посередине канавки, а окружность CD касается ее края. Как видно из рисунка, окружность А В проходит за один оборот шарика большее расстояние, чем окружность CD. Эта разница и обусловливает скольжение поверхностей трения.

Гистерезисные потери при трении качения поясним с помощью рис. 5.2. Ещё О. Рейнольдс заметил, что когда цилиндр из твердого материала катится по плоской поверхности резины, то при каждом обороте он проходит путь меньший, чем длина окружности цилиндра. Он предположил, что резина растягивается в точке С по-другому, чем в точках В и D в результате имеет место, как уже упоминалось, проскальзывание с соответствующим рассеиванием энергии. Из рис. 3.13 видно, что спереди под шариком в точке Е образуется углубление, а сзади в точке А деформационный материал полностью (при резине), а при металлах частично восстанавливается под действием сил упругости либо упругого гистерезиса; кроме того, вследствие необратимой пластической деформации силы реакции позади шарика меньше, чем силы давления впереди него. В результате шарик совершает работу деформации.

Рис. 5. 1. Шарик, катящийся по канавке. 2. Шарик, катящийся вправо по плоскому упругому основанию

На поверхностях тел качения, как и при их скольжении, возникают силы сцепления. Адгезионное сцепление незначительно влияет на силы трения качения (наличие граничной смазки почти не сказывается на силе трения качения), но играет большую роль в изнашивании тел качения.

Вопросы для самостоятельного изучения:

1. Молекулярно-механическая природа трения.

2. Трение металлических поверхностей при высоких температурах.

3. Оценка поведения масел при граничной смазке. Маслянистость.

4. Твёрдые смазочные материалы.

5. Явление трения при жидкостной смазке.

6. Эффект аномально низкого трения.

2. Модели триботехнических систем

Пара трения -- совокупность двух подвижно сопрягающихся поверхностей деталей (образцов) в реальных условиях службы или испытаний. Помимо материала, формы контактирующихся поверхностей, относительного их перемещения, пара трения характеризуется окружающей средой, в том числе видом смазочного материала. Пара трения образуется соприкасающимися поверхностями деталей, входящих в машинный узел.

Для характеристики макроизменений на сопряженных поверхностях целесообразно все пары трения разбить по кинематическим признакам и условиям контактирования поверхностей на семь групп.

Первая группа охватывает пары трения скольжения с осесимметричными поверхностями, находящимися в одновременном контакте по всей номинальной площади касания; осью симметрии является ось вращения одной из поверхностей при неподвижной другой. К этой группе относятся плоские и кольцевые пяты, диски и конусы фрикционных муфт и тормозов, направляющие кругового движения и другие пары. Для пар этой группы скорости скольжения всех течек, расположенных на круговой траектории произвольного радиуса, равны. Поэтому при центрально действующей осевой силе и осесимметричной жесткости сопряженных деталей распределение износа на каждой поверхности трения будет тоже осесимметричным; в частности оно может быть равномерным. Осевое сечение детали дает представление о форме изношенной поверхности.

Если вследствие неточностей монтажа или по другим причинам приложенная осевая сила эксцентрична, то давления в точках, лежащих на одной круговой траектории, уже не будут одинаковы. Износ вращающейся поверхности по-прежнему будет осесимметричным, так как любая точка круговой траектории за один оборот подвергается воздействию давлении в одинаковой последовательности. У неподвижной поверхности будет наблюдаться неравномерность износа не только в осевых сечениях, но и на круговых траекториях.

Во вторую группу входят вращательные пары, в которых Одна поверхность прения подвергается местному нагружению, а сопряженная с ней -- циркуляционному нагружению при постоянной силе. Деталями этой группы являются подшипники, цапфы и колодочные тормоза.

Местным нагружением круговой цилиндрической поверхности называют такой вид нагружения, когда радиальная нагрузка воспринимается одним и тем же ограниченным участком поверхности. Циркуляционное нагружение -- вид нагружения, когда вращающаяся цилиндрическая поверхность нагружается радиально-последовательно по всей окружности.

Рис. 6. Вращательные пары второй группы: а - циркуляционное нагружение вала и местное нагружение подшипника; б -вращающийся подшипник нагружен постоянной радиальной силой F, вал неподвижен; в - вращающийся вал нагружен постоянной центробежной силой С

На рис. 7 показано влияние макроотклонений в виде бочкообразности на форму изнашиваемых поверхностей при циркуляционной нагрузке на шейку вала. АБВ -- образующая растачивания. Начальное положение вала показано штриховыми линиями. При начальном сопряжении цилиндрической шейки с расточенным бочкообразно подшипником (рис. 7, а) вал контактирует с поверхностью подшипника только на площадках вблизи точек А и В, откуда начинается осесимметричный износ вала и местный износ подшипника. По мере износа область контакта по длине расширяется вплоть до полного контактирования по всей длине подшипника. Рабочие поверхности деталей в осевых сечениях приобретают форму А₁В₁-- кривых двоякой кривизны.

Рис. 7. Влияние бочкообразности одного из элементов вращательной пары на конфигурацию деталей

Рис. 8. Неподвижное положение подшипника

Рис. 9. Расположение зоны износа

Рис. 10. Расположение коррозионного износа

Рис. 11. Расположение абразивного износа

Бочкообразная шейка (рис. 7, б) начинает изнашивать подшипник с середины. Если бочкообразность мала и контакт происходит по всей длине шейки при большей деформации посередине, то изнашивание протекает по всей длине, но с большей интенсивностью посередине. Бочкообразность вала уменьшается с ростом пути трения, а подшипник в зоне нагружения приобретает вогнутость по длине. Нетрудно получить представление об эффекте, производимом перекосом осей и деформацией шейки под изгибающей нагрузкой.

В зависимости от условий трения происходит тот или иной вид изнашивания деталей, оставляя следы на материале. По виду и расположению изношенной зоны можно, как показал Н. Типей, определить механизм, вызвавший соответствующий износ. Для подшипника скольжения трение при гидродинамической смазке не должно вызывать повреждений поверхности; в состоянии покоя контакт шипа и вкладыша происходит на узкой площадке контакта (рис. 8). Износ подшипника в этом месте незначителен и возможен лишь при недостаточной вязкости масла или больших нагрузках, действующих в начале работы. Если к этому добавить корродирующее действие какого-либо агента, то изношенная поверхность приобретает гладкость и блеск. На поверхности можно заметить исчезновение легко реагирующих составляющих (например, свинца). При наличии абразива поверхность становится матовой.

Как уже упоминалось, в результате отсутствия в подшипнике смазочного материала зона износа подшипника смещается в направлении, противоположном движению. На рис. 9 показана зона износа (заштрихована) подшипника при трении без смазочного материала. Коррозия подшипника смещает место износа в сторону вращения (рис. 10). Абразивное изнашивание подшипника вызывает появление на поверхностях трения рисок. Износы велики и могут в 30 раз превосходить коррозионный износ. Зона износа находится вблизи контакта поверхностей в состоянии покоя подшипника (рис. 11).

К третьей группе относят вращательные пары с неравномерным износом по окружности обеих поверхностей трения. Разумеется, в нее входят и шарниры, т. е. вращательные пары с углом относительного качания звеньев менее 360°.

Используя векторную диаграмму нагрузки, можно построить приближенную картину распределения износа по окружности, известную под названием диаграммы износа.

Четвертая группа объединяет направляющие скольжения прямолинейного движения столов, суппортов, ползунов и аналогичного типа деталей металлорежущих станков, кузнечно-прессового оборудования, поршневых двигателей и других машин.

Четвертую группу можно разделить на две подгруппы. В первую входят пары трения с длиной хода большей, чем длина направляющих суппорта (ползуна).

Вторую подгруппу образуют пары, у которых направляющие станины имеют ограниченную длину, суппорт свешивается с них при своем движении. Номинальная площадь контакта пар непостоянна; вследствие этого, а также в связи с изменениями во взаимном положении приложенных и реактивных сил эпюра давлений переменна на участках свешивания. Если суппорт свешивается с направляющих по обе стороны, то в смысле условий изнашивания станина и суппорт меняются местами. Износ направляющих станины более равномерен при свешивании суппорта.

Пятую группу образуют цилиндры, поршни и поршневые кольца паровых машин, двигателей внутреннего сгорания и компрессоров, цилиндрические золотники, золотниковые втулки и кольца.

Цилиндры вертикальных паровых машин изнашиваются под действием сил упругости поршневых колец и давления пара. В мертвых точках давление пара наибольшее, скорость скольжения равна нулю, а вблизи мертвой точки мала. В середине хода скорость близка к максимальной, давление пара снижается. Распределение износа по длине хода поршня зависит от того, какой фактор (давление на стенку или скорость) является превалирующим в данных условиях изнашивания. При обычной точности изготовления и сборки и нормальной эксплуатации больше изнашивается средняя часть цилиндра, его рабочая поверхность принимает бочкообразную форму.

Моторесурс двигателей внутреннего сгорания определяется обычно ресурсом цилиндропоршневой группы, зависящим от износостойкости деталей этой группы. Пыль, попадающая вместе с воздухом в цилиндры, частицы нагара и продукты износа вызывают абразивное разрушение рабочих поверхностей цилиндров и поршневых колец. Давление газов в цилиндре, а, следовательно, и давление поршневых колец на стенки цилиндра имеет наибольшие значения в верхней его части, где условия смазывания неблагоприятны и поверхности трения имеют повышенную температуру. Поэтому в четырехтактных двигателях и двухтактных с прямоточной продувкой зона наибольшего износа цилиндров находится против газоуплотнительных колец в положении поршня в ВМТ, а наибольший износ -- против верхнего кольца.

Иногда обнаруживается еще один максимум износа; он находится в районе первого поршневого кольца в положении НМТ. Бочкообразный износ цилиндров наблюдается в автотракторных двигателях при работе на загрязненном масле, когда абразивные частицы забрасываются на зеркало цилиндра, и в крупных судовых дизелях при недостаточном количестве смазочного материала вследствие конструктивных недоработок смазочной системы.

Шестая группа -- винтовые пары. Это, в первую очередь, передача винт -- гайка. Среднее давление в паре трения передаточный винт -- гайка мало. Распределение износа в радиальном направлении связано с деформацией деталей под нагрузкой, а по длине -- с раздачей усилий по виткам гайки и изменениями в раздаче с течением времени. Достаточные сведения о характере микроизменения поверхностей трения отсутствуют.

К седьмой группе относят зубчато-винтовые передачи.

Рис. 12. Износ боковой поверхности зубьев с увеличенной глубиной фланка: 1 -- теоретический контур; 2 - контур изношенной боковой поверхности

Неравномерность износа зубьев цилиндрических прямозубых колес по длине обусловлена неравномерным распределением нагрузки, вызванным упругими деформациями валов и колес, упругими смещениями подшипников и их неравномерной выработкой, несимметричным расположением венца относительно ступицы и погрешностями обработки и сборки деталей передачи.

Зуб бокового эвольвентного профиля тоже изнашивается неравномерно, в соответствии с различными величинами удельной скорости скольжения и сил трения по профилю, а также с погрешностями его изготовления.

На рис. 12 показан профиль зуба с увеличенной глубиной фланка, скаженный в результате изнашивания. У вершины зуба расположен участок, не участвовавший в зацеплении.

В результате износа зубьев радиусы их кривизны могут уменьшиться, отчего в соответствующих участках профиля зуба контактные напряжения становятся выше предела контактной выносливости при достаточном начальном запасе прочности.

В червячных передачах зубья колеса изнашиваются в большей степени, чем витки червяка. Износ сосредоточивается на участках с неблагоприятными условиями смазывания. Эта зона расположена на стороне выхода червяка из зацепления у ножки зуба.

Литература

1. Д.Н. Гаркунов. ТРИБОТЕХНИКА. ИЗНОС И БЕЗЫЗНОСНОСТЬ

Размещено на Allbest.ru