Меню
Главная
Авторизация/Регистрация
 
Главная arrow Техника arrow ДЕТАЛИ МАШИН И ОСНОВЫ КОНСТРУИРОВАНИЯ
Посмотреть оригинал

Трение и изнашивание

По характеру движения различают трение скольжения и трение качения. Иногда оба вида проявляются совместно, например при качении с проскальзыванием.

В зависимости от режима смазывания различают трение без смазочного материала и со смазочным материалом, причем механизм влияния смазочного материала бывает разным.

Трение без смазочного материала — режим, при котором необходимо создание большой силы трения (например, в тормозах, в передачах трением и т. д.) или смазочный материал не пригоден (например, в чистом производстве). В точках фактического контакта действуют силы молекулярного притяжения, вызывающие адгезию (прилипание). При этом относительное смещение контактирующих поверхностей сопровождается деформацией сдвига, а следовательно, затратой энергии. Еще более сильным проявлением молекулярных сил является схватывание поверхностей (соединение в результате деформирования). Трение без смазочного материала сопровождается скачкообразным скольжением поверхностей, вызывающим рывки и вибрацию в начале и в конце движения. На коэффициент трения сильно влияют пленки окислов, влага, загрязнения.

Трение при граничной смазке — режим трения, при котором поверхности разделены слоем смазочного материала толщиной от одной молекулы до 0,1 мкм. На поверхности твердого тела адсорбируются (концентрируются) и прикрепляются поляризованные молекулы смазочного материала в виде ворса. Эта связь наиболее прочна в одномолекулярном слое и ослабевает по мере удаления от поверхности. Форма граничной пленки повторяет микрорельеф поверхности. Под нагрузкой происходит деформация площадок фактического контакта, но без нарушения целостности пленки, так как она обладает высоким сопротивлением сжатию по нормали к твердой поверхности (свыше 103 Н/мм2). При скольжении нагруженных поверхностей «ворсинки» изгибаются и молекулярные слои скользят один относительного другого. На площадях со значительной пластической деформацией и в точках с высокой температурой происходит разрушение пленки со схватыванием обнажившихся участков. Но лавинного схватывания не происходит, так как пленка «самозалечивается» за счет большой скорости адсорбции смазочного материала на поверхности трения. Со временем граничная пленка изнашивается, смазочный материал из нее уносится на продуктах износа, а также разрушается от окисления.

Особенность граничной смазки заключается в том, что на процесс не влияет вязкость смазочного материала. Введено понятие маслянистости. Это комплекс свойств, оценивающихся по величине коэффициента трения и зависящих от состава основы смазочного материала и наличия определенных присадок в нем для данного сочетания материалов пары трения. Требования к смазочному материалу состоят в том, что пленка должна противостоять большим сжимающим усилиям и в то же время не оказывать большого сопротивления сдвигу.

Трение при жидкостной смазке — это режим трения, при котором происходит полное разделение пар трения слоем смазочного материала. Он является наиболее благоприятным по потерям энергии и износу. Если толщина слоя смазочного материала, разделяющего поверхности трения, больше толщины граничной пленки (0,1 мкм), то с увеличением этого слоя уменьшается влияние твердой поверхности на отстоящие молекулы смазочного материала, а слои на расстоянии более

0,5 мкм от поверхности могут свободно смещаться один относительно другого. Это относится к идеально гладким поверхностям. Для шероховатых поверхностей минимальная толщина смазочного слоя для получения жидкостного трения должна быть не менее суммы максимальных высот выступов шероховатости, а с учетом отклонений формы и волнистости поверхностей и возможных деформаций под нагрузкой максимальная толщина слоя должна в 2 раза превышать указанную сумму.

В условиях внешнего нагружения полное разделение поверхностей может быть получено только при определенном давлении в слое смазочного материала, которое и уравновесит нагрузку. Существует два способа создания давления в несущем слое: гидростатический и гидродинамический. При гидростатическом способе подача смазочного материала к паре трения осуществляется от внешнего источника под давлением. При гидродинамическом способе давление в жидкости возникает непосредственно между поверхностями трения. Необходимыми условиями для этого является наличие клинового зазора и взаимного перемещения, а размер зазора и скорость перемещения находятся в зависимости от нагрузки на поверхностях трения и вязкости смазочного материала.

Вязкость, или внутреннее трение, — это свойство текучих тел оказывать сопротивление перемещению одной их части относительно другой.

Основной закон вязкости Ньютона

где F — сила, вызывающая сдвиг слоев жидкости; S — пло-

dV

щадь сдвигаемого слоя; — — градиент скорости жидкости по

dn

толщине слоя.

Коэффициент пропорциональности |! называется коэффициентом динамической вязкости или просто вязкостью. Он количественно характеризует сопротивление жидкости смещению ее слоев и имеет размерность Н • с/м2.

Трение при полужидкостной смазке — это режим трения, при котором на одной части поверхности трения осуществляется жидкостная смазка, а на другой части — граничная смазка. Нормальная нагрузка уравновешивается суммой сил молекулярного взаимодействия в граничной пленке на площадках контакта и сил гидродинамического давления в смазочном слое между площадками контакта. Сила трения состоит из сил взаимодействия поверхностей, покрытых граничной пленкой, и сил сопротивления вязкому сдвигу в слое смазки. Относительная доля каждой из этих составляющих зависит от нагрузки, скорости взаимного перемещения, геометрии поверхностей трения, количества и вязкости смазочного материала. Гидродинамическое действие смазочного материала при полужидкостной смазке возникает, когда поверхности трения располагаются под углом, образуя клиновой зазор, и когда между неровностями в направлении движения образуются клиновые микрозазоры в виде сужений и расширений по высоте.

Трение при полужидкостной смазке имеет место в подшипниках скольжения, в парах винт—гайка, в парах с возвратно-поступательным движением. Этот режим сопровождается износом поверхностей трения. Для предотвращения интенсивного изнашивания контактное давление на поверхностях трения р не должно превышать определенной величины. Величина допускаемого контактного давления [р] зависит от материалов пары трения, шероховатости поверхностей, характеристик смазочного материала и в конкретных случаях отражает опыт применения трущихся пар. Ориентировочно можно принимать [р] = 10 МПа.

Трение при эластогидродинамической смазке — это режим трения, при котором характеристики трения и толщина пленки смазочного материала определяются упругими свойствами материалов контактирующих тел и свойствами, характеризующими текучесть смазочного материала. При качении или качении со скольжением смазочный материал не успевает покинуть зону контакта. Большое контактное давление деформирует тела качения, увеличивает область малого зазора, делая его почти постоянным. При высоком давлении вязкость смазочного материала возрастает и жидкость с большим трудом вытекает из узкой щели. Образуется пленка смазочного вещества в виде линзы толщиной 0,1...10 мкм.

Трение при твердой смазке — режим трения, при котором поверхности трения разделяются твердым смазочным материалом. Условия смазки промежуточные между несмазанными и смазанными поверхностями, так как поверхности контакта сухие, а твердый смазочный материал придает им такие свойства, как будто они смочены (эквивалент смазочного эффекта). Режим смазки напоминает граничное трение, поскольку твердый смазочный материал образует слой с необходимыми качествами по сжатию и сдвигу, но без строго ориентированной структуры.

Изнашивание — процесс разрушения поверхностных слоев при трении, приводящий к изменению размеров, формы и состояния поверхности детали. Результом изнашивания является износ, выражаемый в единицах длины, объема, массы. Например, износ оценивают толщиной слоя hy снятой в результате изнашивания. Отношение толщины износа детали к пути трения Jh = h/s называется интенсивностью изнашивания. Отношение толщины слоя износа детали к времени, в течение которого происходит изнашивание, Jt = h/t называется скоростью изнашивания. Износостойкость, т. е. способность детали оказывать сопротивление изнашиванию, оценивают величиной, обратной интенсивности или скорости изнашивания.

Процесс изнашивания при эксплуатации узла можно характеризовать типичными кривыми изнашивания (рис. 4.1). Одна из них показывает изменение толщины слоя износа h> а другая — изменение скорости изнашивания Jt по времени. На представленных кривых можно выделить три участка, соответствующих трем стадиям изнашивания.

Рис. 4.1

Участок 1 отражает стадию приработки, когда происходит интенсивное изнашивание. В начальный период трения площадь фактического контакта выступов мала, поэтому действуют большие давления, вызывающие значительные пластические деформации. Неровности частично сминаются, а частично разрушаются. Поверхности передеформируются, несущая способность их увеличивается и снижается интенсивность изнашивания. Большие давления на площадках фактического контакта и интенсивность истирания поверхностей в стадии приработки обусловливают высокую теплонапряженность в зоне контакта и изменение свойств смазочного вещества. Во избежание опасных форм повреждений (например, задира) на стадии приработки полезно предусмотреть облегченный режим работы (с пониженными скоростями и нагрузкой).

Для ускорения приработки применяют специальные присадки в смазочный материал и даже вводят абразивные пасты в зону контакта.

Участок 2 соответствует стадии нормальной (штатной) эксплуатации. При этом износ по времени практически стабилен, а скорость изнашивания постоянна. Интенсивность изнашивания на этой стадии значительно меньше, чем на стадии 1 (на стадии приработки). Такое изнашивание называют установившимся. Процесс установившегося изнашивания заключается в деформировании, разрушении и в последующем воссоздании поверхностного слоя. Геометрические характеристики поверхностей стабилизируются. Однако изменение форм и износ поверхностей постепенно изменяют свойства сопряжения, приводят к повышению давления в зоне контакта и нарушению условий смазывания. Это может вызвать резкое увеличение износа (участок 3 на рис. 4.1). Интенсивное изнашивание приводит к потере точности, понижению КПД, дополнительным динамическим нагрузкам, вибрациям и увеличению шума, к уменьшению прочности и потере работоспособности. Около 80% деталей механизмов и машин выходят из строя из-за изнашивания.

Изнашивание представляет собой разнообразное, многофакторное и очень сложное явление. Вид изнашивания зависит от геометрии и физико-химических свойств поверхностей, нагрузки, условий смазывания и окружающей среды.

Согласно стандарту различают 13 видов изнашивания. В механизмах летательных аппаратов представляют интерес механические виды изнашивания.

Чаще всего в механизмах летательных аппаратов возникает усталостное изнашиваниеу которое проявляется в виде выкрашивания. Выкрашивание происходит при длительной эксплуатации. При повторном деформировании микрообъемов материала возникают усталостные трещины, развитие которых приводит к выходу их на поверхность, чему способствует наклонное ориентирование трещин к поверхности из-за пластического сдвига поверхностного слоя при трении. Наличие на поверхности смазочного материала способствует росту трещин. При контактировании в смазочном материале, попадающем в трещины, возникает давление, и он, будучи несжимаемым, действует подобно клину. Трещины в процессе развития выходят на поверхность, и материал отслаивается. Ямки, возникающие в результате отслаивания материала, приводят к уменьшению фактической площади контакта и росту напряжений, а в результате — к ускорению разрушения.

Абразивное изнашивание проявляется в виде царапающего действия твердых частиц, находящихся в зоне контакта. Эти частицы в открытых передачах попадают извне, а в закрытых могут являться продуктами износа (из-за наклепа их твердость выше, чем у основного материала). Внедряясь в менее твердую поверхность, эти частицы, двигаясь с ней, при скольжении по другой поверхности действуют на нее как микрорезцы.

Изнашивание при заедании проявляется при высоких нагрузках и в вакууме, когда контакт чистых участков материала приводит к схватыванию (местному свариванию) и последующему разрушению мостиков сварки. В результате происходит задирание (вырывание приварившихся частиц), перенос материала с одной поверхности трения на другую и воздействие возникших неровностей на сопряженную поверхность, приводящие к повреждениям.

Изнашивание при фреттинг-коррозии происходит в результате колебательных микросмещений одной поверхности относительно другой. При этом разрушаются, возникают снова и опять разрушаются окисные пленки, а также происходит схватывание на участках чистого материала и разрушение очагов схватывания.

Механическое изнашивание пластическим деформированием состоит в сглаживании и разрушении неровностей за счет среза и смятия микрообъемов, что особенно проявляется при качении со скольжением.

Следует отметить, что разные виды изнашивания часто действуют одновременно и каждый конкретный вид, как правило, стимулирует другие виды изнашивания.

 
Посмотреть оригинал
Если Вы заметили ошибку в тексте выделите слово и нажмите Shift + Enter
< Предыдущая   СОДЕРЖАНИЕ   Следующая >
 

Популярные страницы