Основные положения теории трения и изнашивания. Виды трения.

Стр 1 из 15Следующая ⇒

ЧЕРЕПОВЕЦКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

Инженерно-технический институт

Кафедра: Транспортных средств и техносферной безопасности

Разработал: П. М. Быков – к.т.н., доцент

(На правах рукописи)

Конспект лекций

По предмету

ТРЕНИЕ И ИЗНОС

Череповец

2016 г.

Виды трения

•В зависимости от наличия или отсутствия относительного движения различают трение покоя и трение движения.

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

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

•По характеру относительного движения различают трение скольжения и трение качения.

Трение скольжения - это трение движения, при котором скорости тел в точке касания различны по величине и направлению или по величине или по направлению.

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

•Виды трения по наличию смазочного материала - трение со смазочным материалом и трение без смазочного материала.

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

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

Трение без смазки сопровождается высокой температурой, возникающей на микроскопических контактах участков трущихся поверхностей. Нагрев приводит к химическим и структурным изменениям поверхностных слоев деталей.

При различном физическом состоянии смазочного материала различают - газовую смазку, жидкостную смазку, твердую смазку.

•Виды смазки по типу разделения поверхностей трения смазочным слоем: гидродинамическая смазка, гидростатическая смазка, газодинамическая смазка, граничная смазка, полужидкостная смазка и др.

Гидродинамическая смазка - жидкостная (газовая) смазка, при которой полное разделение поверхностей трения осуществляется в результате давления, самовозникающего в слое жидкости (газа) при относительном движении поверхностей.

Полужидкостная смазка - это смазка, при которой частично осуществляется жидкостная смазка.

Граничная смазка - смазка, при которой трение и износ между поверхностями, находящимися в относительном движении, определяется свойствами поверхностей и свойствами смазочного материала, отличными от объемных. Толщина слоя смазки при этом составляет примерно 0, 1 мкм.

•Основными характеристиками процесса трения являются: сила трения, коэффициент трения, поверхность трения, скорость скольжения, коэффициент сцепления.

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

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

Поверхность трения - поверхность тела, участвующая в трении.

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

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

•Основными явлениями и процессами при трении являются: схватывание, перенос металла, заедание, задир, царапанье, выкрашивание, отслаивание, приработка.

Схватывание при трении - явление местного соединения двух твердых тел, происходящего вследствие действия молекулярных сил при трении.

Перенос металла - явление при трении твердых тел, состоящее в том, что материал одного тела соединяется с другим, и, отрываясь от первого, остается на поверхности второго.

Заедание - процесс возникновения и развития повреждений поверхностей трения вследствие схватывания и переноса материала.

Задир - повреждение поверхности трения в виде широких и глубоких борозд в направлении скольжения.

Царапание - образование углублений на поверхности трения в направлении скольжения при воздействии выступов твердого тела или твердых частиц.

Отслаивание - отделение с поверхности трения материала в форме чешуек при усталостном изнашивании.

Выкрашивание - отделение частиц материала при усталостном изнашивании, приводящее к образованию ямок на поверхности трения.

Приработка - изменение геометрии поверхности трения и физико-химических свойств поверхностных слоев материала в начальный период трения, обычно проявляющееся при постоянных внешних условиях в уменьшении силы трения, температуры и интенсивности изнашивания.

•Триботехническими характеристиками материалов являются: совместимость при трении, прилегаемость при трении, способность к поглощению твердых частиц, прирабатываемость.

Совместимость при трении - свойство материалов сопряженных поверхностей предотвращать схватывание при трении.

Прилегаемость при трении - свойство материала при трении увеличивать поверхность трения упругим и пластическим деформированием поверхностного слоя.

Способность к поглощению твердых частиц, - свойство материала способствовать поглощению твердых частиц, чтобы уменьшить их царапающее или режущее действие.

Прирабатываемость - свойство подшипникового материала уменьшать силу трения, температуру и интенсивность изнашивания в процессе приработки.

Виды изнашивания

Детали автомобилей подвержены практически всем видам изнашивания, которые делят на три основные группы:

•механическое,

•молекулярно-механическое

•коррозионно-механическое (рисунок 2.1).

Механическое изнашивание

Механическое изнашивание является результатом механических действий и включает резание, царапание, деформирование, отслаивание и выкрашивание микрообъемов материала.

Основными видами механического изнашивания деталей автомобилей являются:

•абразивное,

•гидро - и газоабразивное,

•гидро-, газо- и электроэрозионное,

•кавитационное,

•усталостное,

•изнашивание при заедании.

Абразивное изнашивание состоит в основном в режущем и царапающем действии на деталь твердых частиц, находящихся в свободном или закрепленном состоянии.

Абразивному изнашиванию в сочетании с другими видами подвержены практически все трущиеся детали автомобиля.

Гидроабразивное изнашивание происходит под действием твердых частиц, взвешенных в жидкости и перемещающихся относительно изнашивающейся детали.

Подвержены водяные, топливные и масляные каналы, а также детали, смазываемые под давлением. При этом абразивными частицами являются не только частицы кварца (песка) и других соединений, попадающие на трущиеся поверхности снаружи, но и частицы нагара и продукты износа, образующиеся внутри агрегатов автомобиля.

Газоабразивное изнашивание возникает под воздействием частиц, взвешенных в газе.

Этому виду изнашивания подвержены впускные и выпускные системы автомобильных двигателей, а также наружные лакокрасочные покрытия кузовов автомобилей особенно при работе в запыленных условиях.

Наибольший износ трущихся поверхностей деталей автомобиля вызывают частицы кварца, поэтому обеспечение чистоты воздуха и эксплуатационных жидкостей, поступающих во внутренние полости агрегатов автомобиля, является важнейшим методом уменьшения интенсивности различных видов абразивного изнашивания.

Кавитация представляет собой образование, а затем поглощение парогазовых пузырьков в движущейся по поверхности детали жидкости при определенных соотношениях давлений и температур в переменных сечениях потока. Разрушение кавитационных пузырьков сопровождается гидравлическими ударами по поверхности детали и образованием каверн (ямок), полостей. Примером кавитационного изнашивания являются каверны, наблюдаемые на наружных поверхностях гильз цилиндров двигателя, на полостях водяных насосов.

Изнашивание при фреттинге возникает при трении скольжения соприкасающихся деталей при возвратно-поступательных перемещениях в условиях динамической нагрузки с малыми амплитудами. Такое изнашивание проявляется в заклепочных, болтовых, шлицевых и шпоночных соединениях, рессорах.

Усталостное изнашивание является механическим изнашиванием в результате усталостного разрушения при повторном деформировании микрообъемов материала поверхностного слоя детали.

Усталостное разрушение проявляется в виде выкрашивания – отделения частиц материала, приводящего к образованию ямок (питтинга) на поверхности трения. Следует также отметить, что на развитие питтинга большое влияние оказывает расклинивающее действие масла (эффект акад. П. А. Ребиндера), заключающееся в разрушении поверхностных слоев высоким давлением масла при затекании его в микротрещины.

Усталостное разрушение имеет место на поверхностях кулачков и зубьев шестерен, в подшипниках качения трансмиссии, в антифрикционном слое вкладышей подшипников коленчатого вала двигателя.

Эрозионное и кавитационное изнашивание – Трение потоков жидкостей и газов о поверхности деталей.

Эрозионное изнашивание является механическим видом изнашивания в результате воздействия на поверхность детали потока жидкости – гидроэрозионное изнашивание – или газа – газоэрозионное изнашивание.

Гидро- и газоэрозионное изнашивания представляют собой процесс вымывания и вырыва отдельных микрообъемов материала. Топливная аппаратура дизелей, жиклеры карбюратора, клапаны газораспределения двигателей подвержены эрозионному изнашиванию.

Электроэрозионное изнашивание является видом эрозионного изнашивания поверхности в результате воздействия разрядов при прохождении электрического тока.

Этому виду изнашивания подвержены контакты прерывателя и свечей системы зажигания автомобильного карбюраторного двигателя.

Схватывание рабочих поверхностей – явление местного соединения в местах контакта, происходящее вследствие действия молекулярных сил – молекулярно-механическое изнашивание.

Изнашивание сопровождается глубинным вырыванием материала, переносом его с одной поверхности трения на другую и воздействием возникших неровностей на сопряженную поверхность и зависит от скорости скольжения поверхностей, а также от температуры.

Схватывание рабочих поверхностей может завершаться прекращением относительного движения деталей и вызывать их задир.

Такое явление может произойти при отказах систем охлаждения и смазки автомобильных двигателей заедание и, как следствие, наблюдаться задиры поршневых колец, поршней, гильз цилиндров, коренных и шатунных подшипников.

Коррозионно-механическое изнашивание является результатом механического воздействия, сопровождаемого химическим или электрическим взаимодействием материала со средой.

Для деталей автомобиля коррозия при трении в основном связана с окислением материала поверхностей деталей, т. е. ведущее значение имеет окислительное изнашивание, при котором основное влияние на изнашивание имеет химическая реакция материала с кислородом или окисляющей окружающей средой.

Долговечность, например, основных деталей цилиндропоршневой группы двигателя ограничивается коррозионно-механическим износом, возникающим вследствие выделения в цилиндрах из продуктов сгорания сернистой, серной, угольной, азотной и других кислот.

Пластические деформации и разрушения. Такие повреждения связаны с достижением или превышением пределов текучести или прочности соответственно у вязких (сталь) или хрупких (чугун) материалов.

Обычно этот вид разрушений является следствием либо ошибок при расчетах, либо нарушений правил эксплуатации (перегрузки, неправильное управление автомобилем, дорожно-транспортные происшествия и т.п.).

Иногда пластическим деформациям или разрушениям предшествует механическое изнашивание, приводящее к изменению геометрических размеров и сокращению запасов прочности детали.

Усталостные разрушения. Этот вид разрушений возникает при циклическом приложении нагрузок, превышающих предел выносливости металла детали. При этом происходят постепенное накопление и рост усталостных трещин, приводящие при определенном числе циклов нагружения к усталостному разрушению деталей. Как правило, оно наблюдается в экстремальных условиях эксплуатации (длительные перегрузки, низкие или высокие температуры) в рессорах, полуосях, рамах.

Старение. Техническое состояние деталей и эксплуатационных материалов изменяется под действием внешней среды.

Так, резинотехнические изделия теряют прочность и эластичность в результате окисления, термического воздействия (разогрев или охлаждение), химического воздействия масла, топлива и жидкостей, а также солнечной радиации и влажности.

В процессе эксплуатации свойства смазочных материалов и эксплуатационных жидкостей ухудшаются в результате накопления в них продуктов износа, изменения вязкости и потери свойств присадок.

Детали и материалы изменяются не только при их использовании, но и при хранении: снижаются прочность и эластичность, например, резинотехнических изделий; у топлива, смазочных материалов и жидкостей наблюдаются процессы, сопровождаемые выпадением осадков.

Знание основных причин изменения работоспособности и технического состояния важно как для совершенствования конструкции автомобилей, так и для выбора наиболее эффективных мероприятий по предупреждению отказов и неисправностей в эксплуатации.

Механические свойства

Кинетика изнашивания

Жизненный цикл трибосопряжения состоит из определенных периодов, различающихся стационарностью. В общем случае их три:

•приработка;

•установившийся износ;

•катастрофический износ;

Приработка (I рис.2 ) является нестационарным режимом изнашивания с убывающей скоростью или отрицательным ускорением изнашивания

В течение приработки происходит формирование поверхности взаимодействия элементов трибосопряжения.

Установившийся износ (II рис.2 ) – стационарный период работы трибосопряжения, во время которого скорость изнашивания постоянна.

Во время установившегося износа нагрузочные параметры трибосопряжения поддерживаются на рабочем режиме.

Катастрофический износ (III) – заключительный период жизненного цикла трибосопряжения, характеризующийся нарастанием скорости изнашивания

Рис. 2. Кинетические кривые износа трибосопряжений

а - классическая форма кривой износа; б. Нет периода установившегося

износа; в. Нет периодов I и III. Весь цикл трибосопряжение работает при I_h =Sonst;

г. Нет периода приработки и установившегося износа

В процессе работы машины показатели изнашивания деталей и сопряжений не сохраняют постоянных значений. Изменения износа деталей во времени в общем случае можно представить в виде модели, предложенной В.Ф. Лоренцом (рис. 5.1).

В начальный период работы, называемый периодом приработки, наблюдается довольно быстрый износ деталей (участок I). Продолжительность этого периода обусловливается качеством поверхностей и режимом работы механизма и составляет обычно 1, 5—2 % ресурса узла трения.

Рис. 5.1. Изменения параметров сопряжения в процессе работы:

1 — износа, ∆ h; 2 —скорости изнашивания, vи; 3 — частоты m отказов; 4 — интенсивности Ihотказов; 5 — затрат С на поддержание работоспособности

Назначение и виды присадок.

Присадки не применяют в чистом виде, но их добавление (иногда в малых количествах) существенно улучшает те или иные эксплуатационные свойства жидких масел и пластичных смазочных материалов.

Содержание присадки в смазочном материале колеблется в зависимости от типа масла или пластичного смазочного материала от 0, 01 до 20 % и выше.

Присадки классифицируют по назначению и составу. По назначению различают следующие присадки:

• адгезионные,

• деэмульгаторы,

•моющие (ПМС, СК-3, MACK),

•противопенные (ПМС-200А),

•вязкостные (ПИБ, КП-10),

•противокоррозионные (АКОР-1, МНИ-7),

•депрессорные (ВНИИНП-157, ПМАД),

•антиокислительные (ЛАНИ-317, ДФ-11),

•приработочные (АЛП-2), фрикционные (АЛП-2),

•противозадирные (ОТП, ЛЗ-28, АБЭС),

•противоизносные (ДФ-11, ЭФО, Хлорэф-40),

•многокомпонентные (ВНИИНП-360 + ПМС + ВНИИНП-354; ДФ-11 + ПМС-200А).

Адгезионные присадки предназначены для повышения липкости и нерастекаемости масел. В эту группу присадок входят полярно-активные вещества, повышающие адгезионные силы притяжения пленки масла к твердой поверхности детали.

Моющие присадки служат для предотвращения отложений и нага- гообразования на поверхностях деталей, работающих при повышенной температуре.

Деэмульгаторы — присадки, разрушающие водо-масляные эмульсии и, таким образом, способствующие снижению содержания воды в смазочном материале.

Антиокислительные присадки используют для замедления процессов старения и окисления масел.

Депрессорные присадки предназначены для снижения температуры застывания и, как правило, входят в состав масел, рекомендуемых для применения в зимнее время и условиях холодного климата.

Назначение присадок остальных типов очевидно из их наименования.

Для улучшения эксплуатационных свойств масел в их состав вводят композицию нескольких присадок — так называемые многокомпонентные присадки, обеспечивающие противоизносные, антиокислительные, противокоррозионные и моющие свойства.

Состав композиции зависит от назначения присадок и совместимости ком-понентов.

Действие противоизносных, противозадирных и противофрикционных присадок основано на их химическом взаимодействии с трущимися поверхностями металла и образовании соединений в виде пленок со свойствами, обеспечивающими снижение износа, устранение заедания и уменьшение коэффициента трения (химическое полирование поверхности; разрушение мест схватывания благодаря пониженной прочности, образующихся пленок по сравнению с исходным металлом; расклинивающий эффект в результате ориентирования молекул смазки).

В качестве таких присадок используют органические соединения металлов в сочетании с соединениями серы, хлора, фосфора (например, свинцовое мыло и осерненные жиры).

ЧЕРЕПОВЕЦКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

Инженерно-технический институт

Кафедра: Транспортных средств и техносферной безопасности

Разработал: П. М. Быков – к.т.н., доцент

(На правах рукописи)

Конспект лекций

По предмету

ТРЕНИЕ И ИЗНОС

Череповец

2016 г.

Основные положения теории трения и изнашивания. Виды трения.

Повышение надежности и долговечности машин является одной из главных проблем современного машиностроения. Экономическое значение этой проблемы очевидно.

Как показал статистический анализ, главной причиной выхода из строя машин является не их поломка, а износ подвижных сопряжений и рабочих органов под влиянием сил трения. Проектируя новую машину, инженер обязательно рассчитывает на прочность наиболее ответственные детали, тогда как практически ни одно подвижное сопряжение не проверяют на износостойкость.

При проектировании и эксплуатации машин не всегда используются наиболее эффективные средства снижения износа, учитывающие конкретные условия работы. По этой причине Россия и другие технически развитые страны несут огромные материальные затраты, связанные с ремонтом машин

Важной частью в машиноведении являются теория трения, исследование износа и износостойкости деталей машин. В рамках этих разделов машиноведения должны решать вопросы повышения качества сопряженных деталей, их смазывания, увеличения коэффициента полезного действия и ресурса работы машины.

Важное место и значение среди разрушительных процессов занимает процесс трения. Работа многих сопряжений узлов, агрегатов связана с относительным перемещением сопряженных поверхностей деталей, вызывающих трение.

Трение влечет за собой бесполезную затрату энергии и изнашивание деталей. Установлено, что трение зависит от большого числа сложных процессов, протекающих на сопряженных поверхностях.

Для выявления природы трения существует несколько различных гипотез и теоретических обоснований.

Долгие годы шел спор между сторонниками механического и молекулярного направлений.

Конец спору был положен в 1939 г., когда Российский учёный И.В. Крагельский объединив эти две точки зрения, предложил теорию, согласно которой внешнее трение имеет двойственную природу и обусловлено как преодолением сил молекулярного взаимодействия между поверхностями, так и преодолением механического сопротивления, связанного с формоизменением поверхностного слоя.

В связи с этим принято различать:

–механическое трение контактирующих поверхностей;

–трение контактирующих поверхностей на атомно-молекулярном уровне

В основе молекулярно-механической теории сухого и граничного трения и износа лежит учет дискретности контакта двух твердых тел, обусловленный шероховатостью и волнистостью поверхностей контакта, которая имеет место на любых твердых

При многократном воздействии в материале упругого полупространства будут периодически возникать сжимающие и растягивающие напряжения.

Высокая температура в сочетании с высокими давлениями, возникающими в зонах касания, приводят к значительным изменениям свойств поверхностных слоев, вызывают значительные температурные напряжения, в микрообъемах протекают процессы «термической обработки». Интенсивно протекают процессы окисления, образование различных химических соединений, взаимной диффузии.

Взаимодействие газов и жидкостей с поверхностями твердых тел в процессе трения формирует «третье тело», что существенно изменяет молекулярную составляющую трения. Это взаимодействие может носить характер либо физической адсорбции, либо хемосорбции.

Измененный поверхностный слой испытывает значительные деформации при трении, его свойства в сочетании со свойствами подложки, состоящей из исходного материала, определяют износостойкость и сдвиговые сопротивления.

Разрушение при износе имеет кумулятивный характер и является результатом последовательного многократного накопления повреждений. Поэтому износостойкость весьма чувствительна к незначительному изменению свойств материалов, изменению природы защитных пленок на поверхности, например, за счет присадок к маслам.

Сложность этих явлений иллюстрирует схема основных факторов, которые необходимо учитывать при анализе фрикционного взаимодействия твердых тел (рис. 6).

Рис. 6. Схема факторов, влияющих на фрикционное взаимодействие твердых тел

Вопросы и проблемы трения и износа рассматривает «трибология». При этом проблема трения существует столько же, сколько существует техника. Не менее трети энергии в любой современной машине тратится на преодоление бесполезного трения между ее частями, несмотря на подшипники и системы смазки

Трибология – наука о трении и процессах, сопровождающих трение. Трибология, как раздел машиноведения, охватывает экспериментально-теоретические исследования физических (механических, электрических, магнитных, тепловых, химических) идругих явлений сопутствующих трению.

Механическая теория трения. В основу ее положено чередование упругих и неупругих механических взаимодействий элементарных неровностей, происходящих при перемещении контактирующих поверхностей.

Она объясняет причины возникновения трения зацеплением шероховатостей трущихся поверхностей, но она не может объяснить причину возрастания трения для очень гладких поверхностей.

Молекулярная теория трения появилась в XVIII веке и была разработана английским физиком Томпсоном (1929 г.). Эта теория объясняет явление трения, исходя из сил молекулярного взаимодействия поверхностей.

Дальнейшее развитие эта теория получила в трудах русского физика Б. В. Дерягина (1935-1941 гг.). Который показал, что под действием внешней нагрузки электронные оболочки атомов настолько сближаются, что возникает отталкивающая сила. Сила, которая преодолевает возникающие отталкивающие атомные силы, и является силой трения.

Молекулярно-механическая теория трения была разработана советским физиком И. В. Крагельским (1946 г.) Эта теория основана на предположении, что трение имеет двойственную природу и обусловлено как взаимным внедрением отдельных выступов поверхности, так и силами молекулярного притяжения. Сущность теории состоит в следующем. Если к гладкой поверхности приложить нагрузку, то она вследствие анизотропности ее элементов по механическим свойствам станет шероховатой.