Глава 1 Основы триботехники

1.1 Общие положения

С общеэнергетических позиций трение – это процесс преобразования внешней механической энергии во внутреннюю в результате взаимодействия тела с окружающей средой.

Классификация основных видов трения представлена на рисунке 1.1. Предлагаемая классификация не претендует на полноту, но помогает при изучении процесса.

Различают внутреннее трение – превращение упругой энергии в тепловую и внешнее трение – рассеяние энергии на контактирующих поверхностях.

В дальнейшем мы будем рассматривать только внешнее трение.

Трение покоя – это внешнее трение тел при их микроперемещениях до перехода к относительному движению.

Трение движения – это внешнее трение тел, находящихся в относительном движении.

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

Трение скольжения – это трение движения твердых тел, при котором их относительные скорости в точках касания различны по величине, направлению или обоим этим параметрам.

Следует отметить, что в технике вообще и в транспортных машинах в частности трение качения (без скольжения) практически не встречается.

В зависимости от условий контактирования трущихся поверхностей трение может осуществляться всухую без смазки и со смазочными материалами различной природы. При сухом трении имеет место непосредственный контакт трущихся поверхностей.

При граничном трении слой смазки, по своим свойствам отличающийся от ее объемных свойств, частично разделяет трущиеся поверхности, непосредственный контакт которых происходит лишь в некоторых точках касания.

Полное разделение трущихся поверхностей наступает при жидкостном трении (жидкая или газовая смазка). В этом случае взаимное скольжение происходит только между отдельными слоями смазки.

В зависимости от способа жидкостного смазывания различают гидродинамическую и гидростатическую (газодинамическую и газостатическую) смазку.

Аналогичный результат может быть получен и при использовании твердой смазки, которая применяется в виде антифрикционных покрытий или модифицированных (например: химически) поверхностных контактирующих слоев трущихся деталей.

Наиболее распространенным в транспортных машинах видом трения является граничное. Оно имеет место при жидкостном – во время пусков и остановов и при сухом – смазкой служит слой окислов, грязи, адсорбированных газов и т.п.

Процесс трения неразрывно связан с изнашиванием контактирующих поверхностей. Разделить эти процессы в реальных узлах не представляется возможным и их изучают совместно.

Схема основных взаимодействий поверхностей деталей, контактирующих в узле трения, представлена на рисунке 1.2.

Рассмотрим внешние (входные) факторы. Природа контактирующих тел определяется их химическим составом и типом структуры. Это может быть пара титановый сплав - полимер, сталь – бронза, минералокерамика - чугун и т.п. Вид контактирующих поверхностей определяется их геометрической формой (плоские направляющие, цилиндрический подшипник, шаровая опора) и шероховатостью поверхности (R_a или R_z), полученной в результате изготовления детали тем или иным способом. Движение в паре трения может быть вращательным, поступательным или иметь сложную траекторию.

Любой узел трения работает в условиях действия эксплуатационных нагрузок, при конкретных скоростях движения, в определенном температурном диапазоне. Наконец, весь процесс трения и изнашивания протекает во внешней среде: атмосфере, вакууме, различных газовых и жидких средах.

Перечисленные факторы характеризуют условия работы каждого конкретного узла трения в любой транспортной машине. Эти условия определяют характер внутренних адаптационных процессов в паре трения, изменяющих параметры поверхностных слоев контактирующих тел.

В процессе трения изменяется шероховатость контактных зон и структура поверхностных слоев. Накопление дефектов (дислокации, микротрещины) и холодная пластическая деформация приводят к изменению физико-механических свойств поверхностных слоев материалов. Генерация тепла, механическое активирование контакта и рабочая среда приводят к возникновению на поверхностях трения пленок различной химической природы.

В результате работы узла мы имеем потери на преодоление сил трения и зазор в контактирующей паре, возникающий в результате изнашивания поверхностей деталей.

Задача инженера максимально уменьшить эти выходные параметры, т.к. нормальная эксплуатация любой транспортной машины невозможна как при значительных потерях на трение, так и при превышении износом некоторой допустимой величины.

Русским инженером В.Ф. Лоренцем в 1937 г. предложена идеализированная кривая износа (рисунок 1.3). Эту кривую и соответствующий ей процесс изнашивания можно разбить на три связанных периода: I – приработочный, II – нормальный (стационарный) и III – катастрофический износы.

Рассмотрим внешние (входные) факторы. Природа контактирующих тел определяется их химическим составом и типом структуры. Это может быть пара титановый сплав - полимер, сталь – бронза, минералокерамика - чугун и т.п. Вид контактирующих поверхностей определяется их геометрической формой (плоские направляющие, цилиндрический подшипник, шаровая опора) и шероховатостью поверхности (R_a или R_z), полученной в результате изготовления детали тем или иным способом. Движение в паре трения может быть вращательным, поступательным или иметь сложную траекторию.

Л юбой узел трения работает в условиях действия эксплуатационных нагрузок, при конкретных скоростях движения, в определенном температурном диапазоне. Наконец, весь процесс трения и изнашивания протекает во внешней среде: атмосфере, вакууме, различных газовых и жидких средах.

Приработочный износ – это износ в начальный нестационарный период трения, характеризуемый взаимной адаптацией контактирующих поверхностей и постепенным переходом к стационарному изнашиванию.

Нормальный или стационарный износ – это результат наиболее длительного процесса изнашивания приработанных поверхностей, характеризуемый постоянной скоростью изнашивания, меньшей, чем в начальный период трения.

Катастрофический износ – это заключительная фаза изнашивания, сопровождаемая накоплением необратимых изменений контактирующих поверхностей и резким (катастрофическим) ростом скорости изнашивания.

При изучении процессов трения и изнашивания пользуются самыми различными количественными характеристиками.

Основными параметрами, характеризующими процесс трения, являются следующие:

– сила трения F (кгс, Н);

– коэффициент трения f (безразмерный);

– температура (мгновенная, объемная, средняя) Т (С, К);

– время приработки t_п (с, мин., час.).

Основные параметры, характеризующие процесс изнашивания, включают следующие:

– радиальный или нормальный (по нормали к поверхности) износ h (мкм, мм);

– приработочный износ h_п (мкм, мм);

– интенсивность изнашивания

(безразмерный), (1.1)

где V – скорость скольжения; t – время;

- –скорость изнашивания

(мкм/час, мм/час); (1.2)

– ресурс, который может выражаться в пути трения

(м, км), (1.3)

во времени

(мин, час), (1.4)

в циклах нагружения

(цикл.), (1.5)

где – допустимый износ; n – число циклов нагружения (оборотов, качаний и т.п.) в единицу времени.

Следует отметить, что подавляющее большинство современных транспортных машин имеет значительный запас мощности, поэтому с позиций их надежной работы, чаще всего целесообразнее направлять усилия на снижение износа, а не на уменьшение сил трения. Однако, это положение зависит от конкретных условий эксплуатации и конструкции транспортных средств.