Войти
Русь. История России. Современная Россия
  • Что изучает социальная психология
  • Океан – наше будущее Роль Мирового океана в жизни Земли
  • Ковер из Байё — какие фильмы смотрели в Средние века
  • Библиотека: читающий малыш
  • Всадник без головы: главные герои, краткая характеристика
  • 3 стили речи. Стили текста. Жанры текста в русском языке. §2. Языковые признаки научного стиля речи
  • Какие есть виды трения. Трение - это одно из самых главных понятий динамики. Что вы знаете о нем? Виды внешнего трения

    Какие есть виды трения. Трение - это одно из самых главных понятий динамики. Что вы знаете о нем? Виды внешнего трения

    Трение (фрикционное взаимодействие) – процесс взаимодействия тел при их относительном движении (смещении) либо при движении тела в газообразной или жидкой среде.

    Изучением процессов трения занимается раздел физики, который называется трибология (механика фрикционного взаимодействия).

    Трение принято разделять на:

    • сухое , когда взаимодействующие твёрдые тела не разделены никакими дополнительными слоями / смазками (в том числе и твёрдыми смазочными материалами) – очень редко встречающийся на практике случай; характерная отличительная черта сухого трения – наличие значительной силы трения покоя;
    • граничное , когда в области контакта могут содержаться слои и участки различной природы (окисные плёнки, жидкость и так далее) – наиболее распространённый случай при трении скольжения;
    • жидкостное (вязкое), возникающее при взаимодействии тел, разделённых слоем твёрдого тела (порошком графита), жидкости или газа (смазки) различной толщины – как правило, встречается при трении качения, когда твёрдые тела погружены в жидкость, величина вязкого трения характеризуется вязкостью среды;
    • смешанное , когда область контакта содержит участки сухого и жидкостного трения;
    • эластогидродинамическое (вязкоупругое), когда решающее значение имеет внутреннее трение в смазывающем материале. Возникает при увеличении относительных скоростей перемещения.

    Сила трения – это сила, возникающая в месте соприкосновения тел и препятствующая их относительному движению.

    Причины возникновения силы трения:

    • шероховатость соприкасающихся поверхностей;
    • взаимное притяжение молекул этих поверхностей.

    Трение скольжения – сила, возникающая при поступательном перемещении одного из контактирующих / взаимодействующих тел относительно другого и действующая на это тело в направлении, противоположном направлению скольжения.

    Трение качения – момент сил, возникающий при качении одного из двух контактирующих / взаимодействующих тел относительно другого.

    Трение покоя – сила, возникающая между двумя контактирующими телами и препятствующая возникновению относительного движения. Эту силу необходимо преодолеть для того, чтобы привести два контактирующих тела в движение друг относительно друга.

    Сила трения прямо пропорциональна силе нормальной реакции, то есть зависит от того, насколько сильно тела прижаты друг к другу и от их материала, поэтому основной характеристикой трения является коэффициент трения , который определяется материалами, из которых изготовлены поверхности взаимодействующих тел.

    Износ – изменение размеров, формы, массы или состояния поверхности изделия вследствие разрушения (изнашивания) поверхностного слоя при трении.

    Работа любой машины неизбежно сопровождается трением при относительном движении её частей, поэтому полностью устранить износ невозможно. Величина износа при непосредственном контакте поверхностей прямо пропорциональна работе сил трения.

    Абразивный износ частично вызывается действием пыли и грязи, поэтому очень важно содержать оборудование в чистоте, особенно её трущиеся части.

    Для борьбы с износом и трением заменяют одни металлы другими, более устойчивыми, применяют термическую и химическую обработку трущихся поверхностей, точную механическую обработку, а также заменяют металлы различными заменителями, изменяют конструкцию, улучшают смазку (изменяют вид, вводят присадки) и т.д.

    В машинах стремятся не допускать непосредственного трения скольжения твёрдых поверхностей, для чего или разделяют их слоем смазки (жидкостное трение), или же вводят между ними добавочные элементы качения (шариковые и роликовые подшипники).

    Основное правило конструирования трущихся деталей машин состоит в том, что более дорогой и трудно заменяемый элемент трущейся пары (вал) изготовляют из более твёрдого и более износоустойчивого материала (твёрдая сталь), а более простые, дешёвые и легко заменяемые части (вкладыши подшипников) изготовляют из сравнительно мягкого материала с небольшим коэффициентом трения (бронза, баббит).

    Большинство деталей машин выходят из строя именно вследствие износа, поэтому уменьшение трения и износа даже на 5-10% даёт огромную экономию, что имеет исключительное значение.

    Перечень ссылок

    1. Трение // Википедия. – http://ru.wikipedia.org/wiki/Трение .
    2. Износ (техника) // Википедия. – http://ru.wikipedia.org/wiki/Износ_(техника) .
    3. Трение в машинах, трение и износ в машиностроении // Проект-Технарь. Прогрессивные авто-технологии. – http://www.studiplom.ru/Technology/Trenie.html .

    Вопросы для контроля

    1. Что такое трение?
    2. Какие существуют разновидности трения?
    3. Что приводит к возникновению силы трения?
    4. Как классифицируют трение в зависимости от действующих сил?
    5. Что такое износ и как с ним борются?
    <

    Основные понятия и аксиомы динамики. Понятие о трении

    Студенты должны:

    Иметь представление о массе тела и ускорении свободного па­дения, о связи между силовыми и кинематическими параметрами движения, о двух основных задачах динамики.

    Знать аксиомы динамики и математическое выражение основного закона динамики.

    Знать зависимости для определения силы трения.

    Динамика - раздел теоретической механики, в котором уста­навливается связь между движением тел и действующими на них силами.

    В динамике решают два типа задач:

    Определяют параметры движения по заданным силам;

    Определяют силы, действующие на тело, по заданным кине­матическим параметрам движения.

    При поступательном движении все точки тела движутся одина­ково, поэтому тело можно принять за материальную точку.

    Если размеры тела малы по сравнению с траекторией, его тоже можно рассматривать как материальную точку, при этом точкасовпадает с центром тяжести тела.

    При вращательном движении тела точки могут двигаться не­одинаково, в этом случае некоторые положения динамики можно применять только к отдельным точкам, а материальный объект рас­сматривать как совокупность материальных точек.

    Поэтому динамику делят на динамику точки и динамику материальной системы.

    Аксиомы динамики

    Законы динамики обобщают результаты многочисленных опы­тов и наблюдений. Законы динамики, которые принято рассматри­вать как аксиомы, были сформулированы Ньютоном, но первый и, четвертый законы были известны Галилею. Механику, основанную на этих законах, называют классической механикой.

    Первая аксиома (принцип инерции)

    Всякая изолированная материальная точка находится в стоянии покоя или равномерного и прямолинейного движения, приложенные силы не выведут ее из этого состояния.

    Это состояние называют состоянием инерции. Вывести из этого состояния, т.е. сообщить ей некоторое ускорение, внешняя сила.

    Всякое тело (точка) обладает инертностью. Мерой инертности является масса тела.

    Массой называют количество вещества в объеме тела, в классической механике ее считают величиной постоянной. Единица измерения массы - килограмм (кг).

    Вторая аксиома (второй закон Ньютона - основной закон динамики)

    Зависимость между силой, действующей на материальную точку, и сообщаемым ею ускорением следующая:

    F = та,

    где т - масса точки, кг; а - ускорение точки, м/с 2 .

    Ускорение, сообщенное материальной точке силой, nponoрционально величине силы и совпадает с направлением силы.

    Основной закон динамики в дифференциальной форме:

    На все тепа на Земле действует сила тяжести, она телу ускорение свободного падения, направленное к центру Земли:



    где g = 9,81 м/с 2 , ускорение свободного падения.

    Третья аксиома (третий закон Ньютона) Силы взаимодействия двух тел равны по величине и направлены по одной прямой в разные стороны (рис. 13.1):

    При взаимодействии ускорения обратно пропорциональны мас­сам.

    Четвертая аксиома (закон независимости действия сип) Каждая сила системы сил действует так, как она действовала бы одна.

    Ускорение, сообщаемое точке системой сил, равно геометриче­ской сумме ускорений, сообщенных точке каждой силой в отдельно­сти.

    Понятие о трении. Виды трения

    Трение - сопротивление, возникающее при движении одного шероховатого тела по поверхности другого. Прискольжении тел воз­никает трение скольжения, при качении - трение качения. Природа сопротивлений движению в разных случаях различна.

    Трение скольжения

    Причина - механическое зацепление выступов. Сила сопроти­вления движению при скольжении называется силой трения сколь­жения.

    Законы трения скольжения:

    1. Сила трения скольжения прямо пропорциональна силе нор­мального давления:

    F тр = F f = fR,

    где R - сила нормального давления, направлена перпендикулярно опорной поверхности;

    f- коэффициент трения скольжения.


    В случае движения тела по наклонной плоскости

    R = G cos a,

    где а - угол наклона плоскости к горизонту.

    Сила трения всегда направлена в сторону, обратную напра­влению движения.

    2. Сила трения меняется от нуля до некоторого максимального значения, называемого силой трения покоя (статическое трение):

    F f 0 - статическая сила трения (сила трения покоя).

    3. Сила трения при движении меньше силы трения покоя. Сила трения при движении называется динамической силой трения (F f):

    F f ≤ F f 0

    Поскольку сила нормального давления, зависящая от веса и на­правления опорной поверхности, не меняется, то различают стати­ческий и динамический коэффициенты трения:

    F f = fR; F fo = f 0 R.

    Коэффициент трения скольжения зависит от следующих фак­торов:

    От материала: материалы делятся на фрикционные (с боль­шим коэффициентом трения) и антифрикционные (с малым коэффи­циентом трения), например f = 0,14-0,15 (при скольжении стали по стали всухую), f = 0,2-0,3 (при скольжении стали по текстолиту);

    От наличия смазки, например f = 0,04-0,05 (при скольжении стали по стали со смазкой);

    От скорости взаимного перемещения.

    Трение качения

    Сопротивление при качении связано с взаимной деформацией грунта и колеса и значительно меньше трения скольжения.

    Обычно считают грунт мягче колеса, тогда в основном дефор­мируется грунт, и в каждый момент колесо должно перекатываться через выступ грунта. Для равномерного качения колеса необходимо прикладывать силу F JlB .

    Условие качения колеса состоит в том, что движущийся момент должен быть не меньше момента сопротивле­ния:

    F дв > Nk;

    N = G;

    F дв ≥k

    где k- максимальное значение пле­ча (половина колеи) принимается за коэффициент трения качения, размер­ность - сантиметры.

    Ориентировочные значения k(опре­деляются экспериментально): сталь по стали - k = 0,005 см; рези­новая шина по шоссе - k= 0,24 см.

    Жидкостное трение 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. Толщина смазочного материала превышает толщину граничной пленки. Этот режим трения со свойственным ему малым коэффициентом трения является оптимальным для узлов трения с точки зрения потерь энергии, долговечности и износостойкости.

    В зависимости от давления в смазывающей пленке и способа ее образования различают гидростатическую, гидродинамическую и эластогидродинамическую смазку.

    Сопротивление относительному перемещению твёрдых тел, полностью разделённых слоем жидкости или газа, определяется внутренним трением этой среды, её вязкостью. Под вязкостью понимают объёмное свойство газообразного, жидкого или полужидкого вещества оказывать противодействие относительному перемещению составляющих его частиц. Простая модель трения при жидкостной смазке приведена на рисунке 2.5. Две параллельные пластины А и В бесконечной длины разделены слоем жидкости толщиной h.

    Так как молекулы жидкости в слоях, прилегающих к пластинам, прилипают к ним, то на границе с пластиной А внешний слой жидкости увлекается ею и имеет скорость V А, а на границе с пластиной В жидкость имеет скорость V В = 0. При не слишком больших скоростях перемещения имеет место ламинарный режим течения жидкости. Для такого случая, согласно закону вязкого течения, сформулированному И. Ньютоном, сила внутреннего трения F прямо пропорциональна градиенту dv/dh и площади сдвига S:

    F = S (dv/dh), (2.5)

    где - динамическая вязкость смазочного материала, Па*с.

    Этот же закон можно представить в виде:

    = (dv/dh), (2.6)

    где - касательное напряжение (напряжение сдвига) на площадке внутри движущейся среды.

    Рисунок 2.5 - Схема течения жидкости между двумя относительно перемещающимися параллельными пластинами А и В: v a и v в - скорости пластин А и В; h - толщина слоя жидкости; F - сила внутреннего трения

    Те среды, которые подчиняются этому закону пропорциональности касательных напряжений производной скорости по нормали к площадке трения, называются истинно вязкими или ньютоновскими. Теория жидкостной смазки создана прежде всего для ньютоновских жидкостей.

    Условием реализации жидкостной смазки является существование слоя смазочного материала, толщина которого при приложенных нагрузках превышает суммарную высоту микронеровностей сопряжённых поверхностей. Это может быть обеспечено в результате поступления жидкости в зазор между поверхностями трения под внешним давлением - гидростатическая смазка, или под действием давления, самовозбуждающегося в слое жидкости при относительном движении поверхностей. Такой режим смазки называется гидродинамическим.

    Устойчивость смазочного слоя, необходимого для гидродинамического трения, зависит от следующих факторов: конструкции узла трения, скорости относительного перемещения трущихся поверхностей, удельного давления на них, вязкости смазочного материала, площади трущихся поверхностей, величины зазора между ними, температурного состояния узла трения и др.

    Условиями, необходимыми и достаточными для создания гидродинамического трения, являются:

    Наличие смазочного материала, который, кроме основного свойства - вязкости, обладает способностью прилипания к твердым телам;

    относительное перемещение поверхностей вала и подшипника;

    наличие щели вначале сужающейся, а затем расширяющейся в направлении вращения.

    Наиболее типичным примером гидродинамической смазки является работа подшипника скольжения (рисунок 2.6). Если в зазоре между валом и подшипником имеется смазочный материал, то при вращении вала прилипшие к его поверхности слои масла будут двигаться с той же скоростью, что и сам вал, причём они увлекают за собой прилегающие слои масла. По мере увеличения скорости вращения вала жидкость будет затягиваться в зазор и отжимать вал вверх и влево (вал всплывает).

    Если режим работы узла трения не стимулирует образование жидкостной смазки, то поверхности от металлического контакта и последующего катастрофического износа и заедания предохраняют только граничные смазочные слои, и узел трения работает в режиме граничной смазки.

    При этом виде смазки антифрикционные и противоизносные свойства трущихся сопряжений определяются не объёмными свойствами смазочных материалов, а свойствами граничных слоёв, образованных в результате взаимодействия активных компонентов смазочного материала с поверхностными слоями пар трения.

    Долю времени существования того или иного режима трения можно оценить параметром называемым "продолжительность существования смазочного слоя" Р Ж. При Р Ж = 1 обеспечивается жидкостное трение, Р Ж = 0 - трение граничное или без смазочного материала, 0 Р Ж 1 - смешанное трение.


    а - вал неподвижен (v = 0);

    б - положение вала при гидродинамическом смазывании;

    в - положение вала при v ;

    О П и О В - соответственно центры подшипника и вала

    Рисунок 2.6 - Схемы положения равновесия вала в подшипнике

    Наглядное представление об условиях перехода одного режима трения в другой дает совмещение диаграммы Герси с зависимостью величины параметра Р Ж, в которой коэффициент трения f и параметр Р Ж связаны с параметром * v/N, называемым числом Герси (здесь: - динамическая

    вязкость, Па * с; v - линейная скорость относительного перемещения, м/c; N - внешняя нагрузка на смазочный слой, Н).

    I - трение без смазочного материала;

    II - трение при граничной и смешанной смазке;

    III - трение при жидкостной смазке


    Рисунок 2.7 - Совмещение диаграммы Герси с зависимостью продолжительности существования смазочного слоя от числа Герси

    Другой подход в оценке режима трения заключается в том, что вероятность реализации гидродинамического или граничного режима смазки оценивают по величине удельной толщины смазочного слоя, представляющей собой отношение величины h смазочного слоя в зоне минимального зазора к характеристике высоты неровностей рабочих поверхностей этих деталей:

    где R a1 и R a2 - параметры шероховатости рабочих поверхностей соответственно первой и второй контактирующих деталей.

    Если > 3, то имеет место гидродинамический (жидкостный) режим смазки, если < 1 то граничный, если 1 < < 3, то можно допустить реализацию смешанной смазки.

    Гидродинамическая смазка наиболее широко распространённый в технике вид жидкостной смазки. Она имеет место в подшипниках и подпятниках скольжения, на средних участках хода поршня в цилиндро - поршневой группе двигателя внутреннего сгорания, в быстроходных легконагружаемых хорошо приработанных зубчатых передачах и т.д. Коэффициент трения при гидродинамической смазке, как правило составляют 0,001 - 0,01, т. е. энергетические потери в таких сопряжениях очень малы.

    Классическая теория гидродинамической смазки основана на дифференциальном уравнении Рейнольдса, связывающим гидродинамическое давление в слое смазочного материала со скоростью перемещения поверхностей трения, разделённых этим слоем, формой этого слоя, характером приложения нагрузки и т.д. Уравнение Рейнольдса имеет вид:

    где h - толщина смазочного слоя;

    р - местное давление в смазочном слое;

    Динамическая вязкость;

    x и z - координаты направленные соответственно по длине и ширине зазора;

    Z - функция, качественно и количественно устанавливающая влияние на гидродинамическое давление р и на определяемую им несущую способность смазочного слоя режима работы узла трения, характера его нагружения и геометрии контакта.

    Решение уравнения Рейнольдса традиционными методами возможно только для частных случаев при введении граничных условий и упрощающих допущений. Так, во многих случаях пренебрегают боковыми утечками и рассматривают случай плоского течения.

    Характерным гидродинамическим расчётом является расчёт радиальных стационарно нагруженных подшипников скольжения. В этих расчётах особое значение приобретает величина безразмерного параметра Ф, называемого коэффициентом нагруженности (число Зоммерфельда):

    где Р N - равнодействующая сил давления, развиваемого в смазочном слое;

    Относительный зазор (отношение радиального зазора в подшипнике к радиусу вала r в, = /r в);

    S n - площадь проекции опорной поверхности на плоскость, перпендикулярную к линии действия нагрузки (для радиального подшипника S n = ld, здесь d - диаметр вала; l - длина опоры);

    Динамическая вязкость;

    Угловая скорость вала (= v/r в);

    i - число опорных поверхностей;

    Р m = P N / (i S n).

    Коэффициент нагруженности характеризует отношение сил гидравлического давления, развиваемого в смазочном слое, к силам вязкости.

    Подшипники с Ф > 1 относятся к числу высоконагруженных (высокие нагрузки, низкие частоты вращения вала), а с Ф < 1 относятся к высокооборотным (низкие нагрузки, высокие частоты вращения вала). Исходя из величины коэффициента нагруженности определяют относительный эксцентриситет подшипникового узла. Для определения эксцентриситета пользуются специальными таблицами или графиками, полученными в результате решения уравнения Рейнольдса для различных отношений l/d и различных углов охвата.

    где е - абсолютный эксцентриситет;

    Радиальный зазор (= r П - r B).

    Минимальная толщина смазочного слоя h min определяется из выражения:

    h min = (1 -), (2.11)

    Величину h min сравнивают с высотой микронеровностей контактирующих поверхностей в соответствии с уравнением (2.7) и проверяют на соответствие условиям работы при гидродинамической смазке. Если условие < 3 не выполняется, используют масло, имеющее большую вязкость при рабочей температуре.

    При оценке потерь на трение в подшипнике используют также другой безразмерный критерий - коэффициент сопротивления вращению:

    где - угол, образуемый линией центров О П О В и линией действия нагрузки Р

    Знак минус в формуле (2.12) относится к подшипнику, а плюс - к валу.

    Гидростатическая смазка заключается в образовании между сопрягаемыми поверхностями пленки жидкости, в которой статическое давление, возникающее в результате постоянной циркуляции жидкости, поддерживаемой извне, уравновешивает внешнюю нагрузку, полностью отделяя друг от друга поверхности узла трения. Толщина смазочной пленки почти не зависит от нагрузки, несущая способность мало зависит от относительной скорости трущихся поверхностей, сопротивление трению практически отсутствует.

    Такой способ смазки обеспечивает большую свободу в выборе конструктивного решения. Его уникальное достоинство в том, что сопротивление трения мало при разгоне неподвижных деталей машин.

    Принцип гидростатической смазки нашел повсеместное применение для многих деталей машин, он применяется в следующих случаях:

    в упорных подшипниках;

    при подъеме валов тяжелых роторных машин для снижения трения при их разгоне;

    в радиальных подшипниках скольжения, когда угловая скорость вала мала для образования достаточной пленки жидкости;

    в направляющих для снижения трения в деталях, участвующих в прямолинейном движении;

    для поддержания заданного зазора между поверхностями.

    Эластогидродинамическая смазка (ЭГД смазка) реализуется в подшипниках качения, зубчатых передачах, кулачковых механизмах. Теория ЭГД смазки появилась, как обобщение классической теории гидродинамики при учете условий контакта, влияющих на свойства смазочной жидкости и деформацию контактирующих деталей.

    В ЭГД теории не учитываются изменения вязкости и объема смазочного материала в зависимости от температуры, но учитывается изменение вязкости от давления.

    Некоторые общие закономерности при ЭГД смазке:

    для данной нагрузки и скорости качения минимальная толщина ЭГД пленки значительно больше, чем по классической теории;

    в диапазоне упругих деформаций поверхностей толщина ЭГД пленки мало зависит от нагрузки.

    Смешанное трение

    Смешанным трением (полужидкостной смазкой, переходным смазочным процессом) называется сумма всех или, по крайней мере, двух видов трения. При этом часть трущихся поверхностей контактирует непосредственно (трение без смазочного материала), а часть разделена граничной пленкой (граничное трение) или слоем смазочного материала (гидродинамическое или эластогидродинамическое трение).

    Смешанное трение имеет место при малой скорости движения и большом удельном давлении, например, при запуске или остановке машины. Тогда смазочный материал не полностью разделяет поверхности трения взаимодействующих деталей. Часть нормальной нагрузки передается микрополостями контакта, а часть передается через смазочный слой (рисунок 2.8).

    v - скорость относительного перемещения;

    1 - величина деформации;

    Виды трения, смазки и изнашивания деталей машин. Меры по снижению интенсивности изнашивания

    Одной из наиболее распространенных причин постепенных отказов является износ (последствие изнашивания) деталей машин.

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

    Изнашивание является сложным физико-химическим процессом, зависящим от многих факторов: материала и качества трущихся поверхностей, скорости их взаимного перемещения, нагрузки, вида трения, смазывания, смазочных материалов и т.д.

    Различают следующие виды трения: покоя, движения, скольжения, качения, без смазочного материала и со смазочным материалом.

    Смазочный материал — материал, вводимый на поверхности трения для уменьшения силы трения и (или) интенсивности изнашивания.

    Трение без смазочного материала происходит между двумя телами при отсутствии на поверхностях трения введенного смазочного материала любого вида. Твердые тела при этом взаимодействуют непосредственно. Такое трение сопровождается пластическими деформациями и даже временным прочным сцеплением отдельных точек контактирующих поверхностей. ЧТО вызывает их интенсивное разрушение. Трение без смазочного материала наблюдается при работе звеньев гусениц в паре с направляющими и опорными катками гусеничных тракторов и т.д.

    Трение со смазочным материалом происходит между двумя телами, поверхности трения которых покрыты введенным смазочным материалом любого вида.

    Смазка — это действие смазочного материала, в результате которого между двумя поверхностями уменьшаются износ, повреждения поверхности и (или) сила трения.

    Различают следующие виды смазки: в зависимости от физического состояния смазочного материала — газовую, жидкостную и твердую; в зависимости от разделения поверхностей трения смазочным материалом — гидродинамическую (газодинамическую), гидростатическую (газостатическую), эласто-гидродинамическую, граничную и полужидкостную (смешанную).

    Газовая, жидкостная и твердая смазки — это такие смазки, при которых полное разделение поверхностей трения осуществляется соответственно газовым, жидким или твердым смазочным материалом.

    Гидродинамическая (газодинамическая) смазка — это жидкостная (газовая) смазка, при которой полное разделение поверхностей трения осуществляется в результате давления, самовозникаюшего в слое жидкости (газа) при относительном движении поверхностей.

    Гидростатическая (газостатическая) смазка — жидкостная (газовая) смазка, при которой полное разделение поверхностей трения деталей, находящихся в относительном движении или покое, осуществляется в результате поступления жидкости (газа) в зазор между поверхностями трения под внешним давлением.

    Эласта-гидродинамическая смазка — смазка, при которой характеристики трения и толщина пленки жидкого смазочного материала между двумя поверхностями, находящимися в относительном движении, определяются упругими свойствами материалов тел, а также реологическими свойствами смазочного материала.

    Граничная смазка — смазка, при которой трение и износ между поверхностями, находящимися в относительном движении, определяются свойствами поверхностей и свойствами смазочного материала, отличными от объемной вязкости. При этом виде смазки тонкий слой (до 0,1 мкм) смазочного материала состоит из поверхностно-активных (полярных) молекул, которые адсорбируются металлическими поверхностями деталей и создают на них разделяющий детали слой смазочного материала. Поэтому коэффициент трения и износ поверхностей трения при граничной смазке зависят от адсорбирующих способностей металлических поверхностей и способности смазочного материала удерживаться на них.

    Полужидкостная смазка — смазка, при которой частично осуществляется жидкостная смазка, а полное разделение поверхностей трения смазочным материалом не осуществляется.

    При гидродинамической смазке поверхности трения полностью разделены промежуточным слоем смазочного материала. Микровыступы этих поверхностей не входят в непосредственный контакт. Процессы трения и изнашивания характеризуются при этом не материалом трущихся поверхностей, а вязкостью смазочного материала, конструкцией и режимом работы соединения. При этом наблюдается наименьшая интенсивность изнашивания.

    Однако гидродинамическая смазка возможна только при определенной толщине смазочного материала. При уменьшении толщины смазочного материала поверхности трения сближаются. Когда при сближении поверхностей от слоя смазочного материала останется только масляная пленка молекулярной толщины, возникает граничная смазка.

    При граничной смазке действуют молекулярные силы поверхностей трения, а смазочный материал прочно адсорбируется на их поверхностях. Масляная пленка находится под воздействием молекулярных сил, оказывает сопротивление образованию контакта микровыступов трущихся поверхностей, предохраняет их от разрушения.

    Механическое изнашивание представляет собой процесс деформации и разрушения поверхностных слоев, происходящий в результате механического взаимодействия микронеровностей взаимно перемещающихся плоскостей.

    Сближение поверхностей с микронеровностями приводит как к контакту микронеровностей, так и к взаимному проникновению микровыступов одной из поверхностей во впадины другой. При относительном перемещении трущихся поверхностей происходит смятие, сдвиг или изгиб микронеровностей. Одни из них испытывают упругие деформации, другие — пластические. При этом контактное давление на отдельных микровыступах достигает больших значений. При таком давлении в контактных точках возникают температурные вспышки, при которых происходит сваривание микровыступов с почти мгновенным разрывом мостиков сварки. В результате описанных процессов происходит разрушение и деформация трущихся поверхностей.

    Кроме механического воздействия при механическом изнашивании наблюдается молекулярное взаимодействие поверхностей трения.

    Для уменьшения интенсивности механического изнашивания необходимо при механической обработке деталей обеспечивать оптимальную шероховатость поверхности. Например, для шатунных и коренных шеек коленчатого вала оптимальная шероховатость поверхности Ra 0.16...0,32 мкм, что обеспечивается шлифованием и полированием. Эффективным способом уменьшения интенсивности механического изнашивания является создание условий для жидкостного трения. Чем меньше частота вращения и чем больше удельная нагрузка на подшипник, тем больше должна быть вязкость масла для сохранения необходимой толщины масляного слоя. Перегрузка подшипника приводит к резкому уменьшению толщины масляного слоя. При пусках и остановках машин масло выжимается из зазора между поверхностями трения, поэтому в этот момент наблюдается интенсивное изнашивание. Пуски особенно опасны при низких температурах. Вот почему важно подогревать масло и воду перед пуском двигателя.

    Разновидностями механического изнашивания являются: абразивное, гидроабразивное, газоабразивное, гидроэрозионное, газоэрозионное, кавитационное, усталостное изнашивание, а также изнашивание при фреттинге и заедании.

    Абразивное изнашивание материала детали происходит в результате режушего или царапающего действия на него твердых (абразивных) частиц, находящихся в свободном или закрепленном состоянии. Абразивные частицы содержатся в почве, дорожной пыли, а также могут образовываться в процессе трения в подвижных соединениях в виде продуктов изнашивания, оксидов и других химических соединений. Для уменьшения интенсивности абразивного изнашивания необходимо повышать твердость трущихся поверхностей путем термической обработки, наплавки, хромирования и другими способами, а также предотвращать проникновение абразивных частиц к поверхностям трения с помощью уплотнений, воздухоочистителей и фильтров.

    Гидроабразивное (газоабразивное) изнашивание — это абразивное изнашивание в результате действия твердых абразивных частиц или тел, увлекаемых потоком жидкости (газа). Абразивные частицы попадают в поток жидкости (газа) в результате загрязнения топлива, масла, рабочих жидкостей при заправках, неудовлетворительной герметизации и фильтрации. Гидроабразивному (газоабразивному) изнашиванию подвергаются детали насосов, гидроприводов, гидроусилителей, цилиндропорш-невой группы двигателей.

    Для снижения интенсивности гидроабразивного (газоабразивного) изнашивания необходимо также как и при абразивном изнашивании повышать твердость поверхностей деталей, не допускать зафязнения топлива, масла и рабочих жидкостей при заправках, вовремя заменять и следить за исправностью фильтров и воздухоочистителей, уплотиительных элементов машин.

    Гидроэрозионное (газоэрозионное) изнашивание — это изнашивание поверхности в результате воздействия потока жидкости (газа).

    Кавитационное изнашивание — это механическое изнашивание при движении твердого тела относительно жидкости (или наоборот), при котором пузырьки газа захлопываются вблизи поверхности детали, что создаст высокое местное давление или высокую температуру. Пузырьки газа образуются при нарушении сплошности потока жидкости. Захлопываясь вблизи поверхности твердого тела, они создают мощный гидравлический удар жидкости по поверхности металла. Сосредоточение в одном месте на металлической поверхности большого количества таких ударов вызывает разрушение металла в виде каверн (полостей) диаметром 0,2... 1,2 мм. Такому виду изнашивания подвержены поверхности гильз цилиндров, посадочные пояски блоков цилиндров под гильзу, лопасти водяных насосов и другие детали, омываемые потоком жидкости.

    Для увеличения долговечности деталей, подвергающихся кавитационному изнашиванию, необходимо исключать вибрации, повышать жесткость, коррозионную стойкость и твердость деталей. Интенсивность разрушения однородных по составу металлов снижается с увеличением твердости.

    Усталостное изнашивание — это механическое изнашивание в результате усталостного разрушения при повторном деформировании микрообъемов материала поверхностного слоя. Усталостное изнашивание происходит в процессе трения, при котором под действием больших повторно-переменных нагрузок, превышающих предел текучести металла, возникают микропластические деформации сжатия. При многократных деформациях одних и тех же участков на поверхности детали появляются микро-и макроскопические трещины, которые в дальнейшем в результате отслаивания и выкрашивания частиц металла приводят к возникновению осповидных углублений и впадин.

    Усталостное изнашивание при высоких контактных давлениях наблюдается на беговых дорожках подшипников качения, зубьях шестерен и других деталях.

    Основным мероприятием, обеспечивающим снижение интенсивности усталостного изнашивания, является снижение контактных давлений между соприкасающимися поверхностями путем более равномерного их распределения по длине зуба и между телами качения. Этого можно достичь более точным монтажом и соблюдением оптимальных зазоров и натягов в подвижных и неподвижных соединениях.

    Изнашивание при фреттинге — это механическое изнашивание соприкасающихся поверхностей при их колебательном относительном микроперемещении. Это изнашивание происходит при ослаблении затяжки резьбовых соединений. Эффективный способ уменьшения такого изнашивания — своевременная подтяжка резьбовых соединений.

    Изнашивание при заедании — это изнашивание в результате схватывания, глубинного вырывания металла, переноса его с одной поверхности трения на другую и воздействия возникающих неровностей на сопряженную поверхность. Такое изнашивание возникает при значительных удельных нагрузках и граничной смазке и сопровождается выделением значительного количества теплоты, высоким коэффициентом трения и наибольшей интенсивностью изнашивания. Для снижения вероятности возникновения изнашивания при заедании необходимо снижать шероховатость поверхностей, конусность и эллипеность деталей при механической обработке, улучшать условия смазки сопряженных поверхностей, соблюдать рекомендации по обкатке, не допускать перегрузок подвижных соединений в процессе эксплуатации.

    Коррозионно-механическое изнашивание — это изнашивание в результате механического воздействия, сопровождаемого химическим и (или) электрическим взаимодействием материала со средой. К коррозионно-механическому изнашиванию относятся окислительное и изнашивание при фреттинг-коррозии.

    Окислительное изнашивание — это коррозионно-механическое изнашивание, при котором преобладает химическая реакция материала с кислородом воздуха или окисляющей окружающей средой.

    При окислительном изнашивании одновременно протекает пластическое деформирование малых объемов металла поверхностных слоев и проникновение кислорода воздуха в деформированные слои. На первой стадии окислительного изнашивания разрушаются и удаляются мельчайшие твердые частицы из непрерывнообразующихся в результате проникновения кислорода оксидных пленок, на второй стадии происходит образование и выкрашивание пластически недеформирующихся хрупких оксидов.

    Окислительное изнашивание наблюдается при сравнительно невысоких скоростях скольжения и удельных нагрузках при трении скольжения и качения, а также у таких деталей, как шейки коленчатых валов, цилиндры двигателей, поршневые пальцы.

    Износостойкость деталей при окислительном изнашивании зависит от пластичности металла, скорости его окисления и свойств оксидов. Мягкие стали более подвержены окислительному изнашиванию по сравнению с твердыми. Поэтому эффективными способами снижения интенсивности окислительного изнашивания являются закалка, нанесение твердых сплавов, хромирование и другие способы.

    Изнашивание при фреттинг-коррозии — этокоррозионно-механическое изнашивание соприкасающихся тел при малых колебательных относительных перемещениях. Фреттинг-коррозия является особым видом изнашивания номинально неподвижных деталей в результате возвратно-поступательных перемещений с очень малой амплитудой. Причиной таких перемещений могут быть вибрации, динамические нагрузки, периодический изгиб или скручивание сопряженных деталей.

    Фреттинг-коррозия обусловлена развитием на поверхности контакта сопряженных металлических поверхностей различных по своей природе физико-химических процессов: пластического деформирования металла, усталостных процессов, сопровождающихся окислением и коррозией, схватывания, абразивного разрушения. Интенсивность изнашивания при фреттинг-коррозии зависит от амплитуды относительного смешения, контактного давления, частоты колебаний, количества циклов нагружения, относительной твердости поверхностей и окружающей среды. К способам защиты поверхностей контактирующих деталей от фреттинг-коррозии относятся закалка токами высокой частоты, химико-термическая обработка, нанесение на поверхности деталей различных пленок и покрытий, применение смазочных материалов. Для повышения долговечности неподвижных соединений подшипников качения необходимо снижать относительные перемещения сопряженных поверхностей путем обеспечения определенной величины натяга, предотвращать контактирование металлических поверхностей нанесением покрытий из полимерных материалов.

    Виды трения и смазки

    По ГОСТ 27674–88, различают два основных вида трения:

    – трение без смазочного материала;

    – трение со смазочным материалом.

    Особенно опасным считают трение ювенильных (обнаженных) поверхностей. Оно относится к трению без смазочного материала и характеризуется непосредственным взаимодействием между твердыми телами при отсутствии между ними третьей фазы (например, оксидной пленки), способной выполнять смазочную функцию.

    Ювенильная поверхность несет значительный запас свободной поверхностной энергии и, следовательно, характеризуется высокой адсорбционной способностью. Коэффициент трения при взаимодействии ювенильных поверхностей достигает 6–7 единиц и сопровождается схватыванием поверхностей (заеданием).

    Металлическая поверхность может сохранять ювенильные свойства лишь в условиях высокого вакуума или в атмосфере инертного газа, что встречается при износе деталей в случаях, когда отделяются оксидные пленки и твердые тела вступают в непосредственный контакт. Такое явление наиболее часто имеет место при трении деталей из однородных материалов, например, сталь по стали.

    При сухом трении смазочный материал между трущимися поверхностями практически отсутствует. При этом наблюдается механическое зацепление микронеровностей и молекулярное взаимодействие поверхностей в зонах контакта. В этом случае сила трения выражается законом Амонтона–Кулона:

    где N - нормальная сила;

    f - коэффициент трения скольжения.

    Коэффициент f зависит от величины микро– и макронеровностей поверхностей, скорости относительного их скольжения, физических свойств трущихся материалов и температуры. Величина коэффициента трения f “чистых” металлов для металлических пар лежит в пределах от 0,06 до 0,20. При граничном (полусухом, полужидкостном) трении молекулы масла адсорбируются кристаллической решеткой металла, образуя несколько слоев упорядоченных молекул, толщиной около 0,1 мкм. Это позволяет несколько снизить пластические деформации металлов и уменьшать, таким образом, крайне негативные последствия сухого трения. При жидкостном трении контакт поверхностей заменяется трением слоев смазки. Коэффициент трения выражается соотношением:

    где A - коэффициент пропорциональности;

    Коэффициент динамической вязкости;

    V - скорость относительного перемещения;

    N - нормальная сила.

    Различают жидкостное и граничное трение со смазочным материалом.

    Жидкостное трение имеет место при наличии промежуточного слоя смазки, полностью разделяющего трущиеся поверхности. Процессы трения и изнашивания характеризуются при этом не материалом трущихся деталей, а вязкостью смазочного слоя, конструкцией и режимом работы соединения.



    Толщина слоя смазки, м,

    (2.4)

    где - диаметр вала, м;

    Абсолютная вязкость масла, Нc/м 2 ;

    Частота вращения вала, с -1 ;

    Зазор (разность диаметров подшипника и вала), м;

    Поправка на конечную длину подшипника.

    При уменьшении толщины масляного слоя трущиеся поверхности сближаются. Когда в процессе сближения достигается такое положение, при котором они разделяются не слоем смазки, а масляной пленкой молекулярной толщины, наступает граничное трение.

    Граничное трение возникает под действием молекулярных сил трущихся поверхностей, смазочное вещество прочно адсорбируется на поверхностях трения. Полярные концы молекул смазочного вещества образуют на поверхностях трения «молекулярный частокол».

    Граничная фаза масляной пленки, находясь под двусторонним воздействием молекулярных сил, приобретает: квазитвердое состояние с расклинивающим давлением, оказывающим сильное сопротивление образованию металлического контакта; скользкое состояние, напоминающее мыло, смоченное водой. Указанные свойства предохраняют трущиеся поверхности от разрушения.

    При жидкостном трении контакта трущихся поверхностей вообще не должно быть, равно как и их изнашивания. Согласно гидростатической теории смазки, пусть даже без непосредственного контакта, незначительный износ поверхностей все же наблюдается в результате физико–химических, в том числе и электростатических процессов, возникающих между трущимися поверхностями, и контакта их со смазочным материалом.

    В соответствии с ГОСТ 27674–88 различают три вида изнашивания (рисунок 2.3).

    Механическое изнашивание (Mechanical wear) возникает в результате механических воздействий.

    Наиболее распространенным видом механического изнашивания является абразивное изнашивание.

    Абразивное изнашивание (Abrasive wear) - это механическое изнашивание материала в результате режущего или царапающего действия твердых тел или твердых частиц.

    При попадании твердых абразивных частиц на трущиеся поверхности происходит царапание поверхности с образованием стружки. Царапание - это образование углублений на поверхности трения в направлении скольжения при воздействии выступов твердого тела или твердых частиц. Абразивные частицы могут попадать из окружающей атмосферы, при недостаточной фильтрации смазки или образовываться при разрушении микрообъемов трущихся поверхностей.

    Примером чисто абразивного изнашивания является изнашивание тормозных накладок и барабанов или дисков, шкворневых соединений, рессорных шарниров автомобиля.

    Гидроабразивное и газоабразивное (Hydroabrasive (gasoabrasive) wear) изнашивание является разновидностью абразивного изнашивания и происходит в результате действия твердых тел или твердых частиц, увлекаемых потоком жидкости (газа).

    Примером гидроабразивного изнашивания является износ элементов шестеренчатых масляных насосов, трубопроводов, плунжерных пар топливной аппаратуры, а газоабразивного - цилиндров компрессора, воздушных жиклеров карбюратора.

    Гидроэрозионное (газоэрозионное) (Hydroerosive (gaserosive) wear) изнашивание происходит в результате воздействия на материал потока жидкости (газа).

    Газоэрозионное изнашивание можно наблюдать на рабочих поверхностях тарелок выпускных клапанов двигателя, на зеркале цилиндров двигателя, а гидроэрозионное изнашивание - на поверхности жиклеров карбюратора.

    Кавитационное изнашивание (Cavitations wear) - это механическое изнашивание при движении твердого тела относительно жидкости, при котором пузырьки газа захлопываются вблизи поверхности, что создает высокое местное ударное давление или высокую температуру.

    Очень характерная картина кавитационного изнашивания на лопастях и корпусе водяного насоса двигателя.

    Усталостное изнашивание (Fatigue wear) - это механическое изнашивание в результате усталостного разрушения при повторном деформировании микрообъемов материала поверхностного слоя.

    Усталостное изнашивание может происходить как при трении качения, так и при трении скольжения. Например, на беговых дорожках подшипников, поверхности зубьев шестерен, кулачков и т.д.

    Изнашивание при фреттинге (Fretting wear) - это механическое изнашивание соприкасающихся тел при колебательном относительном микросмещении. Например: изнашивание мест контакта вкладышей шеек коленчатого вала и постели в картере и крышке.

    Изнашивание при заедании (Adhesive wear) происходит в результате схватывания, глубинного вырывания материала, переноса его с одной поверхности на другую и воздействия возникших неровностей на сопряженную поверхность. Оно приводит к задирам, заклиниванию и разрушению механизмов. Такое изнашивание обусловливается наличием местных контактов между трущимися поверхностями, на которых вследствие больших нагрузок и скоростей происходит разрыв масляной пленки, сильный нагрев и “сваривание” частиц металла. При дальнейшем относительном перемещении поверхностей происходит разрыв связей. Типичный пример - заклинивание коленчатого вала, поршневых колец.

    Коррозионно–механическое изнашивание (Mechanocorrosive wear) бывает при окислительном изнашивании и фретинг–коррозии.

    При окислительном изнашивании (Oxidative wear) преобладает химическая реакция материала с кислородом или окисляющей окружающей средой. Вследствие окисления материала кислородом образуются тонкие пленки, которые затем удаляются с поверхности трения механическим трением, а обнажающиеся поверхности опять окисляются. Такое изнашивание наблюдается на деталях цилиндропоршневой группы, тормозной системы с гидроприводом, гидроусилителе рулевого управления.

    Изнашивание при фреттинг–коррозии (Fretting corrosion wear) возникает при малых колебательных относительных перемещениях соприкасающихся тел относительно друг друга в коррозионной среде, особенно в условиях вибрации.

    Электроэрозионное изнашивание (Electroerosive wear) проявляется в эрозионном изнашивании поверхности в результате воздействия разрядов при прохождении электрического тока, например, между электродами свечи зажигания, контактами прерывателя и т.д.