Какие виды трения. Трение, его виды. Трение скольжения и трение качения. Сила и коэффициент трения. Борьба с износом трущихся деталей. Сила трения покоя

ОПРЕДЕЛЕНИЕ

Из второго уравнения:

Сила трения:

Подставив выражение для силы трения в первое уравнение, получим:

При торможении до полной остановки скорость автобуса падает от значения до нуля, поэтому автобуса:

Приравнивая правые части соотношений для ускорения автобуса при аварийном торможении, получим:

откуда время до полной остановки автобуса:

Ускорение свободного падения м/с

Подставив в формулу численные значения физических величин, вычислим:

ПРИМЕР 2

Еще в школьные годы, в седьмом или восьмом классе, каждый человек знакомится с новым понятием динамической физики, - трением. Однако многие, повзрослев, забывают, и каким образом действует эта сила. Давайте попробуем разобраться в этой теме.

Определение понятия

Трение - это явление, которое заключает в себе следующий смысл: когда два тела соприкасаются друг с другом, на месте их контакта образуется особое взаимодействие, препятствующее телам продолжать движение относительно друг друга. Ясно, что можно подсчитать значение взаимодействия этих тел. как раз таки и характеризует данное взаимодействие количественно. Если трение происходит между твердыми телами (например, взаимодействие книги с книжной полкой или яблока со столом), то такое взаимодействие называется сухим трением.

Следует понимать, что трение - это сила, имеющая электромагнитную природу. Это означает, что причиной возникновения данной силы является взаимодействие между частицами, из которых состоит то или иное тело.

Каким бывает трение?

Благодаря разнообразию существующих в нашем мире предметов можно определить, что каждый из них имеет свою структуру и обладает индивидуальными свойствами. Это означает, что и взаимодействие между различными предметами будет отличаться. Для правильного понимания сути и грамотного решения многих задач в физике принято условно разделять три вида трения. Итак, разберем каждый по отдельности:

• Первое трение - это трение покоя, которое возникает при отсутствии относительного перемещения двух тел. Мы можем наблюдать его примеры повсюду, ведь сила, возникающая при этом трении, удерживает предметы в равновесии. Например, товары на движущейся ленте транспортера, вбитый в стену гвоздь или человек, стоящий на полу.
• Трение скольжения - это условно второе трение. Значение скольжения определяется таким образом: когда к телу, находящемуся в равновесии, прикладывают силу, которая больше, чем сила трения покоя, начинает действовать сила трения скольжения, и тело сдвигается с места.
• И наконец, трение качения , объясняющее взаимодействие двух тел, одно из которых перекатывается по поверхности другого. Разница в и скольжения объясняется тем, что при любом движении площади тела смещаются по длине поверхности соприкосновения, и вместо разорванных межмолекулярных связей образуются новые. А в случае когда колесо катится без проскальзывания, молекулярные связи при подъеме участков колеса разрываются гораздо быстрее, чем при скольжении. Получается, что сила трения качения меньше силы скольжения.

Где и как можно использовать трение?

Трение - это незаменимое явление, без которого мы бы не смогли делать элементарные вещи: ходить, сидеть или же просто держать предметы в руках. Поэтому не стоит недооценивать значение трения. Как говорил французский физик Гильом: "Не будь трения, наша Земля была бы без единой шероховатости, она была бы подобна жидкой капле".

Пожалуй, лучший пример, который наиболее точно характеризует трение, - это работа колеса. Еще в древности было замечено, что силы трения качения гораздо меньше сил трения скольжения. Именно неоспоримая польза трения качения послужила причиной того, что люди стали подкладывать бревна или катки для перемещения тяжелых и габаритных грузов. С течением времени люди совершенствовали знания об удивительных свойствах трения качения, наблюдали за движением предметов под воздействием сил трения и, наконец, изобрели колесо! В современном мире невозможно представить жизни без этих незаменимых деталей, ведь колеса - это вторые "двигатели" любого транспорта!

Как вычислить значение силы трения?

Как и любая другая обладает целочисленными значениями. Для того чтобы точно определить, сколько силы потребуется для перемещения или других видов работ, необходимо подсчитать силу трения покоя. Этим обычно занимаются инженеры, когда, например, строят заводы или же изобретают новые устройства. Однако даже обычные школьники сталкиваются с определенными задачами, где требуется вычислить силу трения. Итак, чтобы подсчитать его значение, нужно просто воспользоваться несложной формулой: F трения = K * N, где k - это коэффициент трения. Значение всех коэффициентов зависит всегда от поверхности предмета, по которому движется или с которым взаимодействует тело. "N" в нашей формуле означает силу на тело. Она зависит в первую очередь от массы тела, которое соприкасается с поверхностью опоры.

Вычисляем значение силы в задаче

Допустим, тело массой m = 3 кг находится на горизонтальной доске. между деревянной доской и телом равен 0,3. Как же найти значение силы трения? Очень просто, всего-то нужно подставить наши значения в формулу. Только нужно учесть, что N в данном случае равен весу тела (по 3-му закону Ньютона). Итак, искомая сила равна (m * g) * k = (3 кг * 10 м/с 2) * 0,3 = 9 H.

Выделяют три вида сил трения: трение скольжения, трение качения и трение покоя.

Сила трения скольжения возникает, когда одно тело перемещается по поверхности другого. Чем больше вес тела, и чем больше коэффициент трения между данными поверхностями (коэффициент зависит от материала, из которого сделаны поверхности), тем больше сила трения скольжения.

Сила трения скольжения не зависит от площади соприкасающихся поверхностей. При движении брусок, лежащий на своей большой по площади грани, будет иметь такую же силу трения скольжения, как если его положить на самую маленькую грань.

Основная причина возникновения силы трения скольжения - мельчайшие неровности поверхностей двух тел. Ими тела цепляются друг за друга при движении. Если бы не было силы трения скольжения, то тело, приведенное в движение кратковременным действием на него силы, продолжало бы двигаться равномерно. Однако, поскольку сила трения скольжения существует, и она направлена против движения тела, то тело постепенно останавливается.

Вторая причина возникновения силы трения скольжения - межмолекулярные взаимодействия на соприкасающихся поверхностях двух тел. Данное взаимодействие может возникнуть только на очень гладких, хорошо отполированных поверхностях. Молекулы разных тел оказываются очень близко друг к другу и притягиваются. Из-за этого движение тела тормозится.

Сила трения качения возникает, когда по поверхности одного тела, перекатывается другое, обычно круглой формы. Например, катятся колеса транспортных средств на дороге, перевернутая на бок бочка с пригорка, шарик по полу.

Сила трения качения намного меньше силы трения скольжения. Вспомните, большую сумку легче вести на колесиках, чем волоком тащить по земле. Причина кроется в разном способе контакта между движущимся телом и поверхностью. При качении колесо как бы вдавливает, подминает под себя поверхность, отталкивается от нее. Катящемуся колесу не приходится цеплять множество мелких неровностей поверхности, как при скольжении тел.

Чем тверже поверхность, тем меньше сила трения качения. Например, по песку ехать на велосипеде труднее, чем по асфальту, так как на песке приходится преодолевать бо льшую силу трения качения. Это связано с тем, что отталкиваться от твердых поверхностей легче, они не сильно вдавливаются. Можно сказать, что сила, которая действует со стороны колеса на твердую поверхность, не расходуется на деформацию, а почти вся возвращается в виде силы нормальной реакции опоры.

Сила трения покоя окружает нас повсеместно. Все предметы, которые лежат на других телах, удерживаются силой трения покоя. Силы трения покоя даже хватает, чтобы удерживать предметы на наклоненных поверхностях. Например, человек может стоять на склоне холма, брусок неподвижно лежать на слегка наклоненной линейке. Кроме того, благодаря силе трения покоя возможны такие формы движения, как ходьба и езда. В этих случаях происходит «сцепление» с поверхностью за счет силы трения покоя, в результате появляется возможность отталкиваться от поверхности.

Причины силы трения покоя такие же, как у силы трения скольжения.

Сила трения покоя возникает, когда пытаются сдвинуть стоящее тело. Пока сила, пытающаяся двигать тело, меньше силы трения покоя, тело будет оставаться на месте. Как только эта сила превысит определенную максимальную силу трения покоя для данных двух тел, одно тело начнет двигаться относительно другого, и на него уже будет действовать сила трения скольжения или качения.

В большинстве случаев максимальная сила трения покоя немного превосходит силу трения скольжения. Так, чтобы начать двигать шкаф, надо сначала приложить чуть больше усилий, чем прикладывать их, когда шкаф уже двигается. Часто разницей между силами трения покоя и скольжения пренебрегают, считая их равными.

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

1.1 Трение и виды трения

Трение - основная причина изнашивания деталей машин. Про­блемы трения, изнашивания и смазывания изучает наука трибология, базирующаяся на фундаментальных законах физики, химии, механики сплошных сред, термодинамики и материаловедения.

Различают трение:

Скольжение

Сила трения качения примерно в 10 раз меньше силы трения скольжения.

В процессе работы машин поверхности трения деталей находятся в различных условиях. В зависимости от того, есть или нет смазка между трущимися поверхностями, различают следующие виды трения.

Трение без смазки происходит при отсутствии на поверхностях трения обоих твердых тел смазочного материала всех видов.

Граничное трение двух твердых тел возникает при тонком слое смазки на поверхностях трения, не превышающем высоты шероховатостей соприкасающихся поверхностей.

Жидкостное трение возникает между двумя телами, полностью разделенными слоем жидкости (смазки). Отсутствие контакта между поверхностями предохраняет их от разрушения.

Изнашивание и виды изнашивания

Изнашивание - процесс разрушения и отделения материала с поверхности твердого тела при трении и (или) увеличении его оста­точной деформации, проявляющейся в постепенном изменении размеров и (или) формы тела.

В условиях всех видов трения происходит разрушение трущихся поверхностей, т. е., поверхности изнашиваются.

Классификация видов изнашивания

Согласно ГОСТ 23.002 – 78 различают 3 основных вида изнашивания:

механическое

корозионно-механическое

при действии электрического тока (электроэрозионное)

Механическое изнашивание возникает в результате воздействия твердых частиц на трущиеся поверхности. В эту группу следует отнести такие виды изнашивания, как абразивное, гидро- и газоабразивное, усталостное, кавитационное, эрозионное.

Абразивное изнашивание - изнашивание в результате механических воздействий посредством режущего и царапающего действия твердых тел или частиц при наличии относительной скорости перемещения.

Гидро- и газоабразивное изнашивание появляется в результате воздействия твердых тел или частиц, увлекаемых потоком жидкости или газа.

Усталостное изнашивание вызывает изменение поверхности трения или отдельных участков в результате повторного деформирования микрообъемов материала, приводящего к возникновению трещин и отделению частиц.

Кавитационное изнашивание поверхности происходит при относительном увеличении скорости движения твердого тела в жидкости, т. е. в условиях гидродинамической кавитации - нарушения сплошности внутрижидкости.

Эрозионное изнашивание возникает в результате воздействия потока жидкости или газа.

Коррозионно-механическое изнашивание есть изнашивание при трении металла, вступившего в химическое взаимодействие со средой.

К факторам, определяющим интенсивность изнашивания относятся:

Род трения (скольжения, качения, качения с проскальзыванием)

Вид трения (сухое, граничное, гидродинамическое)

Среда (воздух, вода, газ, почва)

Вид контакта пар трения (точка, линия, плоскость, цилиндр, сфера)

Характер движения (равномерное, непрерывное и т.д.)

Вид движения (вращательное, поступательное, возвратно-поступательное)

Характер нагрузки (постоянная, неустановившаяся, знакопеременная)

Величина нагрузки

Скорость перемещения трущихся поверхностей

Температурные условия

Основные пути снижения интенсивности механического истирания:

1) Конструкционные :

Обеспечение рациональной жесткости и податливости деталей (плавающие детали, рессоры, пружины, прокладки)

Выбор рациональных пар трения

Сочетание твердого материала с мягким (устраняется заедание)

Сочетание твердого материала с твердым (высокая износостойкость)

Исключение сочетания одноименных материалов и мягкого с мягким

Применение пористых, порошковых антифрикционных материалов

Замена пар трения скольжения на качение

Создание условий для жидкостного трения

2) Технологические:

Обеспечение оптимальной шероховатости

Соблюдение точности изготовления и упрочнение поверхностей трения

3) Эксплуатационные:

Разгрузка рабочих поверхностей

Соблюдение правил эксплуатации, ТО и ремонта машин

Контроль и дефектация сопряжений и деталей. Методы контроля.

2.1. Контроль и дефектация сопряжений и деталей

Дефектация - операция технологического процесса ремонта машины, заключающаяся в определении степени годности бывших в эксплуатации деталей и сборочных единиц к использованию на ремонтируемом объекте. Она необходима для выявления у деталей дефектов, возникающих в результате изнашивания, коррозии, уста­лости материала и других процессов, а также из-за нарушений ре­жимов эксплуатации и правил технического обслуживания.

В результате трения и изнашивания деталей в конкретных усло­виях эксплуатации изменяются геометрические параметры, шеро­ховатость рабочих поверхностей и физико-механические свойства поверхностных слоев материала, а также возникают и накаплива­ются усталостные повреждения.

Под изменением геометрических параметров деталей понимают изменение их размеров, формы и взаимного расположения поверх­ностей. К нарушениям формы относят: неплоскостность, непрямо­линейность, овальность, конусность и т. д., к отклонениям взаим­ного расположения поверхностей - непараллельность плоскостей и осей вращения поверхностей, торцовое и радиальное биение, не­соосность.

Усталостные повреждения нарушают сплошность материала, способствуют возникновению микро- и макротрещин, выкрашива­нию металла рабочих поверхностей и излому деталей.

Изменение физико-механических свойств материала - наруше­ние структуры материала, а также уменьшение или увеличение твердости, прочности, коэрцитивной силы ферромагнитных мате­риалов и т.д.

Степень годности деталей к повторному использованию или восстановлению устанавливают по технологическим картам на дефектацию. В них указаны: краткая техническая характеристика де­тали (материал, вид термической обработки, твердость, размеры восстановления, отклонение формы и взаимного расположения поверхностей), возможные дефекты и способы их устранения, методы контроля, допустимые без ремонта и предельные размеры. Оценку проводят сравниванием фактических геометрических параметров деталей и других технологических характеристик с допустимыми значениями.

Номинальными считают размеры и другие технические характе­ристики деталей, соответствующие рабочим чертежам.

Допустимыми считают размеры и другие технические характери­стики детали, при которых она может быть поставлена на машину без восстановления и будет удовлетворительно работать в течение предусмотренного межремонтного ресурса.

Предельными называют выбраковочные размеры и другие харак­теристики детали.

Часть деталей с размерами, не превышающими допустимые, мо­гут быть годными в соединении с новыми (запасными частями), восстановленными или с деталями, бывшими в эксплуатации. По­этому в процессе контроля их сортируют на пять групп и маркируют краской соответствующего цвета: годные (зеленым), годные в со­единении с новыми или восстановленными до номинальных разме­ров деталями (желтым), подлежащие ремонту в данном ремонтном предприятии (белым), подлежащие восстановлению на специали­зированных ремонтных предприятиях (синим) и негодные - утиль (красным). Годные детали транспортируют в комплектовочное от­деление или на склад, требующие ремонта - на склад деталей, ожи­дающих ремонта, или непосредственно на участки по их восстанов­лению, негодные - на склад утиля.

У деталей обычно контролируют только те параметры, которые могут изменяться в процессе эксплуатации машины. Многие из них имеют несколько дефектов, каждый из которых требует проверки. Для уменьшения трудоемкости дефектации необходимо придержи­ваться той последовательности контроля, которая указана в техно­логических картах, где вначале приведены наиболее часто встреча­ющиеся дефекты.

Методы контроля

При дефектации используют следующие методы измерения: аб­солютный , когда прибор показывает абсолютное значение измеря­емого параметра, и относительный - отклонение измеряемого па­раметра от установленного размера.

Искомое значение можно отсчитывать непосредственно по прибору (прямой метод ) или по результатам измерения другого параметра, связанного с искомым непосредственной зависимос­тью (косвенный метод ).

По числу измеряемых параметров методы контроля подразделя­ют на дифференциальные и комплексные . При первом измеряют значение каждого параметра, при втором - суммарную погрешность отдельных геометрических размеров изделия.

Примером комплексного метода может служить определение степени годности подшипников качения по радиальному зазору. Изменение последнего связано с износом беговых дорожек внут­реннего и наружного колец, а также элементов качения (шариков, роликов).

Если измерительный элемент прибора непосредственно сопри­касается с контролируемой поверхностью, то такой метод называют контактным, а если нет - бесконтактным. Наиболее часто приме­няют следующие средства измерения: калибры, универсальный из­мерительный инструмент и специальные приборы.

Калибры - это бесшкальные измерительные инструменты для контроля отклонений размеров, формы и взаимного расположения поверхностей деталей без определения численного значения изме­ряемого параметра. Широко распространены предельные калибры, ограничивающие крайние предельные размеры деталей и распреде­ляющие их на три группы: годные, подлежащие восстановлению и негодные.

Универсальные инструменты и приборы служат для нахождения значения контролируемого параметра в определенном интервале его значений. Обычно применяют следующие измерительные сред­ства: штриховые инструменты с нониусом (штангенциркуль, штан-генглубиномер, штангенрейсмус и штангензубомер), микрометри­ческие (микрометры, микрометрический нутромер и глубиномер), механические приборы (миниметр, индикатор часового типа, ры­чажная скоба и рычажный микрометр), пневматические приборы давления (манометры) и расхода (ротаметры).

Специальные измерительные средства предназначены для конт­роля конкретных деталей с высокой производительностью и точно­стью. К ним относят, например, приборы для проверки изгиба и скрученности шатунов и радиального биения подшипников каче­ния, оправки для проверки соосности гнезд коренных подшипни­ков блока цилиндров и др.

При выборе средства измерения необходимо учитывать его мет­рологические характеристики (цена и интервал деления шкалы, точность отсчета, погрешность и пределы измерения), а также точ­ность изготовления измеряемого элемента детали (после допуска).

Дефекты несплошности материала деталей, бывших в эксплуата­ции, можно условно разбить на две группы: явные и скрытые . Яв­ные дефекты - это трещины, обломы, пробоины, смятие, корро­зия. Их чаще всего обнаруживают внешним осмотром невооружен­ным глазом, через лупу 10-кратного увеличения или ощупыва­нием. Для обнаружения скрытых дефектов применяют следующие методы контроля (дефектоскопии): капиллярные, обнаружением подтекания газа или жидкости, магнитные и акустические.

Капиллярные методы дефектоскопии основаны на способности жидкости втягиваться в мельчайшие сквозные и несквозные каналы (капилляры). При попадании жидкости в капилляр ее свободная по­верхность искривляется (образуется мениск), в результате чего возни­кает дополнительное давление жидкости в капилляре, отличающееся от внешнего давления (воздуха). Значение этого давления зависит от коэффициента поверхностного натяжения и радиуса канала.

Для проникновения жидкости в дефект необходимо, чтобы жид­кость хорошо смачивала поверхности, а размеры дефекта (канала) создавали возможность жидкости образовывать мениск.

Технология контроля изделий капиллярными методами состоит из следующих операций: очистки детали от маслянисто-грязевых и других загрязнений, нанесения пенетранта, выявления дефекта и окончательной очистки.

Для проявления дефектов широко применяют сорбционный метод. В качестве прояви­телей используют сухие по­рошки (каолин, мел и др.) и их суспензии в воде или органи­ческих растворителях (керо­син, бензин и др.), а также бы­стросохнущие пигментиро­ванные или бесцветные растворы красок и лаков, которые наносят на поверхность детали после пропитки пенетрантом.

В качестве проявителей применяют сорбенты в виде суспензий и белые проявляющиеся лаки.

При сорбционном способе на поверхность детали наносят сухой порошок (сухой метод) или порошок в виде суспензии (мокрый способ). За счет сорбционных сил проникающая жидкость извлекается на поверхность изделия и смачивает проявитель. При диффу­зионном способе на поверхность детали наносят специальное по­крытие, в которое диффундирует проникающая жидкость из полос­ти дефекта. Этот способ более чувствителен, чем сорбционный, и его применяют для обнаружения мелких трещин.

После проявления дефектов детали очищают от проявителя. Проявители на основе лаков, нитроэмалей и коллодия удаляют ра­створом 80%-го спирта и 20%-го эмульгатора ОП-7.

Суспензии смывают 1%-м раствором эмульгатора ОП-7 или ОП-10 в воде.

Обнаружение подтекания газа или жидкости необходимо для проверки герметичности пустотелых деталей: блоков цилиндров, головок блоков цилиндров, баков, водяных и мас­ляных радиаторов, камер шин, трубопроводов, шлангов, поплавков карбюраторов и др. Его широко применяют для контроля качества сварных швов. Степень герметичности определяют по утечке газа или жидкости в единицу времени, которую регистрируют с помо­щью приборов. В большинстве случаев место дефекта определяют визуально. Методы контроля подразделяют на капиллярные, компрессион­ные и вакуумные.

Для дефектоскопии деталей, поступающих в ремонт, применяют способы керосиновой пробы (капиллярный метод), гидравличес­кий и пневматический (компрессионный).

Керосин обладает хорошей смачивающей способностью, глубо­ко проникает в сквозные дефекты диаметром более 0,1 мм. При контроле качества сварных швов на одну из поверхностей изделия наносят керосин на противоположную - адсорбирующее покры­тие (350 - 450 г суспензии молотого мела на 1л воды). Наличие сквозной трещины определяют по желтым пятнам керосина на ме­ловой обмазке.

При гидравлическом методе внутреннюю полость изделия за­полняют рабочей жидкостью (водой), герметизируют, создают на­сосом избыточное давление и выдерживают деталь некоторое вре­мя. Наличие дефекта устанавливают визуально по появлению ка­пель воды или отпотеванию наружной поверхности.

Пневматический способ нахождения сквозных дефектов более чувствителен, чем гидравлический, так как воздух легче проходит через дефект, чем жидкость. Во внутреннюю полость деталей зака­чивают сжатый воздух, а наружную поверхность покрывают мыль­ным раствором или погружают деталь в воду. О наличии дефекта судят по выделению пузырьков воздуха. Давление воздуха, закачи­ваемого во внутренние полости, зависит от конструктивных осо­бенностей деталей и обычно равно 0,05 - 0,1 МПа.

Магнитный метод применяют для обнаружения дефектов в деталях, изготовленных из ферромагнитных материалов. Так вы­являют поверхностные трещины или подповерхностные включе­ния с иной, чем у основного материала, магнитной проницаемос­тью. Метод получил широкое распространение из-за высокой чув­ствительности, простоты технологических операций и надежности. Он основан на явлении возникновения в месте расположения де­фекта магнитного поля рассеивания.

При магнитопорошковом способе для обнаружения магнитного потока рассеивания используют магнитные порошки (сухой спо­соб) или их суспензии (мокрый способ). Проявляющийся материал наносят на поверхность изделия. Под действием магнитного поля рассеивания частицы порошка концентрируются около дефекта. Форма его скоплений соответствует очертанию дефекта.

Сущность магнитографического метода заключается в намагничивании изделия при одновременной записи магнитного поля на магнитную ленту, которой покрывают деталь, и последующей рас­шифровке полученной информации.

Для обнаружения дефектов феррозондовым способом применя­ют феррозондовые преобразователи.

Постоянный ток применяют для выявления под поверхностных дефектов. Создаваемое им магнитное поле однородно и проникает достаточно глубоко в деталь.

Для определения дефекта большое значение имеет правильный выбор напряженности магнитного поля. Чрезмерно большая на­пряженность приводит к осаждению магнитного порошка по всей поверхности изделия и появлению «ложных» дефектов, а недоста­точная к снижению поверхности детали она должна находиться в пределах 1590 - 3979 А/м, а на остаточную намагни­ченность приходится 7958 - 15915 А/м.

Для индикации дефектов применяют ферромагнитные порошки с большой магнитной проницаемостью и малой коэрцитивной си­лой. Порошок магнетита (Fe 3 O 4) черного или темно-коричневого цвета используют для контроля деталей со светлой поверхностью, а порошок оксида железа (Fe 2 O 3) буро-красного цвета - с темной поверхностью. Зернистость порошка существенно влияет на обна­ружение дефектов и должна быть 5 - 10 мкм.

Магнитную суспензию приготавливают, используя керосин, трансформаторное масло, смесь минерального масла с керосином и водные растворы некоторых веществ. На 1 л жидкости добавляют 30 - 50 г магнитного порошка.

После контроля все детали, кроме бракованных, размагничива­ют. Восстановление не размагниченных деталей механической об­работкой может привести к повреждению рабочих поверхностей из-за притягивания стружки.

Детали размагничивают, воздействуя на них переменным магнитным полем, изменяющимся от максимального значения напряженности до нуля.

Степень размагниченности контролируют, осыпая детали сталь­ным порошком. У хорошо размагниченных деталей порошок не дол­жен удерживаться на поверхности. Для этих же целей применяют при­боры ПКР-1, снабженные феррозондовыми полюсоискателями.

Вибродуговая наплавка. Сущность способа, материалы, оборудование и выбор режимов. Применение вибродуговой наплавки при восстановлении деталей машин.

Вибродуговая наплавка - разновидность автоматической электродуговой наплавки. Она ведется колеблющимся электро­дом, что дает возможность наплавлять металл при низком напряжении источника тока. Благодаря этому образуется мини­мально возможная сварочная ванна, мелкокапельный переход металла с электрода на деталь. При вибродуговой наплавке получается достаточно хорошее сплавление основного металла с электродным, небольшой нагрев детали и малая по глубине зона термического влияния. Наиболее широкое применение получила вибродуговая наплавка в среде охлаждающей жид­кости.

Принципиальная схема установки для вибродуговой наплавки в среде жидкости показана на рисинке 1 . К установленной в станок изношенной детали с помощью роликов по направ­ляющему мундштуку подается проволока, которая сматы­вается с барабана. Одновременно с подачей проволоки от вибратора электроду сообщается колебательное движение частотой 50-100 Гц. Установка вибратора позволяет уменьшить мощность дуги, не уменьшая стабильности процесса. От источ­ника постоянного тока через ролики и мундштук к электроду подводится плюс, а к детали через шпиндель станка - минус.

Рис. 1. Схема установки для вибродуговой наплавки в струе жидкости : 1-индуктивность, 2-генератор, 3-трубопровод, 4 - подающие ролики, 5 - барабан для электродной проволоки, 6 - вибратор, 7 - пружины, 8 - шестеренный насос, 9 - бак-отстойник, 10 - деталь с наплавленным слоем, 11 - зона наплавки, 12 - мундштук

В зону наплавки по трубопроводу непрерывной струей подается жидкость. С детали жидкость стекает в поддон станка, откуда попадает в бак отстойник и далее насосом по трубо­проводам снова подается к детали.

Вибродуговым способом могут наплавляться цилиндрические поверхности диаметром от 15 мм и выше, поверхности изношен­ных отверстий, подвижных и неподвижных соединений; поверх­ности под обоймы шариковых и роликовых подшипников; шейки валов, работающих в подшипниках скольжения, не испыты­вающие ударной нагрузки; шейки в местах прессовых посадок. Вибродуговая наплавка нежелательна для профильных по­верхностей в виде резьб, мелких шлиц и т. д. Вибродуговую наплавку можно производить также под слоем флюса и в среде защитного газа.

Способ вибродуговой наплавки и сварки различных мате­риалов в потоке воздуха применяют при восстановлении чугун­ных деталей. Деталь наплавляют с помощью автоматической вибродуговой головки, а для получения плотных и легко обрабатываемых слоев в зону сварки подают атмосферный воздух. С увеличением подачи воздуха наружная пористость наплав­ляемого металла уменьшается. Наименьшая пористость полу­чается при расходе воздуха свыше 1600 - 2000 л/ч.

Наплавленный металл обладает невысокой твердостью, что позволяет производить токарную обработку слоя обычным ин­струментом. Для наплавки используют установку, состоящую из токарного станка, источника тока (три выпрямителя ВСГ-ЗА) и автоматической вибродуговой головки.

При наплавке в среде углекислого газа сварочная дуга и расплавленный металл защищаются от вредного влияния возду­ха струей углекислого газа, специально подаваемого в зону сварки. Электродная проволока из кассеты непрерыв­но подается в зону сварки с заданной скоростью. Ток к прово­локе подводится с помощью мундштука и наконечника, расположенного внутри газовой горелки, которая подает за­щитный газ в зону сварки.

Рис. 2. Схема процесса наплавки в среде углекислого газа : 1 - горелка, 2 - электродная проволока, 3 - мундштук, 4 - наконечник, 5 - сопло горелки,6 - основной металл, 7 - свароч­ная дуга, 8 - сварочная ванна, 9 - шов

Электродная проволока плавится под действием теплоты дуги; электродный металл переходит в сварочную ванну и смешивается с расплавленным основным металлом. В резуль­тате сплавления электродного и основного металлов образуется наплавленный валик, прочно соединенный с основным металлом.

При наплавке углекислый газ из баллона (рисунок 2) прохо­дит через подогреватель газа, осушитель, редуктор и расходо­мер (ротаметр). При выходе из баллона углекислый газ расширяется и температура его резко падает. Чтобы исключить резкое охлаждение газа и замерзание содержащейся в угле­кислом газе влаги, его сразу после выхода из баллона пропуска­ют через подогреватель. Затем углекислый газ попадает в осушитель, представляющий собой цилиндр, заполненный ве­ществом, которое поглощает влагу из углекислого газа (силикагель, обезвоженный медный купорос или хлористый кальций).

Сущность процесса электроконтактной приварки стальной ленты заключается в приварке к поверхности деталей стальной ленты мощными импульсами электрического тока. В сварочной точке под действием импульса тока расплавляются металлы присадочного материала и детали. Присадочный материал (стальная лента) расплавляется не по всей толщине, а лишь в тонком поверхностном слое, в зоне контакта с деталью. Слой приваривают ко всей изношенной поверхности регулируемыми импульсами тока при вращательном движении детали со ско­ростью, пропорциональной частоте импульсов, и поступательном перемещении сварочной головки. Схема процесса приварки ленты приведена на рисунке 3 .

Технологический процесс целесо­образно применять при восстановлении шеек валов под под­шипники качения, посадочных отверстий стаканов подшипников и других деталей при износе до 0,4 мм.

Изношенную поверхность предварительно шлифуют, удаляя слой металла толщиной 0,15 - 0,2 мм. После этого деталь подают на установку. Накладывают на подготовленную повер­хность мерный отрезок стальной ленты толщиной 0,4 - 0,8 мм (в зависимости от величины износа), который прижимают сварочными роликами установки. Материал ленты - средне- и высокоуглеродистые стали марок 45, 50, 65Г и др.

Импульсами тока прихватывают ленту в нескольких местах. Перемещая роли­ки в крайнее положение, переключают установку на рабочий режим и приваривают ленту.

Рис. 3. Схема процесса электрокон­тактной приварки стальной ленты : 1 - центры, 2 - восстанавливаемая де­таль, 3 - ролики, 4 - лента, 5 - транс­форматор, 6 - прерыватель тока

Процесс ведут при подаче жидкости (воды), которая охлаж­дает ролики сварочной головки и одновременно эффективно отводит теплоту от зоны приварки. При этом твердость восста­навливаемой поверхности увеличивается до HRC.55 и более. Этим достигается совмещение технологий нанесения покрытия и термической обработки. Последующую механическую обработ­ку после приварки ленты производят на кругло-шлифовальных станках.

Использование электроконтактной приварки стальной ленты взамен вибродуговой наплавки позволяет повысить производи­тельность восстановления деталей в 2,5 раза, снизить расход присадочных материалов в 4 - 5 раз, трудоемкость работ в 2,5 раза и повысить ресурс детали до уровня новой.