2105

ОГЛАВЛЕНИЕ

1.Триботехнические термины.

2.Трение твердых тел.

3.Процесс изнашивания твердых тел.

4.Граничная смазка.

5.Жидкостная смазка.

6.Требования к смазочным материалам.

7.Пластические смазки.

8.Твердые смазки.

9.Триботехнологии.

10.Триботехнические материалы.

11.Тепловые процессы при трении.

12.Контрольные вопросы.

13.Литература.

2

1. Триботехнические термины

Термины по триботехнике стандартизованы ГОСТ 23.002-78 – по трению,

износу и смазкам.

Внешнее трение – явление сопротивления относительному перемещению,

возникающее между двумя телами в зонах соприкосновения поверхностей по касательным к ним, сопровождающееся дислокацией энергии

(рассеиванием).

Изнашивание – процесс разрушения и отделения материала с поверхности твердого тела и (или) накопления его остаточной деформации при трении,

проявляющийся в постепенном изменении размеров и (или) формы тела.

Износ – результат изнашивания, определяемый в установленных единицах. -

Износ может выражаться в единицах длины, объема, массы и других.

Износостойкость –свойство материала оказывать сопротивление изнашиванию в определенных условиях трения, оцениваемое величиной, -

обратной скорости изнашивания или интенсивности изнашивания.

Скорость изнашивания – равна интенсивности изнашивания минус отношение износостойкости к интервалу времени.

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

Смазка – действие смазочного материала, в результате которого между двумя поверхностями уменьшается сила трения и(или)интенсивность изнашивания.

Смазывание – подведение смазочного материала к поверхности трения.

Трение покоя – трение двух тел при микро перемещениях до перехода к относительному движению.

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

3

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

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

Трение скольжения – трение движения двух твердых тел, при котором скорости тел в точках касания различны по величине и направлению или по величине и направлению.

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

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

Наибольшая сила трения покоя – сила трения покоя, любое превышение которой ведет к возникновению движения.

Предварительное смещение – относительное микро перемещение двух твердых тел при трении в пределах перехода от состояния покоя к относительному движению.

Скорость скольжения – разность скоростей тел в точках касания при

скольжении.

Поверхность трения – поверхность тела, участвующая в трении.

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

Коэффициент сцепления – отношение наибольшей силы трения покоя двух тел к нормальной относительно поверхностей трения силе,

прижимающей тела друг к другу.

В1979году издан словарь-справочник по трению, износу и смазке деталей машин, содержащий более 1200 терминов.

4

Трибохимия – изучает взаимодействие контактирующих поверхностей с химически активной средой: проблемы коррозии при трении, химически основы избирательного переноса материалов, воздействие на поверхность деталей химически активных веществ, выделяющихся при трении из смазки и трущихся поверхностей.

Трибофизика – изучает физические явления взаимодействия контактирующих поверхностей при их взаимном перемещении.

Трибомеханика – изучает механику взаимодействия контактирующих поверхностей при трении, законы рассеивания энергии, импульса,

механическое подобие, колебания при трении, реверсивное трение,

уравнения гидродинамики и тому подобное.

1 Гидродинамическая (газодинамическая) смазка – жидкостная (газовая)-

смазка,при которой полное разделение поверхностей трения осуществляется врезультате давления, самовозникающего в слое жидкости(газа)при относительном движении поверхностей.

2 Гидростатическая(газостатическая)смазка–жидкостная(газовая)смазка,-

при которой полное разделение поверхностей трения деталей, находящихся в относительном движении или покое, осуществляется в результате поступленияжидкости(газа)в зазор между поверхностями трения под внешним давлением.

3 Граничная смазка – смазка, при которой трение и износ между поверхностями, находящимися в относительном движении, определяются свойствами поверхностей и свойствами смазочного материала, отличными от объемных.

4 Полужидкостная смазка– смазка, при которой частично осуществляется жидкостная смазка.

5

2.Трение твердых тел.

Трение возникает вследствие действия адгезионных сил, образования хим. связей между трущимися телами, взаимной диффузии вещества, а процесс скольжения происходит путем образования и разрушения "пятен" касания. В этих пятнах развиваются очень большие усилия, так что в местах контакта возникают локальные "мостики сварки", а при проскальзывании они разрушаются. Работа трения затрачивается на создание и разрушение этих "мостиков", механическое передеформирование (формоизменение) неровностей на поверхности трущихся тел и в меньшей мере на электризацию, механохимические процессы, накопление упругой энергии в объеме тела и др. процессы. Зависимость сил трения от скорости и температуры объясняется активац. теорией, трактующей образование и разрушение межмол. связей в зоне контакта флуктуациями, частота которых зависит от скорости и температуры. Сила трения покоя зависит также от продолжительности контакта тел.

В технике трение обусловливает возможность передачи усилий во фрикционных передачах, а его наличие является обязательным.трение является условием движения колесных и гусеничных машин, их элементы, контактирующие с твердой пов-стью, не должны проскальзывать по ней. Однако кинематическое трение, как правило, играет вредную роль, поскольку затрачиваемая на его преодоление работа приводит к износу трущихся деталей, их нежелательному нагреву и снижает КПД машины. При создании узлов целесообразно учитывать трение, чтобы поверхностный слой имел сдвиговую прочность ниже, чем в объеме тела. Тогда трение происходит только в тонком слое. Для реализации этой идеи в технике применяют различные приемы модификации поверхностисти, наносят на нее вещества, имеющие низкую прочность на сдвиг (графит, дисульфид молибдена).

Коэффициент трения определяют экспериментально на трибометрах -приборах, позволяющих одновременно измерять значения F и N, а также температуру в зоне фрикционного контакта.

Трение внутреннее - совокупность процессов в сплошных телах (твердых, жидких и газообразных), приводящих к необратимому рассеянию мех. энергии при их деформировании. Иногда внутреннее трение отождествляют с внутренней вязкостью. характеристики внутреннего трения специфичны для разл. мол. групп и структурных элементов, его измерение может служить способом идентификации особенностей мол. строения (мех. спектроскопия).

Внешнее трение твердых тел сопровождается деформированием и разрушением выступов микронеровностей соприкасающихся поверхностей с отделением частиц их материала. При трении весьма гладких поверхностей с малым давлением на них величина сил трения зависит главным образом от сил молекулярного взаимодействия, при этом нагрев и износ поверхностей почти отсутствуют.

Внешнее трение твердых тел изучается в течение нескольких столетий, но и в настоящее время трактовка целого ряда фундаментальных вопросов остается спорной. При исследовании внешнего трения необходимо изучать сложный комплекс физикохимических процессов на макро - и микроуровне, в статике и динамике. Необходимо

6

сочетать макроскопические представления о характеристиках контакта и усталостных процессах с микроскопическими и субмикроскопическими представлениями об атомных механизмах адгезии, и диффузии. Для объяснения сущности процесса внешнего трения наиболее плодотворной является молекулярно-механичесхая теория, успешно развиваемая советскими учеными. Наряду с процессами механического зацепления шероховатостей, с последующим их деформированием и разрушением она описывает процессы межмолекулярного взаимодействия между твердыми телами. Установлено, что даже идеально гладкие контактирующие поверхности монокристаллов ведут себя как шероховатые ( атомно-молекулярная шероховатость) и трение обусловливается действием отталкивающих сил, развивающихся при сближении электронных оболочек атомов тонких поверхностных слоев.

Внешнее трение твердых тел, согласно современным представлениям, имеет двойственную ( молекулярно-ме-ханическую или адгезионно-деформационную) природу. Считается, что контактирование твердых тел вследствие волнистости и шероховатости их поверхности происходит в отдельных зонах фактического касания. Суммарную площадь этих зон называют фактической, или реальной, площадью касания Аг твердых тел. Под фактической площадью касания понимают зоны, в пределах которых межатомные и межмолекулярные силы притяжения и отталкивания равны. Фактическая площадь касания в пределах нагрузок, широко используемых в инженерной практике, невелика: около 0 001 - 0 0001 номинальной кажущейся площади касания Аа. Вследствие этого в зонах контакта возникают значительные напряжения, нередко приводящие к появлению в них пластических деформаций. Сила, сжимающая контактирующие тела, через фактическую площадь касания передается неровностям, вызывая их деформацию. Деформируясь, отдельные неровности образуют контурную площадь касания Ас. Деформация неровностей, как правило, упругая. Таким образом, при контктировании твердых тел следует различать номинальную / и образованные вследствие приложения нагрузки контурную 2 и фактическую 3 площади касания.

Внешнее трение твердых тел возможно только в случае, если поверхностные слои уступают по прочности нижележащим, т.е. применительно к поверхностным слоям должен соблюдаться положительный градиент механических свойств.

При изучении внешнего трения твердых тел важно правильно оценивать площадь фактического контакта 5ф, зависящую от механических свойств фрикционной пары, шероховатости поверхностей и силы нормального давления.

Применительно к внешнему трению твердых тел и к процессу их контактирования TQ и Р - фрикционные константы, зависящие от физико-химического состояния поверхностей контактирующих тел. Теоретическое определение этих характеристик связано со значительными трудностями учета состава и строения пленок, покрывающих поверхности этих тел.

Таким образом, внешнее трение твердых тел заменяется значительно меньшим внутренним трением жидкости.

Истирание как результат внешнего трения твердых тел связано с изменениями, происходящими в момент возникновения, существования и разрушения фрикционных связей. Возможны разные виды и причины нарушения этих связей: упругое и пластическое деформирование, разрушение адгезионных связей, глубинное вырывание

7

и мнкрорезание. В зависимости от причин нарушения связей различают фрикционное ( усталостное) и абразивное истирание.

Исходя из того, что внешнее трение твердых тел имеет молекулярномеханическую природу, функцию изменения коэффициента внешнего трения от нагрузки для соответствующего вида деформаций в зонах фактического касания взаимодействующих элементов несложно получить аналитически. Более сложно оценить влияние на коэффициент трения температуры и скорости скольжения. Несмотря на то, что в настоящее время разработаны достаточно удобные методы вычисления температур узлов трения различного назначения и известны законы изменения коэффициента внешнего трения в зависимости от температуры, аналитически оценить аналогичную зависимое. Это обусловлено тем, что работа сил трения генерирует теплоту, вызывая увеличение поверхностной и объемной температур взаимодействующих тел. Изменение температуры зависит не только от силовых взаимодействий трущихся тел, но и от их теплофизическчх характеристик.

Внутреннее трение жидкостей и многих дисперсий значительно меньше внешнего трения твердых тел, поэтому для снижения вредного трения в машинах и механизмах применяют смазку - между трущимися поверхностями вводят смазочные материалы - масла и консистентные смазки, прочно прилипающие к смазываемым поверхностям. При этом внешнее трение несмазанных поверхностей заменяется значительно меньшим внутренним трением смазочного материала.

Мы видели, что одним из основных законов внешнего трения твердых тел является существование статического трения.

3.Процесс изнашивания твердых тел.

Проблема разработки методов расчета деталей на износ.

Наибольшее внимание при разработке методов расчета деталей на износ

необходимо уделить методам расчета типовых наиболее изнашиваемых

узлов машины: направляющих металлорежущих станков, зубчатых передач,

подшипников скольжения и качения, кулачковых механизмов, фрикционных

передач, уплотнений валов. По вопросам расчета указанных сочленений

имеются фундаментальные разработки, которые подробно описаны в

технической литературе и широко используются на практике.

8

Главной трудностью на пути подобных расчетов является то, что в процессе трения происходят физико-химические изменения в поверхностных слоях трущихся металлов, которые трудно поддаются математическому анализу.

Проблемы необычных условий работы машин и приборов Сложность этой проблемы состоит, прежде всего, в том, что все узлы

трения все чаще обязаны работать в условиях, принципиально отличных от тех, которые сформировались в нашу эпоху на поверхности Земли и которые с точки зрения человека являются наиболее привычными и естественными.

Неудивительно, что опыт по разработке узлов трения, накопленный в машиностроении за весь период его развития, относится главным образом именно к земным условиям. Совершенно иными являются условия работы космических объектов, характеризуемые высоким и сверхвысоким вакуумом,

интенсивным воздействием различных излучений, необычными тепловыми условиями и невесомостью. Промежуточными между земными и космическими можно считать условия, возникающие при полетах высотных самолетов и ракет.

Очень специфичны также условия, возникающие при работе технических устройств в атомной промышленности (интенсивное жесткое облучение и высокие температуры), энергомашиностроении (высокие температуры и химически активные среды), вакуумной и полупроводниковой промышленности (разреженные среды строго определенного состава),

криогенной технике (сверхнизкие температуры) и ряде других. Параллельно и одновременно с повышением температуры окружающей среды в современной технике все настойчивее проявляются тенденции к увеличению быстроходности механизмов и росту рабочих нагрузок, что особенно типично для военной авиации и ракет. Таким образом, при переходе от обычных условий к экстремальным решающее значение приобретает внешнее воздействие на узел трения, связанное со специфическими условиями окружающей среды. Наиболее характерными и важными факторами здесь являются плотность и физико-химическая активность

9

среды, а также наличие теплового, ионизирующего и других излучений.

Влияние каждого из перечисленных факторов оказывается настолько специфичным, что требует специального рассмотрения. Поэтому полезно классифицировать узлы трения, работающие в напряженных и необычных условиях, по характеру воздействия на них окружающей среды.

Необычные и напряженные условия все чаще заставляют создателей новой техники пересматривать традиционные, сложившиеся в течение многих лет принципы разработки узлов трения и основанные на них конструкторские решения.

Проблема построения и реализации банка данных Данные по триботехнике тесно взаимодействуют между собой, и поэтому

потоки информации, поступающие из различных источников, должны распределяться по специально разработанным картам и таблицам,

систематизирующим триботехническую информацию. Подобная систематизация является трудоемким процессом и занимает значительное время.

Активные работы по созданию информационных систем в области трибологии в мире и у нас в стране развернулись в средине 80-х годов прошлого века. Был создан ряд информационных систем и баз данных по трибологии, но, к сожалению, из-за ослабления связей между трибологическими центрами и отсутствию в период спада производства интереса производителей к этим работам создание единой информационной системы не было завершено.

4.Граничная смазка.

При граничной смазке поверхности сопряжения контактируют между собой.

Толщина слоя смазки значительно меньше величины шероховатости поверхностей. Трение между ними обусловлено свойствами смазочного

10