книги / Трение и износ деталей машин

УДК 531.44:539.375 Д26

Рецензенты:

д-р техн. наук, профессор Института механики сплошных сред УрО РАН И.К. Березин;

канд. техн. наук, доцент Уральского государственного профессионально-педагогического университета В.П. Подогов

Дегтярев А.И., Ханов А.М.

Д26 Трение и износ деталей машин: Учеб, пособие / Перм. гос. техн. ун-т. - Пермь, 2003. - 122 с.

Рассмотрены основные типы трения и виды изнашивания деталей машин. Изло­ жены методики оценки износостойкости деталей на основе различных теорий. Приве­ дена информация о износостойких материалах и методах технологического повышения их эксплуатационных свойств. Дан обзор современных методов технической диагно­ стики деталей и узлов трения.

Может быть использовано студентами и аспирантами технических специально­

стей.

УДК 531.44:539.375

© Пермский государственный технический университет, 2003

Инженерная практика выдвигает новые задачи обеспечения работо­ способности механизмов, машин и приборов при более высоком уровне рабочих параметров, в широком интервале температур, нагрузок, скоро­ стей, в различных газовых, жидких, агрессивных средах.

Современное состояние теории рабочих процессов машин, наличие обширной экспериментальной техники для определения рабочих нагрузок, высокий уровень развития материаловедения и методов расчета конструк­ ций позволяют обеспечить достаточную прочность деталей машин с боль­ шой гарантией от поломок в нормальных условиях эксплуатации.

Поэтому в настоящее время наиболее распространенной причиной выхода деталей и конструкций из строя является не разрушение, а износ и повреждение рабочих поверхностей.

Более 80 % машин выходят из строя из-за износа деталей. Трудоем­ кость ремонта и восстановления изношенных деталей примерно в 10 раз превышает трудоемкость изготовления новых.

Повышенный износ и повреждение поверхности деталей в узлах тре­ ния могут стать причиной:

-нарушения герметичности,

-потери кинематической точности,

-нарушения нормального режима смазки,

-уменьшения производительности,

-увеличения расхода горючесмазочных материалов,

-возникновения дополнительных нагрузок,

-разрушения даже при незначительных концентрациях нагрузок. Потребности в создании новых методов расчета изнашивающихся

деталей привели к появлению трибологии - науки о трении и процессах, сопровождающих трение. Практическим применением трибологии занима­ ется триботехника - дисциплина, охватывающая весь комплекс вопросов трения, изнашивания и смазывания машин, возникающих при проектиро­ вании, изготовлении и эксплуатации трибологических систем.

1. ОСНОВНЫЕ ТЕРМИНЫ ТРИБОТЕХНИКИ

Термины, относящиеся к триботехнике, систематизированы в ГОСТ 23.002-78. К наиболее общим относятся следующие термины.

Внешнее трение явление сопротивления относительному переме­ щению, возникающее между двумя телами в зонах соприкосновения по­ верхностей по касательным к ним, сопровождающееся диссипацией энер­ гии.

Изнашивание - процесс разрушения и отделения материала с по­ верхности твердого тела.

Износ - результат изнашивания, определяемый в установленных единицах. Износ может выражаться в единицах длины, объема, массы.

Износостойкость - свойство материала оказывать сопротивление из­ нашиванию в определенных условиях трения, оцениваемое величиной, об­ ратной скорости изнашивания или интенсивности изнашивания.

Трение покоя - трение двух тел при микроперемещениях до перехо­ да к относительному движению.

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

Трение скольжения - трение движения двух твердых тел, при кото­ ром скорости тел в точках касания различны по величине и направлению, или по величине, или по 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, направ­ ленной по касательной к обшей границе между этими телами.

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

2.ЭТАПЫ РАЗВИТИЯ НАУКИ О ТРЕНИИ

Сявлениями трения и изнашивания человеческая цивилизация столкнулась уже давно. Люди использовали трение для получения огня, для перемещения грузов. Так, еще древние египтяне использовали ролики для перемещения больших каменных блоков. Более двух тысяч лет назад Аристотель ввел понятие износа. Леонардо да Винчи в середине XV века указал на пропорциональность сопротивления трения нагрузке. Галилео Галилей (1564-1642) показал, что в условиях равномерного движения со­ противление перемещению оказывает только сила трения. Исаак Ньютон (1643-1727) сформулировал закон, определяющий зависимость между со­ противлением внутреннего трения жидкости и силой, необходимой для преодоления этого сопротивления.

Гимон Амантон в 1699 году открыл знаменитый закон линейной за­ висимости силы трения Т от нормальной нагрузки N:

Т ./X

гд е /- коэффициент трения.

Всоответствии с этим законом сила трения не зависит от состояния поверхностей тел на площадках контакта, площади и скорости скольжения.

После преодоления силы трения наблюдается снижение ее значения, начи­ нается устойчивое скольжение, определяемое силой трения скольжения (линия А\В на рис. 1). Антонио Парент показал, что сила реакции скользя­ щего тела не совпадает с нормальной силой и угол максимального откло­

зависящего от площади касания. Обобщив закон Амонтона, Кулон полу­ чил закон, отражающий двойственную природу трения:

T =A + fN ,

где А - часть силы трения от “сцепляемости” поверхностей трения и пло­ щади касания.

Кулон первым показал, что трение обусловлено множеством факто­ ров (нагрузкой, скоростью скольжения, материалом трущихся деталей, шероховатостью их поверхностей). Исследуя трение качения, Кулон впер­ вые предложил формулу для определения сопротивления перекатыванию:

TR

где А. - коэффициент трения качения, имеющий размерность длины; N - вес свободно катящегося цилиндра радиусом г.

Первым ученым, установившим, что механическая энергия трения не исчезает, а превращается в тепло, был англичанин Б. Томпсон (1798 г.). В дальнейшем энергетические аспекты теории трения были изучены Майе­ ром (1842 г.), Джоулем (1843 г.), Гельмгольцем (1847 г.). Тогда же, в сере­ дине XIX века, были высказаны предположения об адгезионной природе трения. Джон Дезюгалье первым установил решающую роль когезии или адгезии в трении. Он считал, что “поскольку большинство тел легче под­

нять над землей, чем разрубить на куски, сила, соединяющая эти части, больше, чем их тяжесть”. Эту силу он называл притяжением когезии.

К этому времени стало ясно, что если бы контактирующие поверхно­ сти были идеально плоскими и гладкими, то взаимодействие между ними было бы молекулярным. Однако технические поверхности никогда не бы­ вают идеальными, поэтому трение является суммой молекулярного и ме­ ханического противодействия относительному движению реальных по­ верхностей.

Режим трения определяется отсутствием или наличием смазочной прослойки. В последнем случае устанавливается режим жидкостной смаз­ ки, подчиняющийся законам гидродинамики.

Родоначальниками этой теории являются Н.П. Петров (1836-1920) и О. Рейнольдс (1886 г.). У Гарди (1936 г.) создал экспериментальные осно­ вы граничной смазки.

В 50-60-х годах XX столетия триботехника получила дальнейшее развитие. В этот период И.В. Крагельским, Ф. Боуденом, Д. Тейбором бы­ ла создана современная молекулярно-механическая теория трения. Это комбинированная теория, согласно которой процесс трения представляется состоящим из двух взаимосвязанных процессов: деформации контакти­ рующих микронеровностей и молекулярного взаимодействия материалов на пятнах фактического контакта. Согласно молекулярно-механической теории трения, коэффициент трения состоит из двух составляющих:

F +F г м ^ г д

где F - суммарная сила трения; FM- молекулярная (адгезионная) состав­ ляющая силы трения; Fд - механическая (деформационная) составляющая силы трения; / м - молекулярная (адгезионная) составляющая коэффициен­ та трения;f a- механическая (деформационная) составляющая коэффициен­ та трения.

В процессе трения детали изнашиваются, что приводит к постепен­ ному отказу. Закономерности изнашивания и методы расчетов рассмотре­ ны в трудах И.В. Крагельского, Ю.А. Евдокимова, Д. Мура, А.В. Чичинадзе, Ю.Н. Дроздова, А.М. Ряховского.

Основные направления развития трибологии:

-развитие физико-химической механики контактного взаимодейст­ вия с учетом влияния среды твердых тел при ударе, скольжении и качении;

-исследование изнашивания и разработка методов расчета деталей машин на износ;

-моделирование трения и изнашивания, трибометрия;

-создание износостойких фрикционных и антифрикционных мате­

риалов;

-разработка новых видов смазочных материалов;

-конструктивные методы создания износостойких узлов;

-технологические методы повышения износостойкости деталей.

3.ГЕОМЕТРИЯ И ШЕРОХОВАТОСТЬ ПОВЕРХНОСТЕЙ ТРЕНИЯ

Процесс трения двух тел реализуется при непосредственном контак­ те их поверхностей и взаимодействии. В технике под поверхностью детали понимают наружный поверхностный слой, который по строению и физико­ химическим свойствам отличается от внутренней части материала детали.

Различают три типа неровностей поверхности: макроотклонения, волнистость и шероховатость. Единичные, регулярно не повторяющиеся отклонения поверхности от номинальной формы называются микрооткло­ нениями (рис. 2).

Рис. 2. Макрогеометрические отклонения цилиндрических поверхностей деталей:

а- овальность, 6 - бочкообразность, в - конусность

Кмакроотклонениям относят конусность, выпуклость, выгнутость рабочей поверхности, овальность, огранку.

Волнистостью называют совокупность периодических близких по размерам выступов и впадин. Расстояние между двумя соседними высту­

пами или впадинами называют шагом X волны (рис. 3). Высоту Нъ волны определяют как среднее расстояние от номинального профиля поверхно­ сти до верхней точки выпуклости или нижней точки впадины. Для волни-

стости отношение X, > 40.