Isbn 000-000-000-0

Текст лекцій призначено для студентів напряму підготовки 0923 “Зварювання спеціальностей 7092301, 7092302, 7092303”. Представлений матеріал охоплює розділи пружно – пластичного аналізу деформування матеріалів при контактуванні поверхонь деталей; розглянуті загальні характеристики процесів формування площ контакту при пластичній і кінематичній взаємодії поверхонь з різною чистотою, що дає можливість більш глибокого розуміння молекулярно – механічної природи тертя і спрацьовування поверхневих шарів деталей, що труться. Значна увага приділена питанням підбору матеріалів для пар тертя та теоретичному обґрунтуванню і практичному використанню їх для більш надійної експлуатації деталей машин і конструкцій.

Передмова

Метою викладання курсу “Тріботехніка і основи надійності машин” є формування у майбутнього фахівця в галузі машинобудування, приладобудування, виготовлення конструкцій різного призначення сучасних уявлень і знань про будову, фізико-хімічні і механічні властивості поверхневого шару різних матеріалів, про механізм взаємодії твердих тіл при контактуванні з зовнішнім середовищем, при зовнішньому терті, спрацьовування і руйнування цих тіл, та заходи по зменшенню або запобіганню цих процесів.

Завданням вивчення дисципліни є те, щоб на базі глибокого і всебічного розуміння суті складних процесів, які виникають при контактуванні твердих тіл у різних умовах зовнішнього тертя і навколишнього середовища, розрахувати параметри умов експлуатації і розробити систему заходів по вибору оптимальних матеріалів, конструкцій і технологій, які забезпечували би високу надійність і довговічність машин, апаратів і конструкцій при їх експлуатації.

В результаті вивчення дисципліни студент повинен вміти:

• Визначити параметри шершавості поверхонь по профілографам поверхні.

• Визначити параметри контактування двох твердих тіл (зближення, фактичну і контурну площу при пружному і пластичному контакті а також середній тиск на контакті, густоту та інші), для насичених і ненасичених контактів.

• Визначати коефіцієнт і силу тертя.

• Оцінювати працездатність пар тертя в різних умовах

• Визначати вид і інтенсивність спрацьовування деталей для різних умов і назначати засоби протидії.

• Назначати матеріали для пар тертя в різних умовах експлуатації.

• Проводити аналіз впливу навколишнього середовища і умов праці на надійність і довговічність пар тертя.

• Використовувати експлуатаційні, технологічні і конструктивні засоби підвищення довговічності деталей машин, апаратів, конструкцій.

Розділ 1

1.1 Стан і етапи розвитку тріботехніки

Ключова галузь економіки - машинобудування визначається науково-технічними досягненнями, ефективністю виробництва.

Технічний рівень, ресурс і надійність техніки, прискорений випуск нового покоління машин й устаткування підвищується комплексною автоматизацією і механізацією, прогресивною технологією, використанням нових матеріалів з підвищеними характеристиками. Вирішення проблеми – підвищення терміну працездатності до капітального ремонту нових видів машин, устаткування і приладів, зниження їх металоємкості, скорочення чисельності робітників, які займаються ремонтом, збереження енергії, матеріалів, підвищення продуктивності, забезпечення екологічності і безпеки – залежить від підвищення зносостійкості і надійності пар тертя.

Тертя – дивний феномен природи. Воно подарувало людству тепло і вогонь, можливість за малий проміжок часу зупинити швидкий поїзд і автомобіль, прискорити хімічну реакцію в 100 тисяч разів, записати голос на плівку, почути скрипку і багато іншого.

Тертя вивчали Леонардо да Вінчі і Ломоносов, Г.Амонтон і Кулон, Н.П.Петров і Л.Ейлер, Д.І.Менделєєв і О.Рейнольдс і інші вчені.

В наш час тертя вивчали академіки М.Є.Жуковський, Е.А.Чудаков, В.Д.Кузнєцов, П.О.Ребіндер, професор А.А.Ахматов, чл. - кор. АН СРСР. Б.В.Дерягін, академік В.О.Бєлий, професор І.В.Крагельский, професор В.І.Костецький і інші. За кордоном Ф.Боуден, Д.Тейлор, С.Баходур, К.Лудема, Н.П.Су, Д.Баклі, Р.Куртель, Н.Краузе, Г.Утц, Н.Чихос, Г.Фляйтер, Г.Польцер, М.Хебда, Т.Данов і інші.

До сього дня тертя в багатьох його аспектах залишається загадкою. При терті (і тільки при терті) одночасно протікають механічні, електричні, теплові, вібраційні і хімічні процеси. Тертя може зміцнювати або розміцнювати метал, підвищити або зменшити вміст вуглецю, наситити метал воднем або обезводнити його, перетворити золото і платину в окис, відполірувати метали і зварити їх. Тертя є само організуючим процесом, в якому з певною послідовністю і дуже “розумно” протікають явища, які направлені на руйнування поверхні або ж, навпаки, створення цілої серії систем, які зменшують спрацьованість і тертя.

Сьогодні з тертям пов’язана одна з найгостріших проблем сучасності – спрацьовування машин і механізмів. Щорічні втрати на тертя та спрацьовування в США складає – 100 млр. доларів, в Германії – 40млр. марок. Передчасне спрацьовування машин, приладів, устаткування і інструмента приводить до величезних втрат і в Україні. Капітальний ремонт коштує третю частину загальних втрат, амортизаційні відчислення складають, практично, вартість витрат на спрацьовування. Спрацьовування – головна причина ремонту. По колишньому СРСР 25 млн.т металу витрачалось на ремонт і виготовлення запасних частин, 7 млн. людей зайнято ремонтними роботами.

Тільки ремонтом сільськогосподарської техніки зайнято біля 1 млн. людей і витрачається на це 6 млр.гр.. Ремонт і технічне обслуговування приблизно коштує для різних виробів техніки в 3...10 разів більше вартості їх виготовлення.

Значна частина (біля 30%)світових енергетичних ресурсів в різних формах витрачається на тертя, 80...90% рухомих сполучень машин виходять з ладу внаслідок спрацьовування. При цьому зменшується ККД, точність, економічність, надійність і довговічність машин, погіршуються динамічні і акустичні характеристики. Поряд з актуальними питаннями забезпечення працездатності найбільш схильних до спрацьовування вузлів, таких наприклад, як шарнірні з’єднання гусениць в тракторах і тягачах, циліндропоршневої пари двигунів внутрішнього згорання, насосів, компресорів, різних ущільнюючих систем, дослідів контакту колесо – рейка, шина – дорога, сучасна наука і техніка становлять нові задачі, пов’язані з розвитком авіаційно – космічної техніки, атомної енергетики, освоєнням океану, глибоких надр Землі і інших перспективних напрямків.

Спрацьовування лімітує ресурс газонафтопромислового устаткування в 50...70% випадках, втомне руйнування – в 15...20%, воно є головною причиною відмовлень гірничодобувної і обробляючої техніки.

Витрати на відновлення машин величезні, причому щорічно вони збільшуються. Підвищення термінів працездатності машин і устаткування навіть в малій мірі рівнозначно введенню значних нових виробничих потужностей.

Розвиток техніки і, зокрема, машинобудування, надав проблемі підвищення довговічності величезну значимість з точки зору економії матеріальних ресурсів і робочої сили і залучило до цієї проблеми широке коло конструкторів, технологів, експлуатаційників, а також вчених різних спеціальностей. Це дозволило не тільки розробити конструктивні і технологічні заходи по підвищенню термінів експлуатації машин і створити раціональні методи догляду за ними, але і на базі досягнень фізики, хімії і металознавства закласти основи учення тертя, спрацьовування і змащування машин. Цією проблемою широко займаються на підприємствах, в вузах і галузевих науково - дослідних інститутах, їй присвячуються наради і конференції, по цим питанням публікують монографії і багато чисельні журнальні статті.

На відміну від високого рівня постановки розрахунків деталей і конструкцій на міцність, жорсткість і сталість, сучасний стан теорії тертя і спрацьовування не дає конструктору надійних методів розрахунку спряжених пар на спрацьовування і більшості деталей, які спрацьовуються, на довговічність на раніш передбачений термін роботи. Навіть гідродинамічна теорія змащування, розвиток якої почався більш ніж 90 років тому, не дозволяє виконати розрахунок підшипників з рідинним змащуванням з тією ж надійністю результатів, як розрахунок балки методами опору матеріалів. Однак, теорія і інженерна практика підвищення спрацьовування і надійності роботи деталей, що труться, має велику кількість важливих якісних залежностей, результатів експериментальних досліджень і спостережень, використання яких дозволяє суттєво підвищити терміни роботи машин.