Курс лекций по "Триботехнике"

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ  И НАУКИ УКРАИНЫ

ДОНБАССКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ  МАШИНОСТРОИТЕЛЬНАЯ

АКАДЕМИЯ

ТРИБОТЕХНИКА

Конспект лекций для  студентов всех специальностей направления "Инженерная механика"

Утверждено на заседании  кафедры ОКММ Протокол №2 7от «25»  февраля 2003 г.

КРАМАТОРСК 2003

УДК 621.89

Триботехника: Конспект лекций для студентов всех специальностей направления "Инженерная механика"/ Сост. Роганов Л.Л., Кравченко Р.А. - Краматорск: ДГМА, 2003. - 77 с.

В курсе лекций изложены основные вопросы триботехники и надёжности машин.

Составитель Л.Л. Роганов, проф.

Р.А.Кравченко, ассистент

Отв. за выпуск С.Г. Карнаух, зав. каф.

 

 

СОДЕРЖАНИЕ

Введение, основные положения  дисциплины «Триботехника и

 

 

 

ТРИБОТЕХНИКА  И ОСНОВЫ НАДЕЖНОСТИ МАШИН

Введение, основные положения

Триботехника - наука о трении, изнашивании, смазке. Курс триботехники дает представление о природе и закономерностях внешнего трения и изнашивания шероховатых поверхностей, современных теориях трения, в частности молеку- лярно-механической теории, методах определения коэффициентов трения, расчете и прогнозировании интенсивности изнашивания; видах, природе и механизме абразивного изнашивания, значении смазок и присадок при трении и изнашивании, методике подбора материалов для трущихся деталей, методах повышения износостойкости, трении и изнашивании в особых условиях (в агрессивных средах, вакууме, при низких и высоких температурах), методах и оборудовании, применяемых для исследований трения и изнашивания, направления развития.

Большой вклад в развитие триботехники внесли такие ученые: С.Б. Айнбиндер, Б.В. Дерягин, В.А. Белый, Д.Н. Браун, Д.Н. Гаркунов; А.Ю. Ишлинский, И.В. Крагельский, Н.М. Михин, М.А. Левитин; К. Ипрамов; П.А. Ребиндер, М.Н. Хрущов; А.В. Чичинадзе, Ф.П. Боуден, Д. Тейбор.

Взгляды ученых по поводу трения отличаются. Так, представители английской школы (Ф.П. Боуден) считают главным в трении адгезионное взаимодействие двух тел, образование мостиков сварки. Разрушение этих мостиков обуславливает силу трения и износ. Они считают, что объемное деформирование поверхностных слоев играет незначительную роль, для металлов оно всегда пластическое, при этом коэффициент трения является величиной постоянной, его значение определяется отношением сопротивления на срез к твердости менее прочной составляющей пары трения (связь типа

Многие другие (в т.ч. отечественные) ученые природу трения объясняют несколько иначе: в  нормальных условиях трения образование  мостиков сварки между двумя телами может быть устранено смазкой, пленками окислов, первенствующую роль играет объемное деформирование микронеровностей, непрерывно образующихся под нагрузкой. Износ наступает в результате их усталостного разрушения из-за многократной их деформации, неровности деформируются как упруго, так и пластически. В этих условиях коэффициент трения для данной пары варьируется (меняется) в зависимости от давления, размера поверхности, температуры (лаб. работа); таким образом, /- комплексная характеристика зависит от свойств тел, геометрических очертаний микронеровностей и так далее.

Обе точки зрения существуют в реальных процессах.

Ценный вклад в изучение трения в XV веке внес Леонардо да Винчи. Он обосновывает невозможность создания вечного двигателя, одной из причин считает трение. Он впервые ввел понятие коэффициента трения, показал, что сила трения зависит от материала трущихся поверхностей, качества их обработки, изобрел роликовый и шариковый подшипники.

В 1699 г. француз Амонтон  впервые сформулировал знаменитый и сейчас применяемый закон зависимости  трения от величины нагрузки, нормальной к поверхности трения (рис.1):

Рисунок 1 - Схема трения

Амонтон-трение - это подъем одного тела по поверхности другого.

Л. Эйлер (1750 г.) первый объяснил, почему сопротивление при переходе от состояния покоя к состоянию  движения всегда больше (трение покоя и трение движения). Создателем науки о трении считается Шарль Кулон (1781г.). В труде «Теория простых машин» он охватил основные аспекты трения: сопротивление скольжению, качению, стягиванию, обобщил закон Амонтона и показал, что часть трения слабо зависит от нагрузки (или не зависит), то есть

 

где А - часть трения, зависящая  от «сцепляемости» поверхностей трения.

Кулон показал, что трение зависит от многих факторов (нагрузка, скорость, материалы, шероховатость, смазка, температура). Исследуя трение качения, Кулон вывел формулу сопротивления перекатыванию F_к:

где х - коэффициент трения качения, имеет размерность длины; r- радиус перекатывания тела;  F_n- его вес, Н.

Эта формула используется и сейчас, хотя ее многократно пытались опровергнуть.

Б. Томпсон (1798г.) показал, что механическая энергия при  трении не исчезает, а превращается в тепло.

В середине XIX века впервые  были высказаны предположения об адгезионной природе трения (адгезия - сцепление, слипание поверхностей прижатых друг к другу тел).

Трудами многих ученых была разработана концепция молекулярно- механической природы трения, в которой  процесс трения представляется как  результат двух взаимосвязанных процессов: деформации контактирующих микронеровностей и молекулярного взаимодействия материалов на пятнах фактического контакта. По этой теории коэффициент трения (суммарный)

где  F_M - молекулярная (адгезионная) составляющая силы трения;

       F₀ - механическая (деформационная) составляющая силы трения;    

       ƒ_м - молекулярная (адгезионная) составляющая коэффициента трения;

     ƒ₀ -  механическая (деформационная) составляющая коэффициента тре

ния.

 

Триботехнику делят  на 4 раздела:

1. Основы износостойкости при трении.
2. Конструктивные методы повышения долговечности и надежности ма-
3. Технологические способы повышения долговечности трущихся деталей.

4 Вопросы эксплуатации  машин, связанные с обеспечением  износостойкости; основы надежности машин.

1 ОСНОВНЫЕ ТЕРМИНЫ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ

Трибоника - от греческого «трибос» - трение. Триботехника (шире - наука о контактном взаимодействии твердых тел при их относительном движении) охватывает комплекс вопросов трения, изнашивания, смазки.

1. Разделы триботехники

Трибохимия - изучает взаимодействие контактирующих поверхностей с химически активной средой: проблемы коррозии при трении, химические 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.

Термины по триботехнике стандартизованы ГОСТ 23.002-78 - по трению, износу и смазкам.

2. Термины

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 микроперемещениях до перехода к относительному движению.

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

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 микроперемещение 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.

В 1979 году издан словарь-справочник по трению, износу и смазке деталей  машин, содержащий более 1200 терминов.

2 ПРОБЛЕМЫ, СВЯЗАННЫЕ С ТРИБОТЕХНИКОЙ

Повышенный износ деталей  в сочленениях в одних случаях  нарушает герметичность рабочего пространства машины (например, в поршневых машинах), в других - нарушает нормальный режим смазки, в третьих - приводит к потере кинематической точности механизма. В результате изнашивания понижается мощность двигателя, увеличивается расход горюче-смазочных материалов, падает производительность компрессоров; возникает возможность утечки ядовитых и взрывоопасных продуктов через сальники и уплотнения; понижаются тяговые качества транспортных машин, ухудшается управление самолетами и автомобилями (понижается безопасность движения); уменьшается производительность; снижается точность и качество обработки изделий на металлорежущих станках и т.д.

Износ инструмента и  рабочих органов машин, помимо снижения производительности, повышает расход энергии. Например, с износом и затуплением зубьев ковша экскаватора уменьшается сечение срезаемой стружки грунта, увеличивается сопротивление резанию последнего, требуется больший путь для заполнения ковша.

Износ и повреждение  поверхностей снижают сопротивление усталости деталей и могут служить причиной их разрушения даже при незначительных концентраторах напряжений и весьма низких номинальных напряжениях. Повышенный износ нарушает нормальное взаимодействие деталей в узлах, может вызвать значительные дополнительные нагрузки, удары в сопряжениях и вибрации, стать причиной внезапных разрушений. С повышенным износом нередко связан недопустимый шум машин.

Заедание или заклинивание деталей может привести к аварийной  ситуации. Так, заедание лопатки ротора масляного насоса может вызывать его заклинивание, прекращение подачи масла к подшипникам и аварию машины.

В многозвенных механизмах даже небольшой износ отдельных  элементов может суммироваться  на ведомом звене и нарушать нормальное функционирование механизма.

Износ цилиндропоршневой  группы двигателя увеличивает засорение  воздуха отработавшими газами: 100 изношенных автомобилей загрязняют воздух отработавшими газами как 125 новых автомобилей.

Примечательно, что масса  механизма или машины по мере их износа уменьшается незначительно.

Например, автомобильный  двигатель средней мощности после  полного износа имеет потерю массы не более 1 % от исходной, а грузовой автомобиль средней грузоподъемности - не более 3 кг.

 

3 СРОКИ СЛУЖБЫ ТРУЩИХСЯ ДЕТАЛЕЙ МАШИН

Срок службы машин - календарная продолжительность эксплуатации изделия до разрушения или другого предельного состояния. Предельное состояние может устанавливаться по изменениям параметров, условиям безопасности, экономическим показателям, по необходимости первого капитального ремонта и т.п.

Выход из строя деталей  и рабочих органов машин при  нормальных условиях эксплуатации является следствием физического износа разных видов: усталостных разрушений, ползучести материалов, механического износа, коррозии, эрозии, кавитации, старения материала и др.

Особенно велик износ  деталей и рабочих органов  машин-орудий, которые эксплуатируются  в абразивной и агрессивной средах, и деталей транспортных машин, работающих в условиях грязи и пыли. Например, ресурс дробящих плит составляет в среднем 4...6 месяцев, зубьев ковшей экскаваторов, скреперов и бульдозеров, шнеков - 6.8 месяцев. На дробилке массой 6 тонн при дроблении высокоабразивных пород расходуется в год 17 тонн дробящих плит. Контрольные сроки службы до капитального ремонта угольных комбайнов 8.12 месяцев, а конвейеров в угольных шахтах - 2.3 года. Дизели, установленные на мощных автосамосвалах, требуют капитального ремонта после 1500.2000 часов работы, т.е. через 6.8 месяцев. Бортовые шестерни тракторов работают до замены не более 2000.2500 ч., срок службы транспортных трансмиссий до ремонта составляет 2500.3500ч. За сезон работы тракторов на песчаных почвах приходится заменять два-три комплекта гусениц, что в среднем обходится в 50% стоимости нового трактора. Лемех тракторного плуга в среднем обрабатывает до полного износа всего 15.20 га почвы, это вынуждает ежегодно изготовлять для сельского хозяйства свыше 20 млн. лемехов, не говоря уже о том, что на тяжелых почвах режущая кромка лемеха требует ремонта через 4.6 га работы плуга. Годовая потребность в запасных звеньях приводных цепей сельскохозяйственных машин составляет около 100 млн. штук.