Курс лекций по "Триботехнике"

 

4 УБЫТКИ ОТ ТРЕНИЯ И ИЗНОСА В МАШИНАХ

Большинство машин (85...90%) выходит из строя по причине износа деталей. Затраты на ремонт и техническое обслуживание машины в несколько раз превышают ее стоимость: для автомобилей в 6 раз, для самолетов до 5 раз, для станков до 8 раз.

Причинами малого ресурса  двигателей после ремонта являются:

• низкое качество обработки поверхностей деталей; станки ремонтных предприятий не обеспечивают той точности обработки, которую имеют детали, изготовленные на заводах серийной продукции;
• отсутствие средств надежной промывки деталей перед сборкой, запыленность абразивной пылью сборочных цехов, в целом - невысокая культура производства;
• плохая приработка деталей после ремонта, отсутствие современных испытательных стендов, приборов, контролирующих процесс приработки, загрязненность абразивами смазочных и гидравлических систем;
• недостаточная специализация производства на ремонтных предприятиях по сравнению с ее уровнем на заводах серийной продукции, что не позволяет разрабатывать и реализовывать наиболее рациональные технологические процессы; результатом этого является, в первую очередь, малый срок службы деталей.

Большие материальные потери народное хозяйство терпит от повышенного  трения в узлах машин. Известно, что  более половины топлива, потребляемого  автомобилями, тепловозами и другими видами транспорта, расходуется на преодоление сопротивления, создаваемого трением в подвижных сочленениях. В текстильном производстве на преодоление сопротивления трению затрагивается около 80 % потребляемой энергии. Низкие КПД многих машин обусловлены главным образом большими потерями на трение. Так, КПД глобоидного редуктора, устанавливаемого в лифтах, металлорежущем оборудовании, шахтных подъемниках и др., в приработанном состоянии составляет только 0,65.0,70, а в такой распространенной паре, как винт-гайка, всего лишь 0,25. 

5 ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О ПОВЕРХНОСТИ ДЕТАЛИ

                  И ЕЕ ГЕОМЕТРИИ

Всякое тело имеет  отклонения от идеальной геометрической формы. Погрешности обработанной поверхности  бывают трех видов:

1. макрогеометрические отклонения;
2. волнистость поверхности;
3. шероховатость поверхности.

Шероховатость поверхности определяют по её профилю, который образуется в сечении этой поверхности плоскостью, перпендикулярной к номинальной поверхности (рис. 2)

5.1 Параметры шероховатости

Согласно ГОСТ шероховатость  поверхности, независимо от материала  и способа изготовления, оценивают количественно одним или несколькими параметрами из следующего перечня:

или

R_a - среднее арифметическое отношение профиля - предпочтительный параметр

 

R_z - высота неровностей профиля на 10 точек 

 

R_max - наибольшая высота неровностей (расстояние между линиями выступов и впадин);

S_m - средний шаг неровностей;

S - средний шаг местных выступов;

t _р - относительная опорная длина профиля;

р - значение уровня сечения профиля;

l - базовая длина;

п - число выбранных точек;

 

у_i - расстояние между любой точкой профиля и средней линией профиля.

5.2 Остаточные напряжения, структурные и фазовые превращения

Остаточными называют напряжения, существующие в теле при отсутствии внешних силовых нагрузок на него. Наличие этих напряжений обусловлено неравномерностью температуры по объему тела, образованием во время нагрева или охлаждения новых структур с иной плотностью, наличием включений и др. Остаточные напряжения образуют равновесную структуру. В зависимости от объема, который охватывается этой системой, различают собственные напряжения трех родов. Напряжения первого рода уравновешиваются в крупных объемах; соизмеримых с размерами детали; напряжения второго рода (микронапряжения) уравновешиваются в пределах одного или нескольких кристаллических зерен; напряжения третьего рода - субмикроскопические искажения кристаллической решетки. Напряжения второго и третьего родов не имеют ориентировки относительно осей детали.

Пластическая деформация вызывает уменьшение плотности металла или, что то же самое, увеличение его удельного объема. Пластически деформированный при резании слой не может свободно увеличиваться в объеме (этому препятствуют недеформированные металлические изделия), поэтому в наружном слое появляются напряжения сжатия, а в остальной части - напряжения растяжения.

Это рассуждение предполагает, что деформируемый слой не находится  даже частично в состоянии ползучести. В зависимости от температуры металл может быть в упругом и пластичном состояниях. В состоянии ползучести металла силы упругости не проявляются, и деформация протекает без стремления материала к восстановлению формы. За температуру 1_р перехода из упругого состояния металла в пластическое можно принять 450⁰С для углеродистых сталей и 550⁰С для легированных.

Средняя температура  поверхностного слоя стали при шлифовании составляету самой поверхности 800.. ,850°С. Температуры того же порядка развиваются при скоростном точении. Нагрев поверхностного слоя металла при обработке обуславливает образование в нем температурных напряжений (рис.3).

Расстояние поверхности

а - температура изделия при обработке; б - распределение напряжений в теле изделия при обработке; в - напряжения после остывания наружного слоя до температуры t_р; г - остаточные температурные напряжения

Рисунок 3 - Схема образования  остаточных температурных напряжений в

поверхностном слое

Допустим, что в процессе обработки цилиндрической детали слой 1 находится в состоянии ползучести. В этом слое внутренние напряжения отсутствуют, а если до того существовали остаточные напряжения, то они снимаются. В слое 2 с температурой ниже t_Р, но выше нормальной t_н, возникают напряжения сжатия, а в слое 3 - растяжения. Напряжения эти временные. Как только наружный слой охладится до температуры t_Р, он станет упругим. Встречая сопротивление сокращению, он оказывается растянутым в окружном направлении. В слое 2 сжимающие напряжения возрастают. При дальнейшем охлаждении до полного выравнивания температуры по глубине металла напряжения растяжения в слое 1 возрастают, а в слоях 2 и 3 устанавливается система уравновешивающих напряжений сжатия. По характеру остаточные температурные напряжения, равно, как и обусловленные пластической деформацией, являются напряжениями первого рода. Однако из-за неодинакового тепловыделения на смежных участках обрабатываемой поверхности и различной степени пластической деформации возникают также остаточные напряжения второго рода.

Местные фазовые и  структурные превращения поверхностного слоя шлифуемой детали известны под названием шлифовочных прижогов. Они образуются вследствие интенсивного (почти мгновенного) тепловыделения на небольшом участке поверхностного слоя.

При резании металлов протекают два противодействующих друг другу процесса: упрочнение в результате действия сил резания, которые тем выше, чем больше давление резания, и разупрочнение - снятие наклепа за счет повышающейся температуры резания. Степень наклепа и толщина наклепанного слоя при прочих равных условиях зависят от режима резания.

6 ПОКАЗАТЕЛИ КАЧЕСТВА ПОВЕРХНОСТИ

Качество поверхности  деталей характеризуется микро- и макрогеометрией поверхности, волнистостью, структурой, упрочнением  и остаточными напряжениями. Глубина поверхностного слоя и качество поверхности зависят от основного материала, вида обработки, основных параметров инструмента, режима обработки и рода смазочно-охлаждающей жидкости.

Поверхностный слой неоднороден  по строению (рис.4)

0,2-0,3 нм

Рисунок 4 - Структура  поверхностного слоя шлифованной детали

из углеродистой стали

Граничный слой 1 состоит из адсорбированной пленки газов, влаги и сма- зочно-охлаждающей жидкости, которую можно удалить лишь нагревом детали в вакууме. Слой 2 - деформированный, сильно раздробленный металл с искаженной решеткой кристаллов и с обезуглероженными под действием высоких температур при шлифовании участками; в нем находятся окислы и нитриды, пустоты, надрывы и трещины. Слой 3 состоит из зерен, сильно деформированных под действием давления (шлифовального круга) и тангенциальных сил при шлифовании; в нем содержится структурно-свободный цементит, образовавшийся под действием высоких температур. Слой 4 - металл с исходной структурой. При более тонкой обработке (абразивными брусками, лентами и т.д.) слой 1 не изменяется по толщине, а слои 2 и 3 уменьшаются в соответствии с меньшими давлением и температурой поверхности при обработке.

Наклеп металла под  выступами неровностей обычно больше, чем под впадинами. Поверхностный слой в зависимости от указанных выше обстоятельств имеет толщину при точении 0,25.2,0 мм, при шлифовании 12.75 мкм, при тонком шлифовании 2.25 мкм, при полировании 2 мкм.

Следует иметь в виду, что шлифовочные прижоги могут достигать глубины

5 мм. Поверхностный слой может находиться в напряженном состоянии. Остаточные напряжения в нем при механической обработке могут достигать 560.1000 МПа и быть как сжимающими, так и растягивающими.

Система дефектов - слабых мест поверхности детали - является основной, на которой, начиная с самых малых деформаций, развиваются микротрещины. Вследствие наличия дефектов на поверхности естественно ожидать, что разрушение поверхности при трении будет происходить именно в этих местах, т.е. процесс изнашивания будет носить избирательный характер. По мере изнашивания поверхности слабые места будут возникать вновь.

 

7 ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ПОВЕРХНОСТЕЙ

ДЕТАЛЕЙ

7.1 Поверхностная энергия

Поверхностный слой металла  обладает большой активностью. Это обусловлено тем, что внутри твердого тела каждый атом кристалла окружен другими атомами и связан с ними прочно по всем направлениям, а у атомов, расположен-

с с Т~\

ных на поверхности, с  внешней стороны нет соседей  в виде таких же атомов. В связи с этим в поверхностном слое у атомов твердого тела остаются свободные связи, наличие которых создает вблизи поверхности атомное (молекулярное) притяжение. Чтобы при таком несимметричном силовом поле атом кристалла находился в равновесии, необходимо иное, чем внутри кристалла, расположение атомов самого верхнего слоя.

Поверхностные атомы  вследствие свободных связей обладают большей энергией, нежели атомы внутри твердого тела. Избыток энергии, отнесенной к единице поверхности, называют удельной поверхностной энергией или просто поверхностной энергией. Полная энергия кристалла состоит из внутренней и поверхностной энергии. Последняя пропорциональна поверхности раздела фаз, поэтому особенно возрастает при диспергировании твердых тел. Она во многом определяет свойства высокодисперсных систем - коллоидов.

При соприкосновении  двух тел поверхностная энергия  исчезает и может выделиться в  виде теплоты или затратиться  на подстройку в кристаллической  решетке одного кристалла к другому.

7.2 Адсорбция и хемосорбция

В результате взаимодействия ненасыщенных силовых полей твердого тела с силовыми полями молекул газа, движущихся к твердой поверхности, или взаимодействия жидкости, соприкасающейся с твердым телом, поверхность последнего покрывается пленкой веществ, содержащихся в окружающей среде: газов, паров воды, обычно находящихся в воздухе, и паров других жидкостей, а также веществ, растворенных в жидкостях и соприкасающихся с поверхностью твердого тела. Явления образования на поверхности твердого тела тончайших пленок газов, паров или растворенных веществ, либо поглощение этих веществ поверхностью тела называют адсорбцией.

При химической адсорбции (хемосорбции) полярные концы молекул, связываясь с поверхностью тела, образуют в ней монослой, сходный с химическим соединением. Подвижность молекул в результате этого значительно уменьшается.

Так, имеются основания  считать, что адсорбция жирных кислот на металлических поверхностях при нормальной температуре носит в основном физический характер, а при повышенной температуре - химический.

Жидкости с молекулами большой длины, содержащие в растворе поверхностно-активные вещества, образуют над монослоем полярных молекул граничный слой, в котором молекулы расположены не беспорядочно, как в объеме жидкости, а правильно ориентированы. Граничные слои находятся в особом агрегатном состоянии, имея квазикристаллическую структуру, что дает основание говорить об особой фазе жидкости - граничной фазе.

 

8 АДСОРБЦИОННЫЙ ЭФФЕКТ ПОНИЖЕНИЯ ПРОЧНОСТИ

(ЭФФЕКТ РЕБИНДЕРА)

Наибольшей способностью к адсорбции обладают поверхностно активные вещества, молекулы которых ориентируются при адсорбции перпендикулярно к поверхности тела, с которым взаимодействуют (органические кислоты, спирты, смолы, дистиллированная вода). Эти молекулы полярные. Например, если поместить металлическое тело рядом с летучим веществом, (например, валерьяновой кислотой), то молекулы кислоты, испаряясь и перемещаясь через воздух, покроют поверхность тела слоем в 1 молекулу, причем, если намочить поверхность, то получается многомолекулярный слой строго ориентированных молекул поверхностно активного вещества (рис.5).