Курс лекций по "Триботехнике"

Рисунок 5 - Схема адсорбированного монослоя полярных молекул и ориентация неполярных молекул

П.А. Ребиндером установлено, что поверхностно активная среда значительно снижает сопротивление деформированию (в холодном состоянии) и разрушению твердых тел в результате физической адсорбции поверхностно активных веществ. Принципиальная схема эксперимента представлена на рис.6. Эффект Ре- биндера является внешним эффектом: снижается поверхностная энергия твердого тела - облегчается выход дислокаций (неоднородностей кристаллического строения вещества).

Молекулы поверхности  активной среды проникают в трещины  и "раздвигают их" (рис.7).

 

1 - образец; 2 - пуансон; 3 - шарик; 4 - наплыв металла 

Рисунок 6 - Схема продавливания  шарика без смазочного материала (а) и с окисленным парафином (б) (по данным П.П. Ребиндера)

 

молекул смазочного материала (Р - давление адсорбированного слоя;

Q- расклинивающие силы)

Расплавленные легкоплавкие металлы являются сильными поверхностно активными веществами по отношению к более тугоплавким и резко снижают их прочность.

9 КОНТАКТ ПОВЕРХНОСТЕЙ ТЕЛ

Взаимный контакт деталей  происходит по вершинам и выступам шероховатости, которая деформируется под действием внешней нагрузки.

Деформации выступов делят:

• на упругие (эластичные тела - например, резина с очень гладкой поверхностью);
• упруго пластические без упрочнения;
• упруго пластические (упруго пластический контакт) с упрочнением. Схема контакта поверхностей двух тел показана на рис.8. При этом различают:
1. номинальную площадь контакта, А_а= а х в;
2. контурную площадь контакта, А_к = 5... 15 % от А;

фактическую площадь  контакта, А_r = 0,01.0,1% от А

Рисунок 8 - Схема контакта поверхностей тел 

Номинальное давление

Контурное давление

Фактическое давление              

 

Фактическая площадь  контакта А_r зависит от нагрузки за счет деформации вершин выступов и меняется после 1-й и последующей нагрузки.

А_r - фактический контакт увеличивается при увеличении нагрузки, уменьшении шероховатости, росте радиуса закруглений выступов г и за счет времени действия нагрузки.

А_r - фактический контакт уменьшается с увеличением предела текучести, высоты неровности (шероховатости).

При взаимодействии двух разных материалов - физические свойства более мягкого и геометрия  поверхности более твердого из тел  определяют А_r (фактический контакт).

При наличии между  поверхностями трения тонкой пленки меди площадь фактического контакта А_r увеличивается в 10.100 раз, снижая износ.

10 ТРЕНИЕ СКОЛЬЖЕНИЯ (СКОРОСТЬ ТЕЛА В РАЗЛИЧНЫХ ТОЧКАХ КАСАНИЯ)

Согласно молекулярно-механической теории трения сила трения определяется как сумма двух составляющих

где F_т - молекулярно-адгезионная составляющая;

F_q - деформационно-механическая составляющая.

Коэффициент трения

Есть методика расчета  коэффициента трения ƒ

где τ₀ , β - фрикционные параметры, определяющие величину колебательного напряжения в результате молекулярного взаимодействия (экспериментально);

а_r - коэффициент гистерезиса при растяжении-сжатии;

к₁ - константа интегрирования, зависящая от υ;

μ - коэффициент Пуассона деформируемой поверхности;

r - закругление вершин неровностей (приведенное).

На коэффициент трения / влияют:

1. Внешняя нагрузка N (F_п). С ростом N уменьшается, увеличивается, то есть молекулы отталкиваются у разнородных материалов, у однородных - притягиваются.
2. Шероховатость поверхности. Более твердое тело внедряется в более мягкое: ƒ _молек. - уменьшается, ƒ_деформ - увеличивается.
3. Механические свойства контактирующих тел. От свойств менее жесткого тела зависит модуль упругости Е.
4. Температура контактирующего тела: ƒ _молек. - уменьшается, ƒ_деформ - увеличивается (сваривание).
5. Скорость скольжения. Влияет неоднозначно.

11. ТРЕНИЕ КАЧЕНИЯ

Сила трения качения  по крайней мере в 10 раз меньше силы трения скольжения. Сопротивление качению объясняется деформационными потерями в нижележащем твердом теле. При отсутствии пластической деформации трение обусловлено гистерезисными потерями в твердом теле. При трении качения происходит взаимное проскальзывание поверхностей, которое можно наблюдать при качении шарика (рис.9).

 

 

Рисунок 9 - Шарик, катящийся  по канавке

Окружность АВ шарика перемещается посередине канавки, а  окружность СБ касается ее края. Окружность АВ проходит за один оборот шарика большее расстояние, чем окружность СБ. Эта разница и обуславливает скольжение поверхностей трения.

Сила трения качения  примерно в 10 раз меньше трения скольжения - уменьшается работа деформации. При твердых поверхностях Р_качения еще меньше.

 

Сила трения качения

где k - константа, зависящая от материала;

N - нагрузка;

D - диаметр, D = 2R;

п = 1,7.....1,85;

т = 1,5....1,6 (зависит от смазки).

На F_{качения} влияют: вязкость смазки, размер шариков (роликов), трение в сепараторах, шероховатость.

Для подшипников качения ƒ_{качения} = 0,002....0,008.

Если использовать наклонную  площадку, то такому ƒ_{качения} соответствует

φ= 0°7'.0°27' (прибор не уловит углов).

Момент трения в подшипниках  качения.

 

 

где k - коэффициенты трения радиальных и осевых нагрузок, отнесенные к диаметру вала ;

 d - диаметр вала;

F_r, F_а - радиальные и осевые нагрузки.

Сила трения в подшипниках  качения увеличивается при технологических  и монтажных погрешностях, высоких  скоростях и трении в уплотнениях.

Значение коэффициента трения в подшипниках ƒ = 0,002...0,008 .

 

12. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ О МЕХАНИЗМЕ ИЗНАШИВАНИЯ

      ПАР ТРЕНИЯ

Пара трения - два узла машины, контактирующие поверхностями  в условиях эксплуатации или испытаний (зубья ковша с землей - не пара трения).

Разрушение поверхностей твердого тела, проявляющееся в изменении его размеров или формы (массы), называют изнашиванием.

Износ - результат изнашивания, выраженный в единицах длины, объема, массы.

Интенсивность изнашивания - отношение износа детали (или испытуемого  образца) к пути трения или объему выполненной работы. При определении интенсивности изнашивания может оказаться более целесообразным относить износ к другому показателю, общему для всех узлов и агрегатов данной машины. Так, для автомобилей в качестве такого показателя может быть принято число километров пробега, а для тракторов - число гектаров пахоты.

Скорость изнашивания - отношение износа детали к времени, в течение которого происходило изнашивание.

Износостойкость оценивают  величиной, обратной интенсивности  или скорости изнашивания.

Предельным износом  детали (узла) называют износ, при котором дальнейшая эксплуатация становится невозможной, вследствие выхода детали (узла) из строя, неэкономичной или недопустимой, ввиду снижения надежности механизма.

13. МЕХАНИЗМ ИЗНАШИВАНИЯ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ ПОВЕРХНОСТЕЙ

В процессе изнашивания выделяют три явления:

• взаимодействие поверхностей трения;
• изменения, происходящие в поверхностном слое металла;

- разрушение поверхностей.

Эти явления непрерывно переплетаются, взаимно влияя друг на друга.

Взаимодействие поверхностей может быть механическим и молекулярным. Механическое взаимодействие выражается во взаимном внедрении и зацеплении неровностей поверхностей в совокупности с их соударением в случае скольжения грубых поверхностей. Молекулярное взаимодействие проявляется в виде адгезии и схватывания. Адгезия не только обуславливает необходимость приложения касательной силы для относительного сдвига поверхностей, но и может привести к вырыванию материала. Схватывание свойственно только металлическим поверхностям и отличается от адгезии более прочными связями. Молекулярное взаимодействие возможно также на участках взаимного внедрения поверхностей. Оно обязательно будет при разрушении масляной пленки. Изменения на поверхностях трения обусловлены пластической деформацией, повышением температуры и химическим действием окружающей среды.

Изменения, вызванные  деформацией, заключаются в следующем:

1. Многократные, упругие деформации из-за несовершенства структуры материала приводят в определенных условиях к усталостному выкрашиванию поверхностей качения, а многократные упругие деформации микронеровностей поверхностей скольжения разрыхляют структуру.
2. Пластическое деформирование изменяет структуру материала поверхностного слоя. Пластическое деформирование твердых тел складывается из четырех наиболее важных элементарных процессов: 1) скольжения по кристаллографическим плоскостям (скольжение в отдельных зернах поликристаллического тела происходит обычно по нескольким плоскостям, число которых возрастает с повышением напряжения); 2) двойникования кристаллов; 3) отклонения атомов от правильного расположения в решетке и их теплового движения; 4) разрушения структуры. Разрушение структуры - это заключительный этап пластической деформации.
3. Пластическая деформация при температуре ниже температуры рекристаллизации приводит к наклепу поверхностного слоя - его упрочнению. Однако у самой поверхности структура несколько ослаблена, микротвердость понижена. Микротвердость достигает максимума на некоторой глубине, далее уменьшаясь до исходной.

4 При сильно отличающихся по твердости структурных составляющих материала и многократном воздействии нагрузки происходит вначале интенсивное изнашивание мягкой основы, вследствие этого повышается давление на выступающие твердые составляющие, они вдавливаются в мягкую основу, некоторые из них дробятся и перемещаются дополнительно под действием сил трения.

Влияние повышения температуры  состоит в следующем:

1. Если по условиям службы узла или в результате трения температура поверхностных слоев выше температуры рекристаллизации металла, то поверхностный слой не наклепывается, а пребывает в состоянии повышенной пластичности, размягчения - происходит выглаживание поверхности за счет растекания всего металла или только одной составляющей сплава.
2. Высокая температура и пластическая деформация способствуют диффузионным процессам, в итоге возможно обогащение поверхности некоторыми элементами (например, поверхности стали углеродом).
3. При интенсивном локальном повышении температуры (температурной вспышке) и последующем резком охлаждении поверхности нижележащей холодной массой металла на поверхности могут образоваться закалочные структуры.
4. Пластическая деформация, возможные высокие температурные градиенты и структурные превращения, каждое в отдельности или совместно, вызывают напряжения в материале, которые могут влиять на его разрыхление.
5. При микроскопическом исследовании контакта деталей в условиях высоких нагрузок и температур установлена возможность образования магмы-плазмы (рис.10).

 

1 - исходная структура; 2 - расплавленная структура; 3 - плазма;

4 - электроны, движущиеся  при трибоэмиссии Рисунок 10 - Модель  магмы-плазмы

Химическое действие среды заключается в следующем:

1. В среде воздуха на обнаженных при изнашивании чистых металлических поверхностях образуются окисные пленки, в результате действия кислорода газовой фазы или содержащегося в масле и его перекисях. Окисные пленки предохраняют поверхности от схватывания и связанного с ним глубинного вырывания и являются важным фактором не только при трении без смазочного материала и граничной смазке, но и при полужидкостной смазке.
2. Металлические поверхности, взаимодействуя с химически активными присадками в масле, покрываются пленками химических соединений, роль которых аналогична роли окисных пленок. Пленки эффективно защищают поверхность от изнашивания, если скорость их образования превышает скорость изнашивания.
3. Возможно насыщение поверхности углеродом в результате разложения смазочного материала при высокой температуре.
4. Агрессивные жидкости и газовые среды активизируют изнашивание.