Роль трения в работе машин и оборудования и
Nbsp; ВВЕДЕНИЕ Прогресс в окружающем нас мире немыслим без развития машин и оборудования. Из года в год увеличивается их общее количество и удельная мощность. Наблюдается явная тенденция ужесточения режимов их эксплуатации, рост количества расходуемого топлива, смазочного материала и запасных частей, резкого увеличения объема ремонтных работ. По данным ООН, более трети вырабатываемой в мире энергии идет на преодоление сил трения, а четверть вырабатываемого металла расходуется только на восстановление потерь, связанных с износом деталей и узлов в машинах. В условиях наблюдающегося в мире истощения топливных и материальных запасов, а также значительного возрастания требований к надежности и долговечности машин остро встает вопрос о поиске мероприятий, способствующих решению этой актуальной проблемы. И среди них может оказаться более эффективное использование достижений в области трения, изнашивания и смазочных материалов, объединенных в понятии трибологии - производного от слова "Tribo", что в переводе с греческого означает трение. В 80...90 % случаев машины выходят из строя по причинам повреждения узлов трения. Во многом это бывает связано как непосредственно с трением, так и с его воздействием. По экспертным оценкам ведущих в мире специалистов по трибологии, только применение уже достигнутых результатов в этой области может уменьшить повреждаемость машин на 25...30 %. Причем первые 10...15 % из них - практически без всяких капиталовложений, а только за счет более грамотного обслуживания машин и применения уже известных смазочных веществ - материалов и технологий. По характеру своего проявления и действию трение и изнашивание твердых тел представляют собой на первый взгляд чисто механическое явление. Величину трения и износа легко измерить и оценить. Однако в основе формирования сил трения и изнашивания лежат сложные механические, физические и химические процессы. И с этим связано то, что далеко не всегда усматривается прямая зависимость между трением и износом, реализуемыми в узлах трения машин. Большой вклад в развитие учения о трении, износе и смазках сделали И.В.Крагельский, Б.В.Дерягин, П.А.Ребиндер, М.М.Хрущев, Ф.П.Боуден, Н.Б.Демкин, Н.А.Буше, Н.М.Михин, А.В.Чичинадзе, А.С.Ахматов и др. Особое внимание при этом заслуживают труды крупных трибологов (представленные в виде учебников, методических разработок и справочников), направленные на обучение инженерно-технических работников. Это, прежде всего, работы И.В.Крагельского с соавторами, Н.Б.Демкина, Н.А.Буше, А.В.Чичинадзе, Д.Н.Гаркунова, Б.И.Костецкого, Э.Д.Брауна с соавторами и др., многие из которых уже сейчас стали, к сожалению, библиографической редкостью. Настоящее пособие предназначено для студентов механических специальностей и слушателей курсов повышения квалификации, изучающих курс "Триботехника". В нем излагаются основные представления о природе фрикционного взаимодействия и износа трущихся тел, об основах смазочного действия. Делаются акценты на поиски внутренней связи между твердыми телами, жидкостью (смазочной средой) и окружающей атмосферой. Формулируются условия для безаварийной работы узлов трения. Рассматриваются существующие методы испытания фрикционных материалов и технологические методы, направленные на повышение износостойкости и эффективности использования узлов трения.
|
|
|
|
|
|
ТРИБОЛОГИЯ И ТРИБОТЕХНИКА
Основные понятия
Окружающий нас материальный мир находится в непрерывном движении. Движение осуществляется как на микро- так и на макроуровнях. В движении находятся атомы, ионы и молекулы, а также тела, детали узлов трения машин, сами машины и планеты. Если на микроуровнях характер движения частиц определяется, в конечном счете, температурой тела, то на макроуровне - уже работой, эквивалентной силе, затрачиваемой на единицу пути перемещающихся тел.
|
|
|
Сопротивление относительному движению тел принято характеризовать понятием трения. Трение всегда связано с поглощением внешней, чаще всего механической работы и рассеиванием реализуемой во фрикционной паре энергией, преимущественно в виде тепла.
Развитие учения о трении начиналось с периода деятельности первобытного человека и продолжается по настоящий день.
Трение в деятельности человека играет как положительную, так и отрицательную роль. Известно, что внезапное уменьшение трения, происходящее между колесами автомобиля или локомотива с дорожным покрытием или рельсами, делает совершенно беспомощной эту мощную транспортную технику для совершения ею поступательного движения вперед и создает крайне опасную ситуации при необходимости торможения транспортных средств. Без устойчивого трения становится также невозможной работа многих механических передач, тормозов и муфт. Помимо достижения решения ряда технических задач преодоление сил трения всегда связано с большим расходованием энергии. Известно, что у хорошо отлаженного современного реактивного авиационного двигателя на это расходуется до 2 % его мощности, у автомобильного двигателя – 26...44 %, у локомотивов - более 50 %, а у текстильных машин - более 80 % от затрачиваемой ими мощности. В условиях реальной эксплуатации машин, отмеченные выше потери энергии от трения, как правило, возрастают.
|
|
|
Реализуемые в зоне трения силы и генерируемая там энергия, в свою очередь, воздействуют на материал трущихся тел и приводят к его изнашиванию. Этот процесс, заметный иногда для наблюдателя, приводит узлы трения машин к состоянию, когда дальнейшая эксплуатация их становится нерациональной или даже опасной.
Процесс постепенного изменения размеров тела при трении, проявляющийся в отделении с поверхности трения материала и остаточной деформации тела, получил название изнашивание, а сам результат изнашивания - износ. В соответствии с характером нарушения фрикционных связей между телами различают процессы микрорезания, молекулярного схватывания, пластического и упругого разрушения контактов. В реальных машинах обычно реализуются одновременно все эти виды разрушения тел, хотя в отдельных случаях отдельные из них могут оказаться и превалирующими.
Трение и износ материалов весьма чувствительны к влиянию внешней среды. В зависимости от качества и количества инородных тел, попадающих в зону трения, силы трения между контактирующими телами могут меняться в десятки и сотни раз. И это явление широко используется для управления трением и износом в машинах с помощью специально подобранных смазочных материалов.
В общем случае смазочным материалом называется материал, подаваемый на поверхность трения для уменьшения скорости изнашивания и силы трения. Природа и свойства смазочного материала могут быть весьма разнообразны. Наибольший эффект от применения смазочных материалов наблюдается в условиях, когда их выбор осуществляется с учетом действительных свойств материала контактирующих тел, конструкцией узла трения и условиями его нагружения.
Наука о трении и процессах, сопровождающих трение, получила название трибология (от греч. "трибос" - трение и "логос" – наука). Она охватывает экспериментальные и теоретические исследования физических, механических, химических и других явлений, связанных с трением, и базируется на материалах ряда специальных дисциплин. Самостоятельными ее разделами стали трибофизика, трибохимия, трибобиология, фрикционное материаловедение, тепловая динамика трения и химотология - раздел науки о свойствах, качестве и рациональном использовании топлив, смазочных материалов и специальных жидкостей во фрикционных парах.
Наука же о практическом использовании трибологии при проектировании, изготовлении и эксплуатации трибологических систем получила название триботехника.
В настоящее время еще нет законченной, точной и полной теории, описывающей все случаи фрикционного взаимодействия трущихся тел. Современное развитие науки вооружает нас подходами к решению ряда частных задач, имеющих уже сейчас большое практическое значение. Триботехника открывает возможности для принятия обоснованных и грамотных решений по уменьшению энергетических потерь и увеличению срока службы машин и оборудования, а также позволяет более эффективно решать вопросы снижения объемов неблагоприятных воздействий машин и оборудования на экологию окружающего нас мира.
Роль трения в работе машин и оборудования и
Основные задачи триботехники
Уровень фрикционного взаимодействия в узлах трения машин и оборудования во многом определяет их эффективность в работе, а также материальные и энергетические потери. Например, на железнодорожном транспорте в прямой зависимости от величины коэффициента сцепления колес с рельсами находятся такие важные показатели его работы, как скорость движения и масса поездов. Увеличение коэффициента сцепления колес с рельсами всего на 0,01 может дать годовой экономический эффект 10 млн. руб., а уменьшение потерь от сопротивления движению поездов на 1 % - экономию 15 млн. руб. в год.
Опыт свидетельствует, что в 80...90 % случаев машины выходят из строя по причинам неудовлетворительной работы узлов трения (износа, задира, связанных с этим поломками и т.п.). Затраты на ремонт и обслуживание машин в несколько раз превышают их первоначальную стоимость: для автомобилей - в 6 раз, самолетов - в 5 раз, станков - до 8 раз. На долю заводов, выпускающих новые тракторы в нашей стране, приходится 22 % мощностей, на долю же заводов, изготавливающих запасные части к тракторам - 30 %, а на долю ремонтных предприятий - 44 %. Это означает, что на ремонт тракторов затрачивается почти в 4 раза больше производственных мощностей, чем на их изготовление. В сумме на запасные части расходуется более одной пятой выплавляемого в стране металла. Трудоемкость ремонта и технического обслуживания многих строительных машин за срок их службы в 15 раз превышает трудоемкость изготовления новых.
За весь срок службы двигатели автомобилей, тракторов и комбайнов ремонтируют до 5 раз. Ресурс двигателя после ремонта составляет 30...50 % от нового. Общий объем отремонтированных двигателей почти в 2 раза превышает объем новых. Отремонтированные двигатели расходуют больше топлива и смазочных материалов на 10% и более.
Положение дел усугубляется еще и тем, что выпускаемые в нашей стране моторные масла, служащие для уменьшения потерь энергии, износа и повреждаемости машин, не всегда соответствуют международному уровню. Объем выпуска масел высшего качества для автотракторных дизелей составляет лишь 6 %. Крайне мал выпуск моторных масел с улучшенными низкотемпературными свойствами. Выпуск легированных индустриальных масел не превышает 6 % от общего объема. Производство многоцелевых литиевых смазок не достигает и 10 %. Применяемые же в РФ смазочные материалы, как правило, низкого качества, а также недостаточное развитие триботехнического материаловедения привели к тому, что в РФ расход моторных масел по отношению к расходу топлива в 2...3 раза превышает этот показатель по США. Все это приводит к тому, что при приблизительно равном потребляемом в стране объеме моторных масел в США обслуживается парк автомобилей, в 8 раз больший, чем в РФ.
Принято считать, что в РФ в сложившихся условиях потери от трения и связанных с этим явлений составляют порядка 40 млрд. руб. при имеющейся тенденции ежегодного увеличения их приблизительно на 1 млрд. руб. В США те же самые потери составляют порядка 46 млрд. долларов, причем половина из них приходится на автомобили. Аналогичные явления наблюдаются и в других странах, и в большинстве случаев потери составляют 1,5...4 % их национального дохода. Это свидетельствует о том, что проблема трения, износа и смазки машин и оборудования, помимо чисто технической, является и экономической проблемой государственного масштаба. Экспертный анализ специалистов свидетельствует, что столь большие потери от трения происходят из-за разрыва между триботехникой и развитием промышленности и транспорта. Большое значение при этом отводится и отсутствию достаточной подготовки специалистов в этой области. Уже сейчас только за счет использования имеющихся достижений триботехники, потери от трения можно уменьшить на 30...40 %, причем первые 10 % из них - без дополнительных материальных вложений. При этом, как показывают исследования, проведенные в Великобритании, основная масса экономии средств от внедрения достижений триботехники достигается за счет сокращения затрат на обслуживание и ремонт машин, исключения потери из-за поломки оборудования и экономии капиталовложений за счет повышения долговечности машин (табл. 1.1).
Помимо явно выраженных технических и экономических аспектов, решаемых триботехникой, не менее важным является направление ее работ по улучшению экологии. Это, прежде всего, относится к переработке отработанных в машинах смазочных материалов. При производстве в мире смазочных материалов в 100 млн. т проблема их утилизации достаточно сложна. Актуальной стала и проблема поиска путей ускорения процесса разложения смазки, выпадаемой на землю, в ходе работы транспортных средств, а также и обратная проблема по восстановлению работоспособности смазки в климатических условиях с активным воздействием бактерий. В этой области открываются большие перспективы для использования триботехнических технологий. Острой также стала проблема замены на транспорте и в промышленности широко распространенных, но вредных для организма человека материалов. Этим и другими аналогичными вопросами активно занимаются сейчас трибологи ряда некоторых стран.
Таблица 1.1
Оценка экономии, реализуемой промышленностью Великобритании при последовательном внедрении достижений триботехники в практику
| №№ п/п | Показатель | Экономия (млн. фунтов стерлингов/год) |
| 1 | Снижение потребления энергии за счет меньшего трения | 28 |
| 2 | Сокращение ручного труда | 10 |
| 3 | Снижение затрат на смазку | 10 |
| 4 | Снижение затрат на обслуживание и ремонт | 230 |
| 5 | Исключение потерь за счет поломки оборудования | 115 |
| 6 | Экономия вложений вследствие более интенсивного использования оборудования и большего КПД | 22 |
| 7 | Экономия вложений вследствие более интенсивного использования оборудования и большего КПД | 100 |
| Всего | 515 | |
В соответствии с вышесказанным можно выделить основные задачи триботехники на современном этапе.
1. Углубление научных представлений о природе фрикционного взаимодействия и закономерностях трения и изнашивания наиболее ответственных узлов трения машин и оборудования и определение направлений по более эффективному совершенствованию узлов трения, лимитирующих работу машин.
2. Разработка прогрессивных фрикционных и антифрикционных материалов (несущих поверхностей твердых тел, смазок и т.п.).
3. Разработка технологий, регулирующих свойства поверхностей трения.
4. Оптимизация конструктивных решений узлов трения.
5. Эксплуатационные мероприятия по повышению долговечности машин.
6. Повышение квалификации инженеров в области трения, износа и смазки и совершенствование контрольно-измерительных и расчетных триботехнических методов.
7. Организация комплексного подхода к решению проблемы повышения экономичности, долговечности и обеспечения узлов трения экологически чистой их работы.
В условиях, когда для жизнеобеспечения человечества требуются более производительные и менее энергоемкие машины и когда в мире приходится сталкиваться с дефицитом топливно-энергетических и материальных ресурсов, достижения и возможности трибологии и триботехники приобретают особое значение для решения стоящих перед обществом задач по повышению экологической чистоты, эффективности и безопасности использования машин и оборудования.
ВИДЫ И РЕЖИМЫ ТРЕНИЯ
Сопротивление относительному движению контактирующих тел под действием внешних сил получило название трение. Сила трения направлена тангенциально к общей границе взаимодействующих тел и всегда препятствует их движению.
Классификация трения
Трение по характеру проявления и действия обычно представляется механическим явлением. Однако в его основе лежат сложные молекулярно-механические взаимодействия, во многом зависящие от состава, строения, объемных и поверхностных свойств трущихся тел.
Большое многообразие сил трения, встречающихся в природе, принято классифицировать по видам и режимам его проявления (рис. 2.1). В основе этой классификации лежат резкие отличия закономерностей трения для различных случаев.
По кинематическим признакам трение (рис. 2.2) подразделяют на следующие три вида.
1.Трение острия. Случай, когда вращение одного из двух контактирующих тел происходит вокруг оси, представляющей собой нормаль, проведенную через единственную точку соприкосновения со вторым телом.
2.Трение качения. Оно представляет собой случай, когда перемещение одного тела (шара, цилиндра) по другому (плоскости) происходит вокруг оси, не пересекающей ни одно из трущихся тел, и скорость относительного смещения которых в точке контакта равна нулю.
3.Трение скольжения. Случай трения, когда скорость относительного скольжения тел отлична от нуля.
Различие первых двух видов состоит в том, что при качении точки (линии) контакта одного тела соприкасаются с точками (линиями) контакта другого тела на мгновение, в то время как при трении острия (верчения) они находятся в соприкосновении длительное время.
Вышеприведенная классификация трения по его видам является строгой только лишь в случае, если мы имеем дело с абсолютно упругими (твердыми) телами. При реализации же первого и второго видов трения реальных тел ввиду развивающихся очень высоких
концентраций напряжений в контактной зоне происходит сжатие трущихся тел. Контакт между телами представляет собой уже не
| Рис.2.1. Классификация трения по основным критериям |
точку или линию, а некоторую площадь. Размеры этой площади определяются формой контактирующих тел, их механическими свойствами, а также величиной сжимающего усилия. Поэтому при трении реальных тел, помимо трения острия и качения, появляются участки контактной площади, на которых реализуется трение скольжение. На этом основании можно считать, что наиболее распространенным видом трения в окружающем нас мире является трение скольжения.
Рис. 2.2. Подразделение видов трения по кинематическим признакам:
1 – трение острия (верчения); 2 – трение качения; 3 – трение скольжения
Помимо перечисленных выше видов трения еще различают трение статическое и кинематическое. Статическое трение определяется минимальным усилием (при микросмещении контактирующих тел), необходимым для выведения одного из тел в состояние его относительного движения. Кинематическое же трение характеризуется усилием, приложенным к движущемуся телу для поддержания постоянной скорости его движения.
Для сопоставления и сравнения трения между телами часто используется понятие коэффициента трения (m), под которым подразумевается отношение силы трения (F) между телами к нагрузке (нормальной сжимающей их силе - N)
.
Помимо кинематических признаков трение различают по режимам трения: внешнее и внутреннее.
При внешнем трении процессы, определяющие возникновение трения, развиваются в тонких поверхностных слоях трущихся тел. Ввиду шероховатости поверхности, присущей любому телу, площадь истинного контактирования между телами имеет дискретную структуру, а ее величина во многом зависит от сжимающего усилия, приложенного к трущимся телам (рис. 2.3).
Рис. 2.3. Схема формирования силы трения
Сила трения F в этом случае определяется суммированием силового взаимодействия на каждом из элементарных n контактов трущихся тел fi
.
Характерным для внешнего трения является то, что все процессы, сопровождающие его (в том числе и выделение тепла при трении), происходят главным образом на поверхностях контактирующих тел.
В основе внутреннего трения лежат процессы, происходящие внутри одного из тел, имеющего легкую подвижность атомов или частиц, составляющих это тело. Примером таких тел могут быть жидкости, газы, твердые смазки, мягкие металлы и т.п. При внутреннем трении площадь, по которой происходит трение, непрерывна и определяется контурными размерами тел, а ее величина не зависит от усилия сжимающего тела. Деформационная зона охватывает весь объем трущегося тела, и выделяющаяся при трении энергия равномерно распределяется внутри этого тела. В отличие от внешнего трения, где частицы трущихся тел под влиянием выступов контртела совершают при трении колебательное движение относительно положения своего равновесия, при внутреннем трении происходит смещение частиц подвижного материала преимущественно в направлении плоскости касания (движения) тела.
Природа внутреннего трения едина. В его основе лежит передача импульса (количества движения) от одного слоя к другому. Природа же внешнего трения является более сложной. Она включает в себя молекулярные взаимодействия между телами, а также и деформационные процессы, наблюдающиеся при трении. В этом заключается принципиальное отличие внутреннего трения от внешнего.
В реальных механизмах и машинах, в которых используются специальные смазочные материалы, и осуществляется контакт с окружающей средой, реализуются более сложные механизмы и режимы трения. Среди них наиболее распространенными стали следующие.
Сухое трение (трение без смазки) - трение при отсутствии смазывающих веществ на трущихся поверхностях. Отличается самым большим коэффициентом трения (обычно 0,2...0,5; иногда в атмосферных условиях достигает 0,8...0,9; а в вакууме и более нескольких единиц). Этот режим трения используется в тормозах, сухих муфтах, ременных и сухих фрикционных передачах, в соединениях с натягом с обезжиренными поверхностями.
Полусухое трение - смешанное трение, при котором наряду с преобладающим сухим трением на отдельных участках площади контакта возникает граничное трение. Этот вид трения характерен для резьбовых соединений, поверхностей зажима изделий.
Граничное трение - трение при наличии тонких слоев смазки (0,1 мкм и менее), когда смазка обладает свойствами, отличными от объемных. Граничная пленка обладает высокой несущей способностью на сжатие, измеряемой сотнями МПа, и уменьшает износ в сотни раз. Коэффициент трения в этих условиях меньше, чем при сухом трении (обычно 0,05...0,1). Граничное трение преобладает в подшипниках с малыми скоростями, в большинстве направляющих, иногда проявляется в вариаторах и зубчатых передачах. Реализуется также в тормозах и муфтах, работающих со смазкой.
Полужидкостное трение - смешанное трение, сочетающее в себе жидкостное и граничное трение. Возникает в тихоходных опорах (подшипниках и направляющих), а также при пусках и остановках в опорах жидкостного трения. При полужидкостном трении нагрузка воспринимается частично гидродинамическими силами в масляных слоях, частично передается через граничную пленку. Непосредственный контакт поверхностей твердых тел может проявляться при пусках и остановках. Гидродинамическое давление возникает при движении в макрогеометрических сужающих зазорах между трущимися поверхностями, а также в микрогеометрических клиновых зазорах, образуемых микронеровностями.
Жидкостное гидродинамическое трение – вид трения, когда смазочная жидкость увлекается в суживающийся между трущимися поверхностями зазор и создает гидродинамическое давление, полностью уравновешивающее внешнюю нагрузку. Возникает в подшипниках и направляющих при значительных скоростях.
Жидкостное гидростатическое трение – вид трения, в котором масло, разделяющее трущиеся поверхности, подается под давлением от отдельного насоса. Используется при малых скоростях, недостаточных для обеспечения гидродинамического трения, для уменьшения момента трения и износа при пуске машин.
Жидкостное контактно-гидродинамическое трение - вид трения при качении или качении со скольжением. Возникает в роликовых подшипниках, зубчатых и червячных передачах и аналогичных деталях. Здесь контактные деформации принципиально меняют форму зазора, а высокие давления и температура в тонкой масляной пленке резко изменяют вязкость масла.
Трение в условиях вязко-эластичной (консистентной) смазки – трение, которое реализуется в узлах трения скольжения при периодической работе и трудности применения жидкой смазки. Широко применяется в узлах трения качения.
Трение в условиях газовой (воздушной) смазки - трение, которое реализуется в быстроходных подшипниках газовых турбин, шлифовальных станков, центрифуг, сепараторов. Характеризуется минимальным сопротивлением вращению, малым теплообразованием, нечувствительностью к изменению температуры.
Трение в условиях вакуума, низких и высоких температур получило распространение с развитием вакуумной и космической техники. Вследствие весьма напряженного теплового баланса на поверхностях трения - из-за отсутствия теплоотвода - здесь применяют твердые смазки, самосмазывающиеся материалы, пленочные металлические покрытия, а в нагруженных фрикционных устройствах - специальные теплостойкие материалы.
В зависимости от вида и реализуемого режима трения коэффициенты трения в узлах машин и оборудования могут существенно меняться. Наиболее характерные из них представлены в табл. 2.1.
Таблица 2.1
Значения коэффициентов трения
| Вид трения | Режим трения | Коэффициент трения |
| Скольжения | Сухое | 0,1...1 |
| Граничное | 0,05...0,2 | |
| Жидкостное | 0,002...0,01 | |
| Газодинамическое | 0,0005...0,001 | |
| Качения | Сухое | 0,01...0,005 |
| Со смазкой | 0,005...0,0005 |
Как при переходе от режима к режиму трения, так и внутри каждого из режимов коэффициенты трения могут меняться в десять раз. Столь значительные их изменения связаны и с изменением природы фрикционного взаимодействия, и со свойствами поверхности контактирующих тел, способных весьма значительно влиять на механизм трения и изнашивания трущихся поверхностей.
Дата добавления: 2018-02-18; просмотров: 1036625; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!