Понятие о трении и его виды. Виды изнашивания поверхностей трения

 

В ряде случаев  считают, что понятие усталостного износа как вида разрушения, при  котором материал подвергается повторному действию сил, приводящих к накапливанию в нем повреждений, может быть использовано и для анализа процесса, который классифицируется как адгезионный  износ.

В основу классификации положен  механизм отделения продуктов износа от поверхности. Основными видами износа являются адгезия или перенос, резание, коррозия, пластическая деформация и  усталостное разрушение, а к специфическим  видам износа относят растрескивание, поверхностные реакции, отрыв, расплавление и электрохимические реакции. К  последним можно отнести и  фреттинг-коррозию, которая происходит в болтовых и заклепочных соединениях.

Достаточно полная классификация  износа при трении дана в таблице, в которой для характеристики видов износа в основу положен тип относительного движения контактируемых тел. По виду движения различают износ, вызываемый скольжением, качением и вращением. Нагрузка при движении может быть статической, переменной или ударной, а также равномерной или неравномерной.

Вид износа	Тип движения	Нагрузка
Промежуточное вещество жидкость
При скольжении со смазкой  При качении со смазкой   При вращении со смазкой	Скольжение    Качение    Вращение	Постоянная или переменная
Промежуточное вещество газ
При скольжении со смазкой  При качении со смазкой   При вращении со смазкой	Скольжение    Качение    Вращение		-
Промежуточное вещество твердое
Абразивный при скольжении  То же при качении  То же при вращении	Скольжение    Качение    Вращение		-
Вызываемый струей: скользящей    падающей под углом  падающей перпендикулярно	Закрытое истечение		Параллельно к поверхности износа  Под углом к поверхности износа  Перпендикулярно
Кавитационный    Обусловленный ударами капель жидкости  Ударный	Удары при захлопывании пузырьков  с пониженным давлением    Удары свободно движущихся капель жидкости  Повторяющееся соударение двух твердых тел

С практической точки зрения важнейшее  значение имеют два вида износа:

1. вызывается трением скольжения;
2. вызывается трением качения.

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок 5. Схема износа при трении скольжением: F – направление движения; Р – усилие давления; а – контактирующее тело 1; б – окружающая среда; в – промежуточное вещество; г – контактирующее тело 2.

 

Рисунок 6. Схема износа при трении качения: F₁ – направление движения ролика 1; F₂ – направление движения вала 2; 3 – упругая деформация при переменном нагружении; Р – усилие давления.

В процессе износа при скольжении материалы под действием напряжений работают на срез, а в процессе трения износа при качении развиваются  нормальные напряжения. При длительном нагружении под действием переменных давлений это приводит к выкрашиванию частиц на поверхности, т.е. образованию раковин (питтинга).

Если наряду с нормальными напряжениями развиваются также и касательные, то происходит проскальзывание, в наибольшей степени способствующее процессу износа. Нагружение, сочетающее скольжение и качение, возможно, например, в зубчатых передачах.

Износ при скольжении, вызываемый вращением, образуется в вершинах опор и в шаровых подпятниках. Это  тот вид износа, при котором  имеет место эффект вращения при  относительном смещении соприкасающихся  участков поверхности. Все три типа износа могут проявиться в смешанных  формах.

Типичным примером ударного износа является износ колец седла клапана двигателя внутреннего сгорания. Ударный износ, как и износ, обусловленный трением качения, приводит к образованию питтинга.

При обычном трении как без смазочного материала, так и при наличии граничной смазочной пленки детали контактируют на очень малой площади, составляющей 0,01 ... 0,0001 номинальной площади сопряженных поверхностей. В результате участки фактического контакта испытывают высокие напряжения, что приводит к их взаимному внедрению, пластической деформации и интенсификации изнашивания. Схемы контакта при трении качения приведены на рис. 3, а на рис. 4 - схемы контакта стальной и бронзовой трущихся деталей при граничной смазке (рис. 3, а и рис. 4, а) и при избирательном переносе (ИП) (рис. 4, 6). Если при граничной смазке контакт сопряженных поверхностей происходит только в отдельных точках, то при ИП он осуществляется через пластически деформируемый мягкий и тонкий слой меди. В результате площадь фактического контакта возрастает в десятки раз, а материал деталей испытывает лишь упругие деформации. При граничной смазке взаимодействие неровностей поверхностей вызывает усталостное изнашивание. При ИП трение непрерывное, площадки действительного контакта плоские. При трении с граничной смазкой и трении без смазочного материала поверхности деталей всегда покрыты окисными пленками (рис. 5), которые предотвращают непосредственный контакт металлических поверхностей и их схватывание. Однако окисные пленки хрупки, не способны многократно деформироваться и поэтому в процессе трения разрушаются в первую очередь. С повышением температуры в зоне трения окисные пленки утолщаются, при этом увеличивается и объем их разрушения.

Виды разрушения деталей при  трении могут быть допустимыми и  недопустимыми.

Частыми причинами выхода из строя  опор качения являются усталостное  выкрашивание дорожек и тел качения, заклинивание и разрыв сепараторов, абразивное изнашивание. При эксплуатации опор качения указанные повреждения в ряде случаев могут быть устранены или уменьшены при использовании металлоплакирующих смазочных материалов, содержащих 0,1... 10% (маc.) твердых частиц металлов, их окислов, металлоорганических соединений или твердых антифрикционных материалов.

Методы  уменьшения интенсивности износа

Факторы, определяющие интенсивность  изнашивания:

 

• род трения (скольжения, качения, качения с проскальзыванием);
• вид трения (сухое, граничное, гидродинамическое);
• среда (воздух, вода, газ, почва и т.п.);
• вид контакта пар трения (точка, линия, плоскость, цилиндр, сфера);
• характер движения (равномерное, непрерывное и т.д.);
• вид движения (вращательное, поступательное, возвратно-поступательное);
• характер нагрузки (постоянная, неустановившаяся, знакопеременная);
• величина нагрузки;
• скорость перемещения трущихся поверхностей;
• температурные условия.

Основные пути снижения интенсивности  механического истирания

 

1) Конструкционные:

• обеспечение рациональной жесткости и податливости деталей (плавающие детали, рессоры, пружины, прокладки и т.д.).
• выбор рациональных пар трения:

1. сочетание твердого материала с мягким (устраняется заедание) – прямые [закаленный подвижный

2. суппорт – сырая неподвижная станина ]и обратные [хромированная гильза – чугунное незакаленное кольцо, закаленный вал – баббитовый вкладыш] пары;
3. сочетание твердого материала с твердым (высокая износостойкость);
4. исключение сочетания одноименных материалов и мягкого с мягким;
5. применение пористых, порошковых антифрикционных материалов.

• замена пар трения скольжения на качение;

• создание условий для жидкостного трения.

 

2) Технологические:

• обеспечение оптимальной шероховатости,
• соблюдение точности изготовления и упрочнение поверхностей трения.

 

3) Эксплуатационные:

• разгрузка рабочих поверхностей;
• соблюдение правил эксплуатации, ТО и ремонта машин.

 

Поскольку при механическом истирании имеют  место все виды деформаций (смятие, срез, изгиб), то для решения поставленной задачи прочность и твердость  материала деталей должны быть такими, чтобы противостоять этим деформациям. Отсюда следуют рекомендации по подбору соответствующих материалов, их термической обработке и т. л.

С точки  зрения рассмотренной ранее молекулярно-механической теории износ — результат как  деформации и разрушения поверхностных слоев соединенных деталей, так и их молекулярного взаимодействия. При этом в процессе приработки гладкая поверхность может стать шероховатой, и наоборот.

Профессором II. Е. Дьяченко установлено, что после  приработки соединенных деталей устанавливается оптимальная с точки зрения наибольшей износостойкости шероховатость, не зависящая от первоначальной шероховатости, полученной при механической обработке, и определяется лишь условиями изнашивания: режимом нагружения и скоростью относительного перемещения. Для одних соединений минимальный износ будет иметь место при одной шероховатости, для других — при другой. В обоих случаях, как увеличение шероховатости, так и ее уменьшение приводит к увеличению износа.

Сформулированный  профессором П. Е.Дьяченко закон оптимизации шероховатости в процессе приработки приводит к следующей рекомендации по уменьшению интенсивности механического истирания поверхностей (повышению долговечности соединений):

- как  при изготовлении новых, так  и при восстановлении изношенных деталей необходимо выбирать такой технологический процесс окончательной механической обработки, при котором достигается оптимальный размер шероховатостей, естественно получаемый при правильно проведенной приработке соответствующих соединений.

 

 

Рисунок 7. Схемы образования оптимальной шероховатости поверхностей в процессе приработки: I -до приработки; II - после приработки.

 

 

Рисунок 8. Зависимость износа поверхностей трения от шероховатости при различных условиях работы: 1 – тяжелых, 2 – более легких.

 

Наиболее объективным  считают выбор исходной шероховатости по результатам ее замеров после приработки. Для примера приведем значения оптимальной шероховатости ряда ответственных соединений деталей:

• для шатунных и коренных шеек коленчатых валов оптимальная шероховатость колеблется от 9-го до 11-го класса;
• оптимальная шероховатость вкладышей должна быть на один класс грубее шероховатости соответствующих шеек валов;
• зеркало гильз цилиндров должно обрабатываться до 9...10-го класса шероховатости.
• шероховатость соединенных с зеркалом гильз цилиндров поршневых колец устанавливают на один класс ниже шероховатости гильз цилиндров.

 

Весьма  эффективный способ уменьшения интенсивности  изнашивания деталей машин, работающих при трении скольжения, — создание условий для жидкостного трения.

Для соединения типа вал—подшипник условие сохранения жидкостного трения выражают через среднюю высоту микронеровностей трущихся поверхностей , т. е.

h min ³ 1,5 (dв + dп ),

где  h min - минимальная толщина слоя смазочного материала в самом узком месте клиновидной щели (измеряют по впадинам микронеровностей); dв и dп - средняя высота микронеровностей вала и подшипников.

 

 

Рисунок 9. Схема к теоретическому обоснованию создания условий жидкостного трения

 

 Основные условия для создания жидкостного трения:

1. Чем меньше угловая частота п и чем больше удельная нагрузка р на подшипник, тем больше должна быть вязкость масла h для сохранения необходимой толщины масляного слоя.

Исходя  из этого, для тихоходных и тяжело нагруженных механизмов следует применять более вязкие масла. Например, летние масла для дизелей имеют кинематическую вязкость при 100 "С 11...16 мм²/с, а для карбюраторных двигателей — 8...10 мм²/с.

2. Не допускать снижения частоты вращения п вала.

Перегрузка  двигателя приводит к резкому уменьшению толщины масляного слоя, что характеризуется металлическим контактом трущихся поверхностей и форсированным износом.

3. Необходимо подогревать масло и воду перед пуском двигателя.

При пусках и остановках машин, когда п = 0, масло выжимается из зазора между поверхностями трения, имеет место интенсивное изнашивание. Пуски особенно опасны при низкой температуре. Установлено, что один пуск автомобиля при температуре минус 30 "С эквивалентен по износу пробегу 700 км при нормальном температурном режиме.