Основные сведения о трении и смазке (стр. 2 из 19)

При жидкостном трении надежность смазки возрастает с увеличением скорости вращения трущихся поверхностей и с увеличением вязкости масла, что можно видеть, подставив в уравнение 1 величину силы трения, выраженную через коэффициент трения и приложенную нагрузку:

(2) F=Nf, где: N- приложенная сила, нормальная к поверхности тре-

ния Н;

f – коэффициент трения.

Тогда выражение (1) примет следующий вид:

η S v

N = ---------.

hf

С другой стороны, с увеличением скорости движения трущихся поверхностей и вязкости масла увеличивается и сила трения [уравнение (1)], т.е. возрастают потери мощности на трение. Это противоречие разрешается путем подбора масла надлежащей вязкости: для быстро вращающегося вала в подшипнике берут масло меньшей вязкости, для медленно вращающегося – большей вязкости. Гидродинамический режим смазки является наиболее приемлемым для трущихся деталей, т.к. он обеспечивает малый износ деталей и малые потери мощности на трение.

При повышении нагрузки на масляную пленку при понижении вязкости масла или снижении скорости движения поверхностей уменьшается толщина пленки.

С уменьшением толщины масляной пленки наступает момент, когда через пленку начнут проступать отдельные неровности, имеющиеся на поверхности, приводящие к контакту трущихся поверхностей. Наступает граничный режим смазки. С увеличением числа контактируемых точек область граничной смазки будет постепенно расширяться за счет уменьшения жидкостной смазки. Такое состояние, когда наряду с жидкостной смазкой имеет место и граничная смазка, принято называть полужидкостной или смешанной смазкой.

В условиях граничной смазки основные характеристики трения износа определяются состоянием тонкой, адсорбированной на поверхностях трения масляной пленки. Устойчивость таких граничных слоев масла при трении зависит от свойства, называемого маслянистостью, природа которого еще недостаточно изучена. Это тончайшие слои смазки очень прочно связаны с металлическими поверхностями адсорбционными силами.

Исследование тонких смазочных слоев показали, что масло в этих слоях коренным образом отличается от масла в объемных условиях. Эти пленки ведут себя как пластичные тела, имеющие определенную величину напряжения сдвига. Они обладают способностью расклинивающего действия. Эффект расклинивания состоит в том, что в тонких граничных слоях развивается давление не только препятствующее сближению поверхностей, на которые нанесена пленка, но и стремящееся его раздвинуть. Давление это растет с уменьшением зазора. Расклинивающее действие увеличивается со скоростью, т.е. имеет не только статический, но и динамический характер, что особенно важно, так как смазке подвергаются поверхности, имеющие относительное перемещение. Формирование граничных смазочных слоев рассматривается как одно из явлений кристаллизации. Они представляют собой моно или поликристаллические тела, возникающие за счет зародышевой функции первичного слоя.

В очень тонких слоях масляные пленки под двусторонним воздействием трущихся поверхностей обнаруживают исключительный антифрикционный эффект. Молекулы смазочных веществ в граничных слоях, обеспечивают достаточно большую прочность на сжатие и легкость сдвигов в горизонтальном направлении. Этим и объясняются небольшие коэффициенты трения при скольжении смазанных поверхностей. Причем, как показали исследования П.А. Рибиндера, во многих случаях смазка, достаточно интенсивно снижающая трение, может значительно увеличить износ.

Необходимо помнить о двойственной роли смазки. Выяснилось, что эта двойственная роль находит достаточно определенное теоретическое объяснение в том, что смазочное действие всегда проявляется как на наружной поверхности металла, на границе металла с окружающей средой, так и внутри металла в его наружном слое. Активные полярные компоненты смазки, т.е. высшие жирные кислоты, органические соединения, содержащие галогены и серу, способствуют резкому повышению возможности для масел проникать в металл, на чем основан механизм действия противоизносных и противозадирных присадок, использующихся в композициях масел. Дело в том, что в пластически деформированном поверхностном слое металла появляются микро- и ультрамикрощели между кристалликами и в отдельных кристалликах по плоскостям скольжения. По этим микротрещинам смазка проникает тем активнее, чем выше ее маслянистость.

При трении металлов поверхностные слои разогреваются до значительных температур. Количество тепла, выделяющегося при трении, зависит от скорости скольжения, нагрузки на трущиеся поверхности, свойств металлов, из которых изготовлены детали и свойств смазки. При увеличении скорости скольжения или нагрузки увеличивается количество тепла, выделяемого в процессе трения, - повышается температура граничной пленки масла. При достижении критической температуры, характерной для каждого сорта смазки, граничная пленка теряет смазывающую способность. Происходит разрыв граничной пленки и резко увеличивается износ металла. При постоянных значениях нагрузки и скорости скольжения аналогичная закономерность проявляется при повышении температуры окружающей среды.

Исследования Б.И. Костецкого показали, что возникновение и характер протекания процессов схватывания металлов зависит от природы масел. Большое влияние на процесс граничного трения оказывают окислительные процессы, т.к. продукты окисления углеводородных масел и поверхностных слоев металлов существенно изменяют интенсивность износа и величину коэффициента трения. Окисные слои играют важнейшую защитную роль, предотвращая интенсивное схватывание металлов. Однако при легких режимах трения интенсивное протекание процессов окисления ведет к усилению износа – развивается химический окислительный износ.

Предотвращение схватывания металлов при трении может быть достигнуто, если на их поверхности образуются защитные слои химических соединений, отличные по своей природе от окисных. Это могут быть слои сульфидов, хлоридов, фосфидов металлов, слои металлических мыл и других веществ, присутствующих в составе противоизносных присадок к маслам.

Существенное влияние на процессы, происходящие в пленках масел, оказывает и состав газовой среды зоны трения. В газовой среде, не содержащей кислород, происходит схватывание и заедание металлических поверхностей, а там, где кислород присутствует, изнашивание при граничной смазке происходит без схватывания и заедания.

Как было отмечено выше, при эксплуатации двигателей и механизмов наблюдается износ деталей и узлов трения агрегатов топливно-масляной системы, обусловленный процессами трения, абразивным воздействием топливной, масляной среды и кавитацией.

Трение (внешнее) представляет собой сопротивление относительно к перемещению, возникающее между телами в зонах их соприкосновения по касательной к ним. Различают трение движения, т.е трение твердых тел, находящихся в движении друг относительно друга, и трение покоя, под которым понимается сопротивление относительному перемещению двух тел в процессе микросмещения, но без макросмещения (т.е. до начала перемещения одного тела относительно другого). Трение в значительной степени определяет энергетические потери при работе машин и механизмов, поглощая до 30-40% всей вырабатываемой в мире энергии. В то же время работа ряда агрегатов современной техники основана на использовании явления трения (механические тормоза, фрикционные устройства, движители ряда мобильных машин и т.д.), так же как и некоторые технологические процессы, например, сварка трением и т.д.

Сила трения – это сила сопротивления относительному перемещению одного тела по поверхности другого под действием внешней силы, тангенциально направленная относительно по отношению общей границы между этими телами. Сила трения покоя, как правило, выше чем трение движения.

В силу неизбежно возникающих в процессе обработки волнистости и шероховатости поверхностей контактирующих деталей их механический контакт представляет собой совокупность точек (пятен) контакта, через которые передаётся давление, прижимающее эти тела друг к другу. Иначе говоря, механический контакт реальных твердых тел дискретен и осуществляется в результате деформирования вершин поверхностей и волн. Различают номинальную площадь контакта , т.е. геометрическую площадь со-прикосновения деталей, контурную площадь контакта , т.е площадь контакта, образовавшаяся при деформации обычно упругих вершин волн, фактическую площадь контакта , которую составляют деформированные приложенной нагрузкой сопряженные вершины микронеровностей, расположенных в пределах контурной площади контакта, т.е. на вершинах волн (рис. 1).

Рис. 1. Схема контакта рабочих поверхностей твердых тел:

1- Номинальная площадь контакта; 2- контурная площадь контакта; 3- фактическая площадь контакта; А- граничное трение; Б – жидкостное трение

Фактическая площадь контакта составляет незначительную долю ( от сотых и тысячных долей до 20-40%) от номинальной.

Взаимодействие трущихся тел осуществляется по изолированным друг от друга пятнам фактического контакта, и сила трения является равнодействующей элементарных сил трения, возникающих на пятнах фактического контакта. Сила трения направлена противоположно относительному движению тел.

По кинематическому признаку внешнее трение подразделяют на трение скольжения и трение качения.

Трение скольжения – это трение движения, при котором скорости тел в точке касания различны по значению или направлению. На рис. 2 скорость подвижного тела А (V_a) отлична от скорости неподвижного тела В (V_b=0).