Основные сведения о трении и смазке (стр. 3 из 19)
Трение качения - это трение движения, при котором скорости соприкасающихся тел одинаковы по значению и по направлению, по крайней мере, в одной точке контакта. Так, на рис. 2 приведена схема сил, действующих на цилиндр А, катящийся по поверхности В (например, колесо по дороге). В зоне контакта (в точке а) Va = Vв . Если при той же схеме контакта Va не равна Vв , то имеет место трение качения со скольжением (как в зубчатой передаче, кроме трения в зоне зацепления).
При рассмотрении процесса трения скольжения в первом приближении используют экспериментально установленные закономерности, известные в литературе как законы Амонтона:
1. Сила трения F пропорциональна усилию N, сжимающему трущиеся тела в направлении нормальном по отношению к поверхности трения (номинальной поверхности, по которой осуществляется взаимодействие твердых тел при внешнем трении), т.е F=f · N, где коэффициент пропорциональности f называется коэффициентом трения. Этот коэффициент является важнейшей сравнительной характеристикой, позволяющей сопоставить трение различных тел в различных условиях безотносительно к нагрузке на узел трения.
Рис.2. Схема контакта тел А и В при трении:
а – скольжения и б – качения: N – нормальная нагрузка; Т – тангенциальное усилие;
F – сила трения; R – радиус цилиндра
2. Сила трения не зависит от номинальной площади контакта. Этот закон является следствием того, что трение осуществляется по фактической площади контакта, слабо зависящей от номинальной.
В настоящее время установлено, что сила трения F складывается из двух составляющих: механической Fмех и молекулярной Fмол . Механическая составляющая силы обуславливается деформированием контактирующих тел на узлах фактического контакта в процессе трения. Молекулярная составляющая, обусловленная межмолекулярными и межатомными взаимодействиями, в свою очередь делится на адгезионную (силу прилипания между поверхностными слоями двух разнородных тел, приведенных в соприкосновение) и когезионную (сцеплению одного и того же тела, обусловленное действием сил межмолекулярного взаимодействия) составляющие. Адгезионная составляющая силы трения – это сила сопротивления перемещению твердых тел, обусловленная адгезией между ними на участках фактического контакта. По мере относительного перемещения трущихся тел, происходит образование и разрушение адгезионных связей между контактирующими телами на участках фактического контакта.
Когезионная составляющая силы трения проявляется в тех случаях, когда адгезия контактирующих твердых тел выше,чем когезионные силы, обеспечивающие целостность менее прочного из контактирующих тел. В таких случаях по мере относительного движения происходит не разрушение адгезионных связей, а разрыв когезионных связей в менее прочном материале, в результате чего имеют место вырывы и перенос частиц одного тела на поверхность другого, т.е. внешнее трение твердых тел переходит во внутреннее трение в менее прочном теле. Согласно И. В. Крагельскому, внешнее трение твердых тел осуществляется в том случае, когда имеет место положительный градиент механических свойств материалов контактирующих свойств по глубине. В этом случае деформации сосредотачиваются в тонком поверхностном слое. Практически все методы снижения трения сводятся к обеспечению существования положительного градиента механических свойств.
Процессы, обусловленные трением. Трение твердых тел неизбежно сопровождается рядом явлений – изнашиванием сопряженных тел, их нагревом (и нагревом окружающей среды), структурными превращениями в поверхностных слоях контактирующих тел, активацией поверхностных слоев контактирующих тел и рядом других явлений (электрических, акустических и т.д.). Наибольший интерес представляют для нас процессы изнашивания, нагрева и активирования контактирующих поверхностей.
Изнашивание. Это процесс отделение материала с поверхности твердого тела при трении и увеличения его остаточной деформации. Результатом изнашивания, определяемым в установленных единицах (длины, массы, объема и др.), является износ. Износ является причиной выхода из строя более 80% деталей машин и механизмов. Порой, даже незначительный износ является причиной потери работоспособности машин. Так, при потере одного килограмма массы вследствие износа автомобиля весом 1000 кг, он уже подлежит ремонту. Процесс изнашивания характеризуется интенсивностью изнашивания, т.е. отношением значения износа к интервалу времени, в который он изработан.
В зависимости от материалов трущихся тел, их геометрии, различных технологических факторов, геометрии контакта трущихся тел, режимов нагружения, окружающей среды и т.д., могут осуществляться различные типы изнашивания, классифицируемые по характеру воздействия на поверхности трения и протекающих в ней процессов при эксплуатации деталей машин. Различают три группы видов изнашивания: механическое, коррозионно-механическое (механо-химическое) и молекулярно- механическое. Рассмотрим подробнее некоторые виды изнашивания.
1. Абразивное изнашивание – это механическое изнашивание, которое происходит вследствие режущего или царапающего действия твердых тел или твердых частиц, находящихся в закрепленном или свободном состоянии. Абразивное действие осуществляют абразивные частицы, более твердые, чем изнашиваемый материал (пыль, проникающая в трущиеся сопряжения из окружающей среды, выкрашивающиеся твердые частицы оксидов и карбидов металлов и т.д.), микровыступы более твердой сопряженной поверхности и т.д. Если абразивное действие осуществляется в результате действия твердых частиц, увлекаемых потоком жидкости или газа, то такой вид изнашивания называется гидроабразивным (газоабразивным). Характер абразивного действия зависит от твердости абразивных частиц и изнашиваемого материала, от формы этих частиц и меняется от микрорезания, т.е. определения продуктов износа в виде стружки за один проход, до отделения этих продуктов в виде крупинок или чешуек, вследствие многократного упруго-пластического деформирования поверхностей притупленными абразивными частицами.
2. Усталостное изнашивание – это механическое изнашивание, возни-кающее в результате усталостного разрушения после многократного повторного деформирования микрообъемов материала поверхностного слоя трущихся тел. Встречается как при трении скольжения, так и при трении качения, а также может быть составляющим других видов изнашивания (например, абразивного). Процесс имеет скрытый (латентный) период, в течение которого происходит накопление повреждений внутри материала, а только затем наступает отделение частиц износа различной формы (например, чешуек). Типичный пример этого износа – питтинг (выкрашивание), возникающий при трении качения в подшипниках качения, опорно-поворотных кругах, катках и т.д.
3. Изнашивание при схватывании (заедании) – это молекулярно-механическое изнашивание, возникающее в результате схватывания, т.е. локального соединения двух твердых тел вследствие действия молекулярных сил, последующего глубинного вырывания материала с одной детали и переноса его на другую. Имеет место при разрыве смазывающей пленки, разделяющей трущиеся тела, при сухом трении и т.д. При скольжении на локальных участках контакта может распространяться на всю площадь контакта (лавинное распространение заедания), вызывающее глубинное вырывание материала, задиры и заедание узла трения вплоть до сваривания контактирующих тел. В зарубежной литературе этот вид изнашивания называют тяжелым видом адгезионного изнашивания (в отличие от мягкого адгезионного изнашивания).
4. Координационно-механическое изнашивание - это группа видов изнашивания, протекающих в той или иной активной среде, которая в результате химического или электрохимического взаимодействия с поверхностными слоями трущихся поверхностей образует на них слои продуктов этого взаимодействия, механически разрушаемые в процессе трения и вновь возобновляемые при контакте со средой. Может быть достаточно интенсивным, например, в присутствии сероводорода, и оказывать значительное влияние на долговечность деталей машин. В том случае, когда химически активным компонентом среды является кислород (например кислород, растворенный в смазочной среде), то такой вид изнашивания называется окислительным.
5. Изнашивание при фреттинг- коррозии – это такой вид коррозионно-механического изнашивания соприкасающихся тел при вибрации в коррозионной среде. В результате имеет место усталостное изнашивание поверхностных слоев материала, их окисление, абразивное изнашивание твердыми продуктами окисления (поскольку продукты изнашивания узлов трения, подверженных этому виду изнашивания, не удаляются из контакта) при взаимном интенсифицировании этих (и других) видов изнашивания.
6. Водородное изнашивание – это явление разрушения поверхностного слоя контактирующих тел водородом, выделяющимся из смазочных материалов, топлив и неметаллических материалов вследствие разложения в процессе трибохимических реакций, который диффундирует в поверхностный слой материала и вызывает охрупчивание. Наблюдается в насосах, перекачивающих нефтепродукты, водородсодержащие продукты, при трении по полимерсодержащим тормозным колодкам и т.д. Изнашивание в зависимости от режима процесса трения, вида изнашивания, окружающей среды может быть нормальным (установившимся) и патологическим (интенсивным). Переход от нормального к патологическому процессу характеризуется резким повышением коэффициента трения, ростом интенсивности изнашивания (табл. 1) и заметным огрублением поверхнсти (ростом размеров поверхностных микронеровностей).