Жданов А.Г., Назарова Н.В., Малышев В.П.

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОГО ТРАНСПОРТА

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

САМАРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ

(СамГУПС)

 

Кафедра: «Механика»

 

Жданов А.Г., Назарова Н.В., Малышев В.П.

 

 

Основы триботехники. Смазочные материалы и рабочие жидкости, применяемые в подъемно-транспортных, строительных, и дорожных машинах

Конспект лекций

 

по дисциплине: «Триботехника»

для студентов очной и заочной формы обучения специальности

190205 - «Подъемно-транспортные, строительные, дорожные машины и

оборудование»

 

 

Самара

УДК 621.313

С 17

Основы триботехники. Смазочные материалы и рабочие жидкости, применяемые в подъемно-транспортных, строительных, и дорожных машинах: конспект лекций по изучению дисциплины «Триботехника» студентами специальности 190205 – «Подъемно-транспортные, строительные, дорожные машины и оборудование» [Текст] /составители: А.Г. Жданов, Н.В. Назарова, В.П. Малышев. – Самара: СамГУПС, 2011. – 126 с.: ил.

 

Утверждены на заседании кафедры «Механика»

______________2011 г., протокол № _________

Печатаются по решению редакционно-издательского совета университета.

 

Конспект лекций посвящён традиционному аспекту триботехнической информации. Это – поверхность и условия контактирования, физико-химические и химические процессы в зоне трения, теплофизика и особенности теплонапряженности металлополимерных трибосистем, а также использованию масел, пластических смазок, технических жидкостей при эксплуатации подъёмно – транспортных, строительных и дорожных машин и мерам по их экономии. Содержит наиболее полное исследование смазочных материалов и пути их рационального использования.

Предназначен для самостоятельного изучения дисциплины «Триботехника» и раздела по предмету «Эксплуатация подъёмно – транспортных, строительных и дорожных машин» (ЭПТСДМ) студентами специальности 190205 - «Подъемно-транспортные, строительные, дорожные машины и оборудование» очной и заочной форм обучения.

 

Составители: Жданов Андрей Геннадьевич

Назарова Надежда Владимировна

Малышев Валерий Петрович

 

Рецензенты: зав. кафедрой «СДМ и ТМ» СамГУПС, д.т.н. В.Н. Самохвалов;

зав. кафедрой «Вагоны» СамГУПС, д.т.н. А.Н. Балалаев.

 

Редактор____________

Компьютерная вёрстка_______________

Подписано в печать Формат 60х90 1/16

Бумага писчая. Печать оперативная. Усл. п.л. 6,875

Тираж 100 экз. Заказ №

 

ã Самарский государственный университет путей сообщения, 2011

Введение

 

Основные требования к современным транспортным средствам – это безопасность, грузоподъемность и скорость движения при максимальной экономичности.

Следует учитывать, что в ХХI веке ресурс любой машины определяется не столько прочностными, сколько триботехническими характеристиками ее узлов, которые являются составной частью всей машины и не функционирует изолированно.

Проблема трения и изнашивания в современном технизированном мире занимает все большее место и вызывает все больший интерес у специалистов самых разных отраслей техники, т.к. с повышение грузоподъемности транспортных средств требует увеличения несущей способности трибосистем, рост скоростных показателей - их теплонапряженности и.т.п.. Все требования переплетаются и взаимно дополняют друг друга, распространяясь на уровень конструкторской разработки машины, технологию ее изготовления и рациональную эксплуатацию.

Рациональное конструирование транспортных трибосистем предусматривает равные или кратные ресурсы всех элементов пары трения, что может обеспечиваться применением гибридных (подшипники скольжения и качения) опор, резервированием смазочных устройств, учетом влияния динамики всей машины на трибосопряжения.

Ремонтопригодность обеспечивается системно-блочным принципом компоновки узлов.

Технология производства и ремонта транспортных трибосистем должна в обязательном порядке включать упрочнение или целевое модифицирование поверхности трения, увеличивающие адаптационные возможности трибосистемы: прирабатываемость, самокомпенсацию микроразрушений, демпфирующую способность, рассеяние генерируемого тепла и т.п.

Для повышения износостойкости транспортных трибосистем необходимо использовать современные базы данных оптимально подобранных и трибологически совместимых конструкционных и смазочных материалов. К ним можно отнести в первую очередь порошковые и полимерные композиты или покрытия на их основе, а также применение современных рабочих и смазывающих жидкостей.

Таким образом, в современных условиях необходимо управление процессами трения и изнашивания на всех этапах существования изделия.

Знание теории и основ триботехники, а также эксплуатационных свойств нефтепродуктов, приемов их рационального использования является важной составной частью общей подготовки инженеров, призванных обеспечить надежную и долговечную работу техники и снизить издержки на эксплуатацию большого парка подъёмно– транспортных, строительных, дорожных и других машин - для чего и предназначен данный конспект лекций.

Глава 1 Основы триботехники

Общие положения

 

С общеэнергетических позиций трение – это процесс преобразования внешней механической энергии во внутреннюю в результате взаимодействия тела с окружающей средой.

Классификация основных видов трения представлена на рисунке 1.1. Предлагаемая классификация не претендует на полноту, но помогает при изучении процесса.

Различают внутреннее трение – превращение упругой энергии в тепловую и внешнее трение – рассеяние энергии на контактирующих поверхностях.

В дальнейшем мы будем рассматривать только внешнее трение.

Трение покоя – это внешнее трение тел при их микроперемещениях до перехода к относительному движению.

Трение движения – это внешнее трение тел, находящихся в относительном движении.

Трение качения – это трение движения твердых тел, при котором их относительные скорости в точках касания одинаковы по величине и направлению.

Трение скольжения – это трение движения твердых тел, при котором их относительные скорости в точках касания различны по величине, направлению или обоим этим параметрам.

Следует отметить, что в технике вообще и в транспортных машинах в частности трение качения (без скольжения) практически не встречается.

В зависимости от условий контактирования трущихся поверхностей трение может осуществляться всухую без смазки и со смазочными материалами различной природы. При сухом трении имеет место непосредственный контакт трущихся поверхностей.

При граничном трении слой смазки, по своим свойствам отличающийся от ее объемных свойств, частично разделяет трущиеся поверхности, непосредственный контакт которых происходит лишь в некоторых точках касания.

Полное разделение трущихся поверхностей наступает при жидкостном трении (жидкая или газовая смазка). В этом случае взаимное скольжение происходит только между отдельными слоями смазки.

В зависимости от способа жидкостного смазывания различают гидродинамическую и гидростатическую (газодинамическую и газостатическую) смазку.

Аналогичный результат может быть получен и при использовании твердой смазки, которая применяется в виде антифрикционных покрытий или модифицированных (например: химически) поверхностных контактирующих слоев трущихся деталей.

Наиболее распространенным в транспортных машинах видом трения является граничное. Оно имеет место при жидкостном – во время пусков и остановов и при сухом – смазкой служит слой окислов, грязи, адсорбированных газов и т.п.

Процесс трения неразрывно связан с изнашиванием контактирующих поверхностей. Разделить эти процессы в реальных узлах не представляется возможным и их изучают совместно.

Схема основных взаимодействий поверхностей деталей, контактирующих в узле трения, представлена на рисунке 1.2.

Рассмотрим внешние (входные) факторы. Природа контактирующих тел определяется их химическим составом и типом структуры. Это может быть пара титановый сплав - полимер, сталь – бронза, минералокерамика - чугун и т.п. Вид контактирующих поверхностей определяется их геометрической формой (плоские направляющие, цилиндрический подшипник, шаровая опора) и шероховатостью поверхности (R _a или R_z), полученной в результате изготовления детали тем или иным способом. Движение в паре трения может быть вращательным, поступательным или иметь сложную траекторию.

Любой узел трения работает в условиях действия эксплуатационных нагрузок, при конкретных скоростях движения, в определенном температурном диапазоне. Наконец, весь процесс трения и изнашивания протекает во внешней среде: атмосфере, вакууме, различных газовых и жидких средах.

Перечисленные факторы характеризуют условия работы каждого конкретного узла трения в любой транспортной машине. Эти условия определяют характер внутренних адаптационных процессов в паре трения, изменяющих параметры поверхностных слоев контактирующих тел.

В процессе трения изменяется шероховатость контактных зон и структура поверхностных слоев. Накопление дефектов (дислокации, микротрещины) и холодная пластическая деформация приводят к изменению физико-механических свойств поверхностных слоев материалов. Генерация тепла, механическое активирование контакта и рабочая среда приводят к возникновению на поверхностях трения пленок различной химической природы.

В результате работы узла мы имеем потери на преодоление сил трения и зазор в контактирующей паре, возникающий в результате изнашивания поверхностей деталей.

Задача инженера максимально уменьшить эти выходные параметры, т.к. нормальная эксплуатация любой транспортной машины невозможна как при значительных потерях на трение, так и при превышении износом некоторой допустимой величины.

Русским инженером В.Ф. Лоренцем в 1937 г. предложена идеализированная кривая износа (рисунок 1.3). Эту кривую и соответствующий ей процесс изнашивания можно разбить на три связанных периода: I – приработочный, II – нормальный (стационарный) и III – катастрофический износы.

Рассмотрим внешние (входные) факторы. Природа контактирующих тел определяется их химическим составом и типом структуры. Это может быть пара титановый сплав - полимер, сталь – бронза, минералокерамика - чугун и т.п. Вид контактирующих поверхностей определяется их геометрической формой (плоские направляющие, цилиндрический подшипник, шаровая опора) и шероховатостью поверхности (R _a или R_z), полученной в результате изготовления детали тем или иным способом. Движение в паре трения может быть вращательным, поступательным или иметь сложную траекторию.

Любой узел трения работает в условиях действия эксплуатационных нагрузок, при конкретных скоростях движения, в определенном температурном диапазоне. Наконец, весь процесс трения и изнашивания протекает во внешней среде: атмосфере, вакууме, различных газовых и жидких средах.

 

Приработочный износ – это износ в начальный нестационарный период трения, характеризуемый взаимной адаптацией контактирующих поверхностей и постепенным переходом к стационарному изнашиванию.

Нормальный или стационарный износ – это результат наиболее длительного процесса изнашивания приработанных поверхностей, характеризуемый постоянной скоростью изнашивания, меньшей, чем в начальный период трения.

Катастрофический износ – это заключительная фаза изнашивания, сопровождаемая накоплением необратимых изменений контактирующих поверхностей и резким (катастрофическим) ростом скорости изнашивания.

При изучении процессов трения и изнашивания пользуются самыми различными количественными характеристиками.

Основными параметрами, характеризующими процесс трения, являются следующие:

– сила трения F (кгс, Н);

– коэффициент трения f (безразмерный);

– температура (мгновенная, объемная, средняя) Т (°С, К);

– время приработки t _п (с, мин., час.).

Основные параметры, характеризующие процесс изнашивания, включают следующие:

– радиальный или нормальный (по нормали к поверхности) износ h (мкм, мм);

– приработочный износ h _п (мкм, мм);

– интенсивность изнашивания

(безразмерный), (1.1)

где V – скорость скольжения; t – время;

- –скорость изнашивания

(мкм/час, мм/час); (1.2)

– ресурс, который может выражаться в пути трения

(м, км), (1.3)

во времени

(мин, час), (1.4)

в циклах нагружения

(цикл.), (1.5)

где – допустимый износ; n – число циклов нагружения (оборотов, качаний и т.п.) в единицу времени.

Следует отметить, что подавляющее большинство современных транспортных машин имеет значительный запас мощности, поэтому с позиций их надежной работы, чаще всего целесообразнее направлять усилия на снижение износа, а не на уменьшение сил трения. Однако, это положение зависит от конкретных условий эксплуатации и конструкции транспортных средств.

 

Механика контактирования

 

На первом этапе контактирования под действием рабочих нагрузок возникают нормальные контактные напряжения, следствием которых является взаимное внедрение элементов шероховатости контактирующих тел. Это происходит из-за различной местной твердости поверхностных структур.

Практически все материалы обладают значительной неоднородностью структурных составляющих. Кроме того, включения примесей, микротрещины и другие дефекты способствуют внедрению в них более твердых участков поверхности. В результате, на площадках фактического контакта твердые составляющие - кристаллиты, повернутые более твердыми гранями, внедряются в менее твердые структуры и более слабые грани, деформируя их. Например, графитовые включения в серых чугунах – это возможные области преимущественного внедрения.

При деформации зон фактического контакта на поверхностях тел (металлических) разрушаются, обычно хрупкие, пленки оксидов и обнажаются ювенильные поверхности. Взаимное сближение поверхностей на участках фактического контакта до расстояний всего на порядок превышающих межатомные способствует возникновению сил межатомного (или межмолекулярного) притяжения. Эти силы вызывают на контактных участках адгезию, пропорциональную площади контакта. Так образуются фрикционные связи ‑ кинематические связи, накладываемые на относительное перемещение тел и реализуемые через адгезию и микрогеометрию поверхности.

Время их существования примерно составляет с. В процессе относительного движения контактирующих тел происходит разрушение фрикционных связей под действием сдвиговых касательных напряжений.

В соответствии с молекулярно-механической природой трения разрушение адгезионных связей сопровождается деформированием приповерхностных слоев.

При относительно малых сдвиговых напряжениях происходит упругая деформация, восстанавливающаяся при снятии нагрузки. Дальнейший рост напряжений приводит к пластическим, необратимым деформациям в виде оттеснения материала перед фронтом внедрившейся шероховатости. При весьма высоких напряжениях пластически деформируемый металл отделяется в виде микростружки. Этот процесс, называемый микрорезанием, характеризуется обычно отрицательными передними углами.

Независимо от уровня сдвиговых напряжений сила трения определяется двучленным законом вида

, (1.9)

где m – коэффициент механической составляющей силы трения;

N – нормальное давление;

а – интенсивность адгезионной составляющей силы трения.

Отсюда вытекает выражение для коэффициента трения

. (1.10)

Описанные условия контактирования характеризуют трение без смазки (сухое).

Граничное трение наблюдается в тех случаях, когда весьма тонкий слой смазки (третьего тела или третьей фазы), по своим свойствам отличающейся от ее объемных свойств, разделяет контактирующие поверхности.

Это наиболее распространенный вид трения в большинстве общемашиностроительных узлов. На несмазанных поверхностях граничной смазкой служит слой естественной грязи, а в узлах, работающих на гидродинамической смазке, граничное трение наступает при пусках и остановах.

Граничное трение определяется следующими факторами:

1 – физической природой и состоянием контактирующих поверхностей;

2 – физико-химическими свойствами применяемой смазки;

3 – адсорбционным адаптированием молекул смазки и строением граничного слоя.

На приработочном начальном этапе контактирования в режиме граничной смазки между соприкасающимися поверхностями тел формируется объединенная молекулярная структура смазочного слоя. Полярные молекулы поверхностно активных веществ (ПАВ) смазки или неполярные с наведенным твердотельным полем диполем, адсорбируются на поверхности контактирующих тел. При этом молекулы поворачиваются к поверхности твердого тела своей активной частью: полярной группой (гидроксил, карбоксил), атомами щелочных металлов, серы, фосфора, галогенов и т.п. Активные центры молекул ПАВ способствуют хорошей смачиваемости контактных поверхностей – первому этапу адсорбции. Параллельно идут процессы сглаживания микрогеометрии контактных поверхностей.

Кроме экранирования, разделения трущихся поверхностей, смазочная среда, участвуя в тепловом балансе пары трения, снижает теплонапряженность контактной зоны благодаря теплоотводу и более полному распределению тепла по всему узлу трения.

Одновременно, смазка оказывает пластифицирующее действие на поверхность твердого тела, проявляющееся в снижении усилий деформирования и микрорезания (эффект Ребиндера). Физическая причина пластифицирования – это заполнение смазкой поверхностных микротрещин и расклинивание их, а также облегчения выхода дислокаций на внешнюю поверхность. На этапе приработки этот эффект играет положительную роль, так как ускоряет ее.

Следовательно, тонкие слои смазки, изменяя свои свойства под влиянием поля твердого тела, в свою очередь, изменяют свойства поверхности твердого тела.

Таким образом, смазка в узле трения оказывает смазочное, охлаждающее и пластифицирующее действие.

В стационарном режиме (или стабильных P, V, T) система граничного трения переходит к динамически устойчивому состоянию. Пленка смазки разрушается на отдельных участках контакта (пики давлений на вершинах микронеровностей); шероховатость сглаживается, контактные напряжения уменьшаются и пленка восстанавливается.

В заключительный период катастрофического износа, в результате накопления разрушений граничного слоя и контактирующих поверхностей, становятся ощутимыми необратимые процессы (например, возникают вибрации из-за роста зазора) и износ резко возрастает.

Граничные слои (масляная пленка) - это слои, возникающие в результате адсорбции полярных молекул углеводородов на поверхности твердых тел под воздействием поля твердой фазы (рисунок 1.8).

Граничные слои могут иметь самое различное строение: от твердого кристаллического до жидкого, включая промежуточные жидкокристаллические структуры. Основными типами структур граничных слоев являются слоистые (ламелярные) и решетчатые (ретикулярные) структуры.

Граничные слои формируются на поверхности реальных поликристаллических тел. Действие поля этих тел прямо или косвенно распространяется на молекулы адсорбированного слоя, находящиеся на расстояниях 10…100 нм от твердой поверхности. Характерной особенностью граничных адсорбированных слоев является различие в структуре и свойствах (упругости) по толщине этих мультимолекулярных структур, что объясняется падением напряжений поля твердой фазы.

Установлено, что граничные слои являются поликристаллическими телами и по мере удаления от образующей их поверхности структура этих слоев постепенно переходит в монокристаллическую с едиными параллельными твердой поверхности плоскостями спайности (рисунок 1.8).

Таким образом, адсорбционное заполнение граничного пространства способствует постепенному сглаживанию поверхности поликристаллических элементов граничного слоя.

На свойства и работу граничных смазочных слоев большое влияние оказывает температура, развивающаяся в процессе трения. Часто весь узел трения работает в высокотемпературной среде.

Следует отметить, что все технические масла и консистентные смазки резко снижают вязкость с ростом температуры. Кроме того, повышение температуры приводит к сдвигу динамического равновесия при образовании граничных смазочных слоев в сторону десорбции, т.е. слой смазки перестает разделять трущиеся поверхности. Поэтому важно знать температурные пределы работоспособности граничных смазочных слоев.

Минимальная температура, при которой для данного сочетания смазочной среды и материалов трущихся поверхностей происходит разрушение граничных структур, называется критической температурой граничного смазочного слоя. Ее величина определяется согласно ГОСТу экспериментально методом температурной стойкости смазочного масла на машинах трения (чаще всего четырехшариковых). Критерием температурного разрушения граничных слоев является резкий рост коэффициента трения и износа - зона 1 (рисунок 1.9).

Если в смазочные материалы добавлены химически активные вещества (присадки), то с ростом температуры, ускоряющей химические реакции, и при активировании трением, образующим ювенильные поверхности, на последних формируются новые химические поверхностные соединения - пленки вторичных структур – зона 2 (рисунок 1.9). Процесс образования поверхностных химических соединений на трущихся поверхностях в результате их взаимодействия с газами, парами и растворенными жидкими или твердыми веществами называют хемосорбцией или химической модификацией поверхности. Эти слои обладают пониженной прочностью на сдвиг и выполняют функции смазочного материала.

Если физическая адсорбция обратима, так как обусловлена действием относительно слабых Ван -дер -Ваальсовых сил, то хемосорбция – необратима. Это обусловлено достаточно прочными валентными связями.

Жидкостное трение – это трение двух твёрдых тел, разделённых слоем жидкости, в котором проявляются её объёмные свойства.

Особенность контактирования при жидкостном трении заключается в образовании между контактирующими поверхностями достаточно толстого разделительного сдоя смазки, в котором из-за его толщины практически исчезает влияние твёрдотельного поля и масло сохраняет свои объёмные свойства, в частности, вязкость. То есть внешнее трение между контактирующими телами заменяется внутренним трением между отдельными слоями смазки. При этом коэффициент трения не зависит от природы контактирующих материалов и от высоты микронеровностей при условии, что последние значительно меньше зазора в подшипнике (). При жидкостном трении износ резко сокращается, возникая только в периоды пусков и остановов. В подобном режиме подшипники скольжения, например, гидротурбин, работают без остановов и ремонтов годы.

Жидкостное трение – наиболее выгодный режим работы подшипников скольжения. В этом режиме давление в слое смазывающего вещества должно уравновешивать силы, действующие на опоры вала. По способу создания давления в смазочном слое и его влиянию на контактирующие поверхности различают гидростатическое, гидродинамическое и эластогидродинамическое трение.

 

Трение твердых тел

Изучение условий контактирования при трении позволило сформировать молекулярно-механическую иначе адгезионно-деформационную гипотезу возникновения сил трения (Ш. Кулон, И.В. Крагельский). В настоящее время это наиболее широко принятая теория. Она относится к так называемым феноменологическим теориям, когда объект изучения расчленен на отдельные феномены или явления.

По этой теории трение обусловлено:

1 – сопротивлением деформированию материала внедрившимся неровностями (деформационная или механическая составляющая силы трения);

2 – преодолением молекулярных (атомарных) сил (молекулярная или адгезионная составляющая силы трения).

Трение покоя

Трение покоя или статическое трение – это процесс, предшествующий началу скольжения сдвигаемого тела, сопровождающийся увеличением сдвигающей силы до некоторого максимума, после которого начинается собственно скольжение, характеризующееся резким уменьшением сдвигающей силы.

Следовательно, трение покоя – это процесс перехода от начала приложения сдвигающей силы до относительного скольжения контактирующих тел.

Трение покоя оценивается методом предварительного смещения e – величиной деформации фрикционных связей под действием сдвигающей силы, равной неполной силе трения .

Полная сила трения покоя – это сила трения в момент, предшествующий началу скольжения (см. рисунок 1.10).

Рисунок 1.10 - Зависимость силы трения от перемещения	Рисунок 1.11 - Зависимость силы трения покоя от предварительного смещения

 

Предварительное смещение имеет порядок мм и состоит из обратимой после снятия нагрузки и необратимой частей.

На рисунке 1.11 показана типичная зависимость силы трения покоя от предварительного смещения при разных нормальных нагрузках N. Правые ветви кривых – нагрузка, левые – разгрузка. Заштрихованная часть соответствует зоне упругих деформаций.

Основываясь на теории, объясняющей общую природу трения и на ее экспериментальном подтверждении, применительно к трению покоя, можно сформулировать ряд основных закономерностей.

1. Рост силы трения покоя пропорционален сближению контактирующих тел, так как это увеличивает деформацию микронеровностей и адгезионные силы.

2. Сила трения покоя растет более интенсивно в начальный момент контакта, так как более слабые вершины микронеровностей деформируются сильнее, чем их основания.

3. Кроме того, сила трения покоя растет от продолжительности контакта, так как контактная зона обладает вязкостными (реологическими) свойствами.

Реологические (изменяющиеся во времени) свойства фрикционного контакта проявляются в увеличении деформации фрикционного сопряжения во времени при постоянной нагрузке; в том, что момент страгивания узла сразу после остановки и через продолжительное время различны; а также в возникновении релаксационных колебаний.

Сила трения покоя имеет большое практическое значение при эксплуатации всех прессовых и резьбовых соединений, спуске судов со стапелей на воду, опускании шлюзовых гидрозатворов, выпуске самолетных шасси и т.п.

 

Трение без смазки (сухое)

В обычных условиях терние без смазки практически не встречается, так как на контактных поверхностях всегда имеется адсорбированный из внешней среды слой, служащий своеобразной смазкой. Иное дело аварийные или другие критические ситуации.

В процессе сухого трения между контактирующими поверхностями возникают фрикционные связи.

Если слабым местом контакта является фрикционная связь, то, разрушаясь при трении, это не вызывает значительных износов. Наоборот, если фрикционные связи прочнее основного металла, то износ, в виде крупных локальных адгезионных вырывов, резко возрастает. Иногда относительное движение контактирующих поверхностей становится невозможным – происходит "схватывание" – явление местного соединения двух тел, вследствие действия адгезионных сил.

Следовательно, для нормального трения скольжения необходимо, чтобы поверхностные слои имели меньшую прочность, чем более глубокие. Отсюда следует правило положительного градиента (вектор – направленный в сторону уменьшения) сдвигового сопротивления: внешнее трение возможно только при положительном градиенте механических свойств.

Конструктивно узлы трения могут быть оформлены самым различным образом. Для обобщения происходящих в них процессов А.В. Чичинадзе ввел понятие коэффициента перекрытия. Эта характеристика учитывает распределение тепловых потоков, сплошность контакта и т.п.

Коэффициент перекрытия – это отношение наименьшей номинальной площади контакта к наибольшей.

Для подшипников его величина примерно равна единице (см. рисунок 1.12).

Подавляющее большинство узлов трения работает в обычных атмосферных условиях. При этом, доказано, что кислород атмосферы играет ведущую роль в образовании на поверхностях контактирующих тел пленок различного химического состава (например, оксидных) являющихся своеобразной смазкой. Исходя из имеющихся фактов, И.В. Крагельским была сформулирована гипотеза пленочного голодания: трение уменьшается при доступе кислорода в зону контакта. Практическая реализация этого положения привела к созданию подшипников скольжения с прерывистой (дискретной) опорной поверхностью, хорошо зарекомендовавших себя в различных отраслях техники.

Упрощенное представление о силе трения как о функции нормальной нагрузки - несостоятельно. Сила трения является не функцией нормальной нагрузки, а оператором процессов, возникающих при различном сочетании внешних факторов: нагрузки, скорости, температуры, контактирующих материалов и т.п.

Примеры коэффициентов трения различных, контактирующих без смазки, материалов при средних условиях нагружения приведены в таблице 1.1.

Разница в величине коэффициентов трения обусловлена различным сопротивлением деформированию приведенных материалов и их адгезионным взаимодействием.

Влияние других внешних факторов на процесс трения проиллюстрировано на рисунке 1.13.

Таблица 1.1 - Коэффициенты трения

№ п/п	Материал вала	Материал втулки	Коэффициент трения
	Сталь	Сталь	0,5
	Серый чугун	0,25
	Бронза	0,12
	Фторопласт	0,05

 

Снижение шероховатости поверхности (рисунок 1.13, а) уменьшает деформационную и одновременно увеличивает адгезионную составляющую. При очень гладких поверхностях последняя возрастает настолько, что может препятствовать движению (взаимная притирка концевых мер длины). При увеличении нормальной нагрузки увеличиваются одновременно и контактные напряжения и, из-за деформации, фактическая площадь контакта. Это снижает величину реальных контактных напряжений и стабилизирует рост коэффициента трения.

Скорость скольжения влияет на усилие, необходимое для разрушения фрикционных связей, что является следствием вязкости контакта. При низких скоростях вязкое сопротивление возрастает, при высоких - падает. При малых контактных напряжениях имеет место только возрастающая ветвь, при больших – только падающая.

Пластическая деформация при разрушении фрикционных связей всегда сопровождается выделением тепла, т.е. все узлы трения саморазогреваются при работе. Кроме того, целый ряд агрегатов работает при повышенной температуре окружающей среды. Это конвейеры методических печей, пары трения двигателей внутреннего сгорания и т.п.

Влияние температуры на трение зависит от соотношения температуры узла и температуры фазовых или кинетических переходов в используемых материалах. Так, у металлов (кривая 1 на рисунке 1.13, г) с ростом температуры понижаются прочностные свойства и, соответственно, прочность фрикционных связей. При этом коэффициент трения монотонно уменьшается. В этом случае средняя объемная температура узла ниже температуры фазовых переходов.

При трении пластических масс температура узла может быть выше температуры кинетических переходов в полимере (например, температуры стеклования). Полимер переходит в другое агрегатное состояния (из твердого в высокоэластичное) и характер трения изменяется полностью (кривая 2 на рисунке 1.13, г).

Общая кинетическая зависимость коэффициента трения при постоянных режимах представлена на рисунке 1.14. Здесь, как и на кривой износа, можно выделить три характерных участка: I приработочный, II стационарный и III катастрофический. I и III – это переходные процессы трения, в которых изменяются условия протекания. В I возмущение падает, в III – нарастает.

С технических позиций наиболее важным является приработочный процесс, связанный с адаптацией поверхностных слоев контактирующих тел к условиям трения.

Приработка – это начальный переходный процесс трения, в результате которого происходит адаптация контактирующих поверхностей и постепенный переход к стационарному процессу трения.

Рассмотрим основные особенности трения в приработочный период:

– первоначальный контакт начинается с вершин микронеровностей и фактическая площадь контакта весьма мала при постоянных рабочих нагрузках. Поэтому контактные напряжения велики и приработочный износ гораздо больше износа в стационарный период за тоже самое время, т.е. скорость приработочного изнашивания выше стационарной скорости изнашивания;

– в процессе приработки шероховатость контактирующих поверхностей изменяется (растет или уменьшается). Образуется равновесная или установившаяся шероховатость характерная для данных условий трения;

– высокие нагрузки и значительный износ (деформации и разрушение) приводят к росту температуры и в период приработки она выше, чем в стационарный;

– значительные деформации контактной зоны в приработочный период приводят к увеличению коэффициента трения.

Следовательно, период приработки характеризуется образованием установившейся шероховатости и ростом температуры, коэффициента трения и скорости изнашивания. Стабилизация этих параметров служит критерием завершения периода приработки.

В связи с множеством параллельно действующих факторов процессы трения и изнашивания, в том числе и в приработочный период, случайны. Поэтому параметры процесса приработки партии одинаковых узлов трения подчиняются вероятностным законам.

В производстве стараются снизить время и другие приработочные характеристики узлов трения. Существует два пути приработки:

– технологический при доводке и сборке узлов (обработка металлическими щетками, взаимная притирка);

– эксплуатационный (обкатка двигателей, холостая прокрутка редукторов и т.п.).

Способность пары трения достаточно быстро пере