Трибоматериаловедение и триботехнологии

115. Что такое «Лиганды», «Сервовитная плёнка», «Серфинг-плёнка». «Избирательный перенос в узлах трения», «Геомодификатор»?

Лиганды- молекулы или ионы, связанные с центральным ионом в комплексном соединении. Сервовитная плёнка - защитная металлическая плёнка с многочисленными вакансиями и малом числом дислокаций, которая самопроизвольно образуется в зоне контакта тел в режиме избирательного переноса. При наличии на поверхностях раздела тел пластичной плёнки, покрывающей выступы шероховатости, появляется континуальное трение. Явление смены состояния называется бифуркацией. Метод избирательного переноса был открыт отечественными учёными проф. Д.Н. Гаркуновым и И.В. Крагельским. В частности, самопроизвольно тонкая плёнка меди в паре трения бронза-сталь в присутствии спиртоглицериновой смеси появлялась при анодном растворении бронзы. После покрытия бронзы и стали медью растворение бронзы прекращается и устанавливается режим избирательного переноса (как это имеет место, например, в холодильнике). Геомодификаторы - продукты неорганического происхождения, введение которых в смазочные материалы и ли при независимом использовании значительно уменьшает интенсивность изнашивания деталей. Натуртриботехника- направление по разработке безызносных узлов трения.

116. Объясните «Сущность метода ФАБО».

Финишная антифрикционная безабразивная обработка (ФАБО) деталей- это покрытие поверхности трения тонким слоем латуни, бронзы или меди путём использования явления переноса металла при трении. Перед нанесением покрытия поверхность обезжиривают и покрывают глицерином или смесью из двух частей глицерина и одной части 10%-ного раствора соляной кислоты. Обработке подлежат детали из стали и чугуна. Исходная шероховатость поверхности перед использованием ФАБО должна быть в пределах Ra = 2.5... 1,25 мкм. При ФАБО состав перенесённого материала не отличается от исходного; материал переносится крупинками, которые прочно схватываются как между собой, так и с материалом детали. При избирательном же переносе aтомы легирующих элементов уходят в смазочный материал, а атомы меди переносятся на сталь.

117. Опишите кинетику кавитационного изнашивания.

Кавитацию, возникающую в технических устройствах, можно разделить на два типа: вибрационную и гидродинамическую. Первая возникает из-за колебания твёрдого тела относительно жидкости. Эрозии поверхностей начинают образовываться при отрыве детали от жидкости из-за появления кавитационных процессов. Гидродинамическая кавитация возникает при движении потока жидкости с большими скоростями относительно поверхности твёрдых тел. Изнашивание при кавитации часто называют кавитационной эрозией, которая имеет аккумуляционный период, стадию максимальной скорости изнашивания и период затухающей (установившейся) скорости изнашивания. Эти процессы характерны для гребных винтов судов, лопаток гидротурбин, цилиндровых втулок дизельных двигателей, насосов и др.

При кавитационном изнашивании имеет место одностороннее накопление деформаций, следовательно длительность аккумуляционного периода будет: τ_ак = N_Kpf = е_кр / Δе, где N_Kp - число циклов кавитационного воздействия до окончания аккумуляционного периода: е_кр - критическая степень деформации при однократном нагружении с учётом коэффициента жёсткости напряжённого состояния материала; Δе - доля от пластической деформации за цикл, суммируемая в каждом цикле с односторонне накопленной деформацией: f-частота кавитационных импульсов.

118. Что такое балка и рама, какие моменты сопротивления при изгибе Вы знаете; какая простейшая формула для определения величины нормального напряжения?

Прямой брус, работающий на изгиб, называется балкой. Рамой называют систему, состоящую из прямолинейных или криволинейных стержней (брусьев), обычно соединённых жёстко между собой.

Продольная сила численно равна сумме проекций на ось Oz всех внешних сил, действующих на отсечённую часть рамы (балки). Поперечная сила численно равна сумме проекций на ось Оу всех внешних сил, действующих на отсечённую часть рамы (балки). Изгибающий момент численно равен сумме моментов всех внешних сил, действующих на отсечённую часть рамы (балки) относительно оси Ох. В число внешних сил везде входят и опорные реакции.

Отношение предельного напряжения к наибольшему расчётному есть коэффициент n запаса прочности. Отношение продольной силы N. действующей на брус, к площади А поперечного сечения даёт величин) нормального напряжения σ =N/A.

Моменты сопротивления при изгибе: для прямоугольного поперечного сечения бруса W_x = bh² /6, где b- сторона сечения, параллельная нейтральной оси х; для круга W_x=πd³ /32 = 0,1d³; для кольца W_x = (πd³ /32)(1 - с⁴), где с-отношение внутреннего размера диаметра кольца к наружному.

Степень выгодности (или рациональности) w выбранного сечения характеризуют соотношением: ω = W_x / А^3/2.

119. Сделать пояснения по гармоническим колебаниям.

Этот тип колебаний- простейший и наиболее часто встречающийся. Уравнение гармонических колебаний: х = Asin(kt + β), где А- амплитуда как наибольшее удаление точки от её среднего положения; k- круговая (или циклическая) частота колебаний равная числу колебаний в 2π единиц времени t. Период колебания Т=2π/к, есть время, за которое точка совершает одно полное колебание. Обратная величина v = 1/Т = к/2π- частота колебаний. Скорость точки при гармоническом колебании v =Akcos(kt + β), а её ускорение ω = -Ak²sin(kt + β).

120. Решить задачу. Деталь в виде шайбы массой т = 0,1 кг положили на наклонную плоскость. При каком максимальном угле в градусах между наклонной плоскостью и горизонтом шайба будет покоиться, если коэффициент трения

к = 3^1/2/3?

На деталь будут действовать три силы: тяжести, реакция опоры и сила трения. Поэтому условие равновесия шайбы на наклонной плоскости сводится к равенству нулю суммы сил, действующих на неё:

Введём систему координат, направив ось х вдоль наклонной плоскости, а ось y- перпендикулярно ей (рис. 63). Тогда, проецируя на оси х и у, получим:

mgsina = F_Tp, mgcosa = N. Отсюда tga = F_Tp / N.

Рис. 63. Расчётная схема

По мере увеличения угла наклона а плоскости шайба будет неподвижна, пока сила трения покоя не достигнет своего максимума, равного силе трения скольжения: F_тp.ск.= kN, откуда tga_max =kN/N = k= . Следовательно, a = 30°.

121. Кратко объясните «Суть теории Гриффитса».

Гриффите в 1920 году предположил, что любое реальное тело содержит маленькие трещинки, которые либо могут увеличиваться под нагрузкой, либо оставаться на том же уровне. Напряжение U приближённо описывается одной компонентой а; модуль упругости есть Е, упругая энергия на единицу объёма есть:

U σ² / Е (здесь опущен множитель 0,5 и другие безразмерные множители).

Предположим, что тело содержит лишь круговую трещину радиуса R. Вокруг трещины происходит разгрузка. С точностью до безразмерного коэффициента полная энергия будет равна (σ² / E)R³, так как объём имеет размер куба с ребром R. Тогда изменение упругой энергии составит ΔU = - σ²R³/E.

Если размер трещины станет R + dR, то вариация упругой энергии приближённо будет:

(σ² / E)R²dR. Это уменьшение упругой энергии может быть компенсировано увеличением поверхностной энергии: γRdR.

Если уравнение энергетического баланса содержит лишь эти два члена, то получим формулу Гриффитса, исходя из предыдущих двух формул: σ = C , что оказывается справедливым, если глубина пластической зоны у кончика трещины мала.

122. Определить в общем виде, какую силу Q, направленную под углом a. к горизонту, надо приложить к грузу весом Р, лежащему на горизонтальной плоскости, чтобы сдвинуть его с места, если статический коэффициент трения груза о плоскость равен f. Рис. 64.

Фактически, по условию задачи требуется рассмотреть предельное положение равновесия груза, на который действуют силы Р, Q, N и F_np. Составим условия

равновесия в проекциях на оси х и у. Тогда

Qcosa - F_np = 0, N + Qsina-P = 0.

Откуда N = Р - Qsina и F_np = fN = f(P- Qsina).

Откуда после подстановки окончательно находим, что

Q = (fP)/(cosa + fsina).

Рис. 64. Расчётная схема

Задавая переменным угол наклона, легко составить компьютерную программ}

(например, в Mathcad) расчёта изменения величины силы Q.

123. Что такое пене т рация и тиксотропыя? Рис. 65.

Пенетрация- мера проникновения конусного тела в смазку, употребляемая для

характеристики консистенции (густоты) смазок. Показатель- число пенетрации. Определяют по глубине погружения конуса в смазку и выражают в десятых долях миллиметра при t=25 °C после перемешивания.

В густой смазке глубина проникания конуса меньше-число пенетрации меньше. Тиксотропия- это способность коллоидной дисперсной

системы восстанавливать свои структурные связи, которые были разрушены

механическим воздействием.

Рис. 65. Схема определения величины пенетрации

124. Перечислите суть определения силовых и кинематических параметров привода стенда для испытания пар трения.

Силовые (мощность и вращающий момент) и кинематические (частота вращения и угловая скорость) параметры привода рассчитываются на валах привода из требуемой или расчётной мощности двигателя Р_дв и его номинальной частоты вращения n_ном при установившемся режиме.

Для этого, например, должны быть известны: тяговая сила ленты F; скорость ленты v (м/с); диаметр барабана D (мм); допускаемое отклонение скорости ленты δ(%).

1). Сначала определяется требуемая мощность стенда: P_ηс = Fv(kBt).

2). Рассчитывается КПД привода: η= η_зп η_оп η_м η_пк² η_пс, где в произведении стоят последовательно коэффициенты полезного действия закрытой передачи, открытой передачи, муфты, подшипников качения и подшипников скольжения.

3). Определяется требуемая мощность двигателя:

Р_дв = Р_с / η

4). По справочнику выбирается тип двигателя (например, авторов Иванов М.Н.. Кудрявцев В.Н., Шейнблит А.Е., Дунаев П.Ф., Леликов О.П. и др.).

5). Определяется частота вращения барабана: n_с = (60* 1000v) / πD (об/мин).

6). Вычисляется передаточное число привода и для каждого варианта:

и=n_ном /n_c

7). Производится разбивка передаточного числа привода с учётом его типа.

8). Определяется максимально допустимое отклонение частоты вращения

приводного вала и сама допускаемая частота его вращения.

125. Назовите «Некоторые способы дробления сливной стружки».

Это может быть сделано следующими способами: использованием стружколомов, оригинальной заточкой инструмента, прерывистым резанием, предварительными надрезами обрабатываемой поверхности, с помощью магнитов (для магнитных материалов), лазером, водяной пушкой, сжатым воздухом.

126. Сформу ли руйте «Правило расчёта размерных цепей в машиностроении на «максимум-минимум» в прямой задаче».

Для этого метода расчёта базу отсчёта рекомендуют выбирать слева и использовать табличку плюс-минус. Тогда при движении слева направо от базы положительный допуск увеличивающих звеньев записывается в колонку (-) таблицы, а отрицательный- в колонку (-). При обратном движении (к базе) для уменьшающих звеньев отрицательное значение допуска записывается в колонку (+), а положительное- в колонку (-) таблицы. Ответ получается суммированием по каждому из двух столбцов. Так находится допуск замыкающего звена в прямой задаче расчёта размерной цепи, когда известны все номинальные размеры звеньев и их допуски, кроме замыкающего звена.

127. Что такое «Надёжность» и к акой д ля неё основной количественный показа тель?

Надёжность- это комплексное свойство объекта сохранять свои выходные характеристики (параметры) в заданных пределах в конкретных условиях эксплуатации. Основным количественным показателем является вероятность безотказной работы P(t) (как функция наработки), изменяющаяся от 1 до 0. Противоположное событие- вероятность отказа Q(t), причём P(t) + Q(t) =1. Общее число показателей надёжности- около 30 и, пожалуй, наиболее часто встречающиеся в расчётах систем- следующие: долговечность, ремонтопригодность, сохраняемость, коэффициент оперативной готовности, наработка до отказа/на отказ, интенсивность отказов.

128. Назовите некоторые технологические приёмы повышения износостойкости и прочности деталей.

Это, например, виброобкатывание или вибронакатывание поверхностей шариком/роликом, цементация, азотирование, борирование, покрытие хромом, дробеструйная/ металлоструйная/ пескоструйная/ термическая обработки, нанесение покрытий в вакууме, лазером, детонационным взрывом и др.

129. При работе системы в холостом режиме детали изнашиваются. Какой инструмент, работает без холостого хода?

Новый инструмент работает без холостого хода как торцовый ключ, отвёртка.

сверло или метчик при любом направлении движения силовой рукоятки и

содержит дифференциал из четырёх конических колёс и два храповых колёса с

собачками со встречной ориентацией зубьев.

130. Объясните явление диффузии, в том числе и в твёрдых веществах.

Диффузией называется перенос частиц различной природы, обусловленный

хаотическим тепловым движением молекул (атомов) в многокомпонентных системах. Такой перенос, как правило, осуществляется при наличии градиента концентрации частиц. В твёрдых неорганических материалах, где доля свободного объёма и амплитуда колебаний атомов кристаллической решетки незначительны, диффузия обусловлена нарушениями в их структуре, возникающими при изготовлении, нагревании, деформации и других воздействиях.

131. Дефекты в кристаллах, природа образования и классификация. Дефекты в кристаллах состоят в нарушении полностью упорядоченного расположения частиц (атомов, ионов, молекул), характерного для идеального кристалла. Образуются в процессе роста кристалла из расплава или раствора, а также под влиянием внешних воздействий (тепловых, электрических, механических, при различных видах облучения, при введении примесей). Различают точечные (нульмерные), линейные (одномерные), поверхностные (двухмерные) и объёмные (трёхмерные) дефекты.

132. Объясните, что такое «Кристаллическое строение вещества»?

Это- одна из разновидностей состояний твёрдого вещества, для которой характерен определённый порядок в расположении частиц (атомов, ионов, молекул). Структура кристаллов характеризуется постоянными координационными числами, валентными углами и длинами связей.

Вещество из кристаллического состояния можно перевести в неупорядоченное состояние (аморфное или стеклообразное) воздействием ионизирующего излучения или тонким измельчением. Критический размер частиц, при котором уже не имеет смысла говорить о кристаллическом состоянии, примерно 1 нм, то есть того же порядка, что и размер элементарной ячейки.

133. Объясните, что такое «Металлическая связь»?

Это - один из видов химической связи, обусловленный взаимодействием электронного газа (валентные электроны) в металлах с остовом положительно заряжённых ионов кристаллической решетки. Поскольку каждый атом участвует в образовании большего числа связей, чем, например, в двухатомной молекуле при том же числе валентных электронов, то минимум энергии в металлах достигается при расстояниях больших, чем обычная ковалентная связь. Особенности металлической связи у каждого металла могут быть связаны с электростатическим отталкиванием ионов друг от друга, вкладом в образование связи внутренних незаполненных электронных оболочек переходных металлов и некоторыми другими причинами.

134. Парафины, их химическое строение и применение как компонента смазочных мат ериалов.

Насыщенные углеводороды (парафины, алканы) - органические соединения, углеродные атомы которых соединены простыми (ординарными) связями. Различают неразветвлённые (нормальные) и разветвлённые насыщенные углеводороды. Парафины, наряду с другими углеводородами, входят в состав гак называемых нефтяных (минеральных) масел. Удаление из масел и других нефтепродуктов высокоплавких предельных углеводородов (депарафинизация) улучшает эксплуатационные свойства масел, так как понижает их температуру застывания.

135. Назовите «Типы химической связи».

Различают следующие типы химической связи: ковалентная, ионная и металлическая. Ковалентная связь образуется между соединяющимися атомами, которые имеют валентные электроны с близкими или одинаковыми орбитальными энергиями (энергией ионизации или энергии сродства к электрону).

Ионная связь образуется между атомами с очень сильно отличающимися энергиями ионизации и сродства к электрону. При таких условиях один из двух атомов передаёт один или несколько валентных электронов своему партнёр). Например, атом Na настолько отличается по свойствам от атома С1, что в NaCl атомы не в состоянии равномерно обобществлять между собой электроны и между ними образуется ионная связь.

136 Какие Вы знаете «Основные характеристики химической связи»? Энергия, необходимая для разъединения двух связанных атомов, называется энергией связи. Так, энергия соответствующая процессу Н₂ → Н + Н. составляет 432 кДж моль^-1.

Расстояние между ядрами двух связанных между собой атомов (например, в молекулах Н₂ или Na⁺ Cl) называется длиной связи. В молекуле водорода длина связи равна 0,74А. Каждый атом водорода в Н₂ может быть охарактеризован атомным радиусом в 0,37А. Химическая связь, образованная разными атомами (например, Н-С1), обладает дипольным моментом, который характеризует полярность данной связи.

137. Дайте «Понятие о поверхностной энергии».

Поверхностная энергия - энергия, сосредоточенная на границе раздела фаз. избыточная по сравнению с энергией в объёме. При увеличении поверхности раздела фаз удельная поверхностная энергия (на единицу поверхности) с характеризует увеличение энергии системы. Она равна сумме механической работы о образования единицы площади поверхности и поглощаемой при этом теплоты q.

Поверхностная энергия связана с межмолекулярным взаимодействием, так как состояние частиц (атомов, молекул) на границе раздела фаз отличается от состояния в объёме фаз вследствие нескомпенсированности силовых полей частиц на поверхности раздела. Кристаллические тела характеризуются анизотропией (неодинаковостью по различным направлениям кристалла) поверхностной энергии.

Поверхностная энергия в значительной степени определяет форму кристаллов, прочность твердых тел и другие явления.

138. Дайте характеристику поверхностно-активных веществ (ПАВ).

ПАВ - вещества, адсорбция которых из жидкости на поверхности раздела с другой фазой (обычно твёрдой или жидкой), приводит к значительном} понижению поверхностного натяжения. В наиболее важном с практической точки зрения случае адсорбирующиеся молекулы состоят из полярной группы (катионной или анионной) и неполярного углеводородного радикала. Поверхностной активностью по отношению к неполярной фазе (углеводородная жидкость, неполярная поверхность твёрдого тела) обладает углеводородный радикал, который как бы "выталкивается" из полярной среды.

Важными областями применения ПАВ являются следующие:

- антиокислительные, противозадирные и другие присадки в производстве минеральных масел (мыла синтетических жирных кислот, нефтяные сульфонаты, оксиэтилированные спирты) и пластических смазок (производные фенолов, ариламины, алкил- и арилфосфаты);

- механическая обработка металлов, адсорбционное понижение прочности, повышение скоростей резания, строгания, фрезерования (мыла природных и синтетических жирных кислот, алкилароматические сульфонаты. оксиэтилированные спирты и т.д.).

139. Геометрия поверхности, структура, деформация, механические свойства, внутренние напряжения рассматриваются в зависимости от масштабного (структурного) уровня. Что такое «Масштабный уровень»?

Любой из перечисленных параметров при исследовании материалов может быть рассмотрен на макро-, микро-, субмикро- и атомном уровнях. С переходом от макро- к атомному уровню привлекается для исследования всё более сложная техника,, способная извлечь информацию из всё более меньших объёмов материала одного и того же изделия. Полученная информация дополняет друг-друга и вскрывает физическую сущность процессов, видимых невооружённым глазом (на макро уровне).

140. К какому структурному уровню следует отнести результаты, полученные с помощью растровой и просвечивающей электронной микроскопии?

Результаты следует отнести к субмикроуровню, так как получаются данные о состоянии поверхностных и внутренних слоев материала при увеличении свыше 1000 крат.

141. Какие внутренние напряжения в поверхностном слое материала изделия являются благоприятными?

В поверхностном слое материала изделия в процессе технологической обработки и эксплуатации формируются зональные внутренние (остаточные) напряжения. Благоприятными (со знаком «минус») являются сжимающие напряжения, которые при эксплуатации тормозят зарождение и распространение приповерхностных микротрещин.

142. Какие технологические приёмы и почему приводят к формированию в поверхностном слое материала изделия благоприятные остаточные напряжения?

Технологические приёмы поверхностной пластической обработки (шариковой, роликовой, пескоструйной, дробеструйной, гидродорнования) приводят к формированию линейных дефектов кристаллического строения (дислокаций) большой плотности. В результате этого объём материала увеличивается, что начинает формировать встречные благоприятные внутренние напряжения сжатия.

143. Какие параметры включает в себя понятие «Качество поверхности»?

Под «Качеством поверхности» понимается такое состояние поверхностного слоя материала, при котором оптимизируются следующие параметры: геометрия поверхности на всех структурных уровнях; структурное состояние; фазовое состояние; химический состав; вид и знак остаточных напряжений.

144. В зоне фрикционного контакта при трении формируются промежуточные структуры. Что такое «Вторичная структура и какие влияния она оказывает на процесс трения двух контактирующих поверхностей»?

При трении в зоне фрикционного контакта формируются промежуточные вторичные структуры, которые, обычно имея большую прочность, твёрдость и низкую теплопроводность, защищают ту из двух контактирующих поверхностей, на которой формируются. При этом вторая поверхность пары трения обычно претерпевает интенсивный износ.

145. Что такое «Свободное (нестеснённое) кручение призматического стержня»? Свободным кручением называют деформацию, возникающую в случае,.если к каждому торцу приложены поверхностные тангенциальные силы, статическим эквивалентом которых является лишь момент, действующий в плоскости торца.

146. Как определить для круглого кольцевого поперечного сечения вала «Полярный момент инерции и полярный момент сопротивления»?

I_р = (π/2)(R⁴ – r⁴); W_p = (π R³/ 2)(1 - a⁴), где R- наружный радиус пустотелого цилиндра; г- внутренний радиус; a = r/R.

147. Объясните «Остаточные напрялсения и остаточные напряжения для

вала».

Так как эпюра касательных напряжений в конце напряжения не является линейной, а эпюра при разгрузке- линейна, то после снятия нагрузки в валу будут иметь место остаточные напряжения (эпюра которых представляет собой разность эпюр нагружения и разгрузки) и остаточные деформации.

148. Чему равна «Потенциальная энергия деформации при чистом кручении

вала круглого поперечного сечения»?

Если из такого вала вырезать элемент двумя поперечными сечениями, а внутренними силами будут лишь крутящие моменты, тогда в указанном элементе при деформации вала накапливается потенциальная энергия деформации dU, численно равная работе dA внешних по отношению к элементу сил.

149. Какими останутся торцы при чистом изгибе и в стержнях

непрямоугольного профиля?

Они остаются плоскими.