основи триботехники

9.1 Загальні відомості

Триботехника - наукова дисципліна про контактну взаємодії твердих тіл при їх відносному русі, що вивчає питання їх тертя, зношування та змащування.

Дотичні поверхні взаємно переміщаються тел становлять пару тертя. Вузли машин, що містять па-ри тертя, називають вузлами тертя. Величина тертя в уз-ле залежить від багатьох чинників: геометрії поверхонь тертя, поєднання матеріалів, умов змащування, конструк-ції вузла і режиму його роботи.

Негативний вплив тертя проявляється у вигляді втрат енергії і зношування деталей. У промисловості на пре-подолання опору, створюваного тертям в рухливих з'єднаннях, витрачається близько половини споживаної енергії. Зношування призводить до зміни розмірів, фор-ми і стану поверхонь деталей, а в підсумку - до втрати їх працездатності.

Небажані прояви тертя згладжуються і кому-пенсирующие змазуванням поверхонь тертя. Мастило - це введення мастильного матеріалу між поверхнями для зменшення сили тертя і / або інтенсивності зношування.

Поняття «тертя», «мастило» і «зношування» пов'язані не-розривно і залежать від стану поверхонь. Поверхня реального твердого тіла має відхилення від ідеальної гео-метричної форми. Це макроотклоненія форми, наприклад у вигляді неплощинності або неціліндрічності, що є наслідком неточності обробки. Це шорсткість у вигляді нерівностей висотою від 0,05 до 500 мкм з кутом нахилу до 10 °, що залежить від способу і режиму обробки. Виступи ше-роховатості розташовані на хвилях нерівностей висотою до 100 мкм і кроком 50. 5000 мкм. Хвилястість виникає через неравномерностей відносних рухів і коливань сис-теми верстат-інструмент-деталь при обробці деталей.

Зазначені відхилення призводять до того, що при контакти-ровании реальних поверхонь вони сприймають навантаження вершинами виступів. Першими в контакт вступають протидії стоять виступи, сума висот яких найбільша. За ме-ре збільшення навантаження деформація нерівностей і частково їх основ призводить до зближення поверхонь і в контакт вступають пари виступів з меншою сумою висот. Різночасність входження в контакт призводить до різної дефор-мації виступів. Частина виступів деформується пружно, частина - пластично. В результаті площа фактичного контакту поверхонь со-стоїть з безлічі дискретних малих майданчиків, располо-дені на різних висотах в місцях найбільш повного зближення поверхонь. Площа фактичного контакту залежить від геометрії поверхонь, від фізичних і механі-чеських властивостей поверхневого шару, від величини навантаження і тривалості її застосування.

Поверхні пар тертя в результаті їх окислення покриття-ти плівками. Поверхневий шар матеріалу під плівками в результаті механічної обробки має змінену струк-туру в порівнянні з глибинної частиною. Наприклад, через нак-па мікротвердість поверхневого шару часто вище, ніж у ос-нови. На властивості поверхневого шару впливають поверхнево-активні речовини, що містяться в мастильних матеріалах. Крім того, після підвищення температури при механічній обробці в поверхневому шарі з'являються ос-таточно напруги. В результаті дії зазначених факторів площа фак-тичного контакту на практиці становить під навантаженням ма-білу частину номінальної (контурної) площі і тільки при дуже високих навантаженнях досягає 30. 40% номінальної площі. Величина площі фактичного контакту і через сування її під дією навантажень є факторами, від яких залежить тертя, мастило і зношування поверхонь тертя.

9.2 Тертя і зношування

За характером руху розрізняють тертя ковзання при проходженні-ня і тертя кочення. Іноді обидва види виявляються совмест-но, наприклад при коченні з проскальзиваніем.

Залежно від режиму змащування розрізняють тертя без мастильного матеріалу і з мастильним матеріалом, при-ніж механізм впливу мастильного матеріалу буває різним.

Тертя без мастильного матеріалу - режим, при якому необхідно створення великої сили тертя (наприклад, в тор-Мозах, в передачах тертям і т. Д.) Або мастильний матеріал не придатний (наприклад, в чистому виробництві). У точках фактичного контакту діють сили молекулярного при-тяжіння, що викликають адгезію (прилипання). При цьому відно-вальну зміщення контактуючих поверхонь опору-вождается деформацією зсуву, а отже, витратою енергії. Ще більш сильним проявом молекулярних сил є схоплювання поверхонь (з'єднання в результаті деформування). Тертя без мастильного матеріалу опору-вождается стрибкоподібним ковзанням поверхонь, ви-викликають ривки і вібрацію на початку і в кінці руху. На коефіцієнт тертя сильно впливають плівки окислів, вла-га, забруднення.

Тертя при гранічнойсмазке - режим тертя, при кото-ром поверхні розділені шаром мастильного матеріалу тол-щіной від однієї молекули до 0,1 мкм. На поверхні твердо-го тіла адсорбуються (концентруються) і прикріплюються поляризовані молекули мастильного матеріалу у вигляді злодій-са. Цей зв'язок найбільш міцна в одномолекулярного шарі і ос-лабевает в міру віддалення від поверхні. Форма граничної плівки повторює мікрорельєф поверхні. Під навантаженням відбувається деформація майданчиків фактичного контакту, але без порушення цілісності плівки, так як вона має ви-соким опором стисненню по нормалі до твердої поверх-ності (понад 10 3 Н / мм 2). При ковзанні навантажених по-верхностей «ворсинки» згинаються і молекулярні шари ковзають один відносного іншого. На площах зі значи-тельной пластичною деформацією і в точках з високою тим-пература відбувається руйнування плівки зі схоплюванням обнажившихся ділянок. Але лавинного схоплювання не про-виходить, так як плівка «самозаліковує» за рахунок великої швидкості адсорбції мастильного матеріалу на поверхні тертя. Згодом гранична плівка зношується, сма-зочний матеріал з неї несеться на продуктах зносу, а так-же руйнується від окислення. Особливість граничного змащення полягає в тому, що на процес не впливає в'язкість мастильного матеріалу. Введено поняття маслянистості. Це комплекс властивостей, оцінюю-трудящих за величиною коефіцієнта тертя і залежних від со-става основи мастильного матеріалу і наявності певних присадок в ньому для даного поєднання матеріалів пари тертя. Вимоги до мастильному матеріалу полягають у тому, що плівка повинна протистояти великим стискає зусиллям і в той же час не чинити великого опору зрушенню.

Тертя пріжідкостной мастилі - це режим тертя, при якому відбувається повне розділення пар тертя шаром мастильного матеріалу. Він є найбільш сприятливим щодо втрат енергії і зносу. Якщо товщина шару мастильного матеріалу, що розділяє поверхні тертя, більше товщини граничної плівки (0,1 мкм), то зі збільшенням цього шару зменшується вплив твердої поверхні на віддалені мо-лекул мастильного матеріалу, а шари на відстані більше

0,5 мкм від поверхні можуть вільно зміщуватися один відно-сительно іншого. Це відноситься до ідеально гладким поверх-ності. Для шорстких поверхонь мінімальна товщина мастильного шару для отримання рідинного тертя повинна бути не менше суми максимальних висот виступів шорстк-ватості, а з урахуванням відхилень форми і хвилястості поверхонь і можливих деформацій під навантаженням максимальна товщина шару повинна в 2 рази перевищувати зазначену суму .

В умовах зовнішнього навантаження повне розділення по-поверхонь може бути отримано тільки при певному тиску в шарі мастильного матеріалу, яке і врівноважить навантаження. Існує два способи створення тиску в несу-щем шарі: гідростатичний і гідродинамічний. При гід-ростатіческом способі подача мастильного матеріалу до пари тертя здійснюється від зовнішнього джерела під тиском третьому. При гідродинамічному способі тиск в рідині виникає безпосередньо між поверхнями тертя. Ні-обхідних умовами для цього є наявність Клинове-го зазору і взаємного переміщення, а розмір зазору і ско-кість переміщення знаходяться в залежності від навантаження на поверхнях тертя і в'язкості мастильного матеріалу.

В'язкість, або внутрішнє тертя, - це властивість текучих тіл чинити опір переміщенню однієї їх частини щодо іншої. Основний закон в'язкості Ньютона

де F - сила, що викликає зсув шарів рідини; S - площа зрушуваної шару; dV / dh - градієнт швидкості рідини по товщині шару; # 956; - коефі-цієнт динамічної в'язкості. Він кількісно характеризує опір рідини сме-щення її шарів і має розмірність Н · с / м 2.

Тертя пріполужідкостной мастилі - це режим тертя, при якому на одній частині поверхні тертя осуществля-ється рідинна мастило, а на іншій частині - гранична мастило. Нормальна навантаження врівноважується сумою сил молі-кулярного взаємодії в граничної плівці на майданчиках контакту і сил гідродинамічного тиску в змащувальному шарі між майданчиками контакту. Сила тертя складається з сил взаємодії поверхонь, покритих граничної плівкою, і сил опору в'язкого зсуву в шарі мастила. Відносна частка кожної з цих складових залежить від навантаження, швидкості взаємного переміщення, геометрії по-поверхонь тертя, кількості і в'язкості мастильного матері-ала. Гідродинамічний дію мастильного матеріалу при напіврідинних мастилі виникає, коли поверхні тертя розташовуються під кутом, утворюючи клиновий зазор, і коли між нерівностями в напрямку руху утворюють-ся клинові мікрозазори у вигляді звужень і розширень по висоті. Тертя при напіврідинних мастилі має місце в подшип-никах ковзання, в парах гвинт-гайка, в парах з повернення-но-поступальним рухом. Цей режим супроводжується зносом поверхонь тертя. Для запобігання интен-сивного зношування контактний тиск на поверхнях тертя р не повинно перевищувати певної величини. Ве-личина допускається контактного тиску [р] залежить від ма-ріалів пари тертя, шорсткості поверхонь, характе-ристик мастильного матеріалу і в конкретних випадках від-ражает досвід застосування пар, що труться. Орієнтовно можна приймати [р] = 10МПа.

Тертя при еластогідродінаміческойсмазке - це ре-жим тертя, при якому характеристики тертя і товщина плівки мастильного матеріалу визначаються пружними властивостями матеріалів контактуючих тіл і властивостями, харак-теризують плинність мастильного матеріалу. При коченні або коченні з ковзанням мастильний матеріал не встигає покинути зону контакту. Велике контактний тиск де-формує тіла кочення, збільшує область малого зазору, роблячи його майже постійним. При високому тиску в'язкість мастильного матеріалу зростає і рідина з великим тру-дом випливає з вузької щілини. Утворюється плівка мастильного речовини у вигляді лінзи товщиною 0,1. 10мкм.

Тертя при твердій смазке- режим тертя, при якому поверхні тертя розділяються твердим мастильним мате-ріалом. Умови мастила проміжні між несмазанни-ми і змазаними поверхнями, так як поверхні кон-такту сухі, а твердий мастильний матеріал надає їм такі властивості, як ніби вони змочені (еквівалент мастильного еф-фекта). Режим мастила нагадує граничне тертя, по-кільки твердий мастильний матеріал утворює шар з необ-дімимі якостями зі стиснення і зсуву, але без строго ориен тірован структури.

Зношування - процес руйнування поверхневих сло-їв при терті, що приводить до зміни розмірів, форми і стану поверхні деталі. Результом зношування є-ється знос, який виражається в одиницях довжини, обсягу, маси. Наприклад, знос оцінюють товщиною шару h, знятої в ре-док зношування. Відношення товщини зносу деталі до шляху тертя Jh = h / s називається інтенсивністю зношуючись-ня. Відношення товщини шару зносу деталі до часу, в те-чення якого відбувається зношування, Jt = h / t називається швидкістю зношування. Зносостійкість, т. Е. Здатність деталі чинити опір зношування, оцінюють величиною, зворотної інтенсивності або швидкості ізнаші-вання.

Интен-сивное зношування призводить до втрати точності, зниження ККД, додатковим динамічним навантаженням, вібрацій і збільшення шуму, до зменшення міцності і втрати робо-тоспособности. Близько 80% деталей механізмів і машин ви-ходять з ладу через зношування.

Зношування є різноманітне, багато-факторний і дуже складне явище. Вид зношування зави-сит від геометрії і фізико-хімічних властивостей поверхонь, навантаження, умов змащування і навколишнього середовища.

Відповідно до стандарту розрізняють 13 видів зношування. У механізмах і машинах представляють інтерес механічні види зношування. Найчастіше в механізмах возника-ет утомлююча зношування, яке проявляється у вигляді викришування. Викришування відбувається при тривалій експлуатації. При повторному деформуванні мікрооб'е-мов матеріалу виникають втомні тріщини, розвиток ко-торих призводить до виходу їх на поверхню, чому способству-ет похиле орієнтування тріщин до поверхні через пластичного зсуву поверхневого шару при терті. Налі-ність на поверхні мастильного матеріалу сприяє зростанню тріщин. При контактуванні в змащувальному матеріалі, попа-дає в тріщини, виникає тиск, і він, будучи несжі-травнем, діє подібно клину. Тріщини в процесі раз-витку виходять на поверхню, і матеріал відшаровується. Ямки, що виникають в результаті відшаровування матеріалу, призводять до зменшення фактичної площі контакту і зростання напруги, а в результаті - до прискорення руйнуючої-ня. Абразивне зношування проявляється у вигляді дряпають-ного дії твердих частинок, що знаходяться в зоні контакту. Ці частинки в відкритих передачах потрапляють ззовні, а в за-критих можуть бути продуктами зносу (через наклепу їх твердість вище, ніж у основного матеріалу). Впроваджуючи в ме-неї тверду поверхню, ці частинки, рухаючись з нею, при ковзанні по іншій поверхні діють на неї як мік-рорезци. Зношування при заїдання проявляється при високих навантаженнях і в вакуумі, коли контакт чистих ділянок мате-ріалу призводить до схоплювання (місцевим зварювання) і по-наступного руйнування містків зварювання. В результаті про-виходить задирание (виривання приварити частинок), пере-ніс матеріалу з однієї поверхні тертя на іншу і вплив виникли нерівностей на сполучену поверх-ність, що призводять до пошкоджень. Зношування при фреттинг-корозії відбувається в результаті коливальних мікросмещеній однієї поверхно-сті щодо іншої. При цьому руйнуються, виникають знову і знову руйнуються окисні плівки, а також відбувається схоплювання на ділянках чистого матеріалу і руйнування вогнищ схоплювання. Механічне зношування пластичним Деформівні-вання полягає в згладжуванні і руйнуванні нерівностей за рахунок зрізу і зминання мікрооб'ємів, що особливо проявляє-ся при коченні з ковзанням.

Слід зазначити, що різні види зношування часто діють одночасно і кожен конкретний вид, як пра-вило, стимулює інші види зношування.