Общие понятия о трении и износе

Под трением (внешним) понимают сопротивление относительному перемещению, возникающее между двумя телами в зонах соприкосновения поверхностей по касательным к ним. Уменьшение потерь на трение и снижение износа рабочих поверхностей деталей - основное назначение смазочных материалов.

По характеру взаимного перемещения трущихся поверхностей деталей различают трение покоя (трение двух тел при предварительном их смещении) и трение движения (трение двух тел, находящихся в относительном движении). Трение движения, в свою очередь, по характеру движения делится на трение скольжения и трение качения, а по наличию (отсутствию) смазочного материала - на трение без смазки, граничное и жидкостное.

Трение скольжения возникает при движении соприкасающихся тел, у которых скорости в точках касания различны.

При трении качения скорости тел в точках касания одинаковы по величине и направлению. Трение качения с проскальзыванием возникает при одновременном качении и скольжении соприкасающихся тел.

Трение без смазки возникает при отсутствии на поверхностях трения тел специально введенного смазочного материала (рис. 1.1).

Граничное трение возникает в случае, когда поверхности трения разделены слоем смазки малой толщины (менее 0,1 мкм), не превышающем высоты микронеровностей (шероховатости) поверхности. При этом величина силы трения зависит от природы и состояния трущихся поверхностей (рис. 1.1, б).

При жидкостном трении (рис. 1.1, в) смазочный слой полностью отделяет взаимоперемещающиеся рабочие поверхности одну от другой и имеет толщину, при которой проявляются нормальные объемные свойства масла.

При трении без смазки дополнительная энергия тратится на преодоление:

· взаимного механического зацепления неровностей (шероховатостей) трущихся поверхностей при их относительном перемещении;

• сил межмолекулярного притяжения;

• явления сваривания отдельных острых выступов поверхностей трущихся пар в условиях высоких удельных давлений и значительного выделения тепла.

Согласно формуле Амонтова, сила трения скольжения F зависит от коэффициента трения f и величины нормальной нагрузки Р:

F = f · P,

где: f - коэффициент трения, значение которого зависит от вида трущихся материалов и качества обработки их поверхностей. В среднем коэффициент трения составляет 0,1-0,8, а при трении меди по меди - 1,3.

Сила трения качения примерно на порядок меньше силы трения скольжения несмазанных поверхностей. Это свойство используется в подшипниках качения (шарик или ролик соприкасаются с поверхностью в точке или по линии). Однако такие подшипники удается применить не везде, кроме того, в реальных механизмах преобладает трение с проскальзыванием, что значительно увеличивает коэффициент трения.

Коэффициент граничного трения составляет 0,08-0,15. Режим граничного трения очень неустойчив и характеризует предел работоспособности узла трения. Если граничный слой разрушается, а нагрузка превышает силы сцепления смазочного материала с рабочей поверхностью детали, то в месте контакта возникает сухое трение и, как следствие, задиры, заклинивания и другие аварийные повреждения деталей (например, выплавление антифрикционного слоя вкладышей коленчатого вала).

Толщина и прочность граничного слоя масла при трении рабочих поверхностей деталей зависит от химического состава масла и входящих в него присадок, химической структуры деталей (например, баббитовые или алюминиевые вкладыши коленчатого вала) и состояния поверхности трения (шлифование или суперфиниширование). При этом работоспособность граничного слоя масла не зависит от его вязкости, а определяется взаимодействием молекулярной пленки масла с трущейся поверхностью металла. Возникающие молекулярные пленки масла бывают физического (адсорбция) или химического (хемосорбция) происхождения.

Образование смазочных пленок силами адсорбции обусловлено наличием в смазочных материалах поверхностно-активных веществ (ПАВ), несущих электрический заряд. К таким веществам относятся соединения, содержащие карбоксильные группы, спирты, различные эфиры, смолы, сернистые соединения. Смазочные материалы, содержащие ПАВ, обладают способностью адсорбироваться на поверхностях раздела двух сред: жидкости и твердого тела. Способность смазочных материалов, содержащих ПАВ, образовывать на смазываемых поверхностях достаточно прочные слои ориентированных молекул, называют маслянистостью или смазывающей способностью масел. В некоторые масла для улучшения их смазывающей способности вводят противоизносные и противозадирные присадки.

Хемосорбированные пленки - устойчивые химические пленки фосфатов, хлоридов или сульфидов - создаются на поверхности металла благодаря присутствию в смазочных материалах соответствующих химических элементов. Большая скорость образования этих пленок обеспечивает их быстрое восстановление в местах разрушения граничного слоя. К пленкам этого типа относят также различные мыла, которые образуются из органических кислот, содержащихся в масле.

Адсорбированные и хемосорбированные пленки, обладая определенной прочностью и стойкостью, защищают поверхности трения от механических и тепловых воздействий, препятствуют взаимной адгезии трущихся поверхностей.

Коэффициент жидкостного трения находится в пределах 0,003-0,03, что в 50-100 раз меньше, чем при трении без смазки. Сила трения при этом виде смазки зависит только от трения внутренних слоев в смазочном материале.

Устойчивость смазочного слоя, необходимого для жидкостного трения, зависит от следующих факторов: конструкции узла трения; скорости взаимного перемещения трущихся, поверхностей; величины и равномерности распределения нагрузки на трущиеся поверхности; вязкости смазочного материала; площади трущихся поверхностей; величины зазора между трущимися поверхностями; температурного состояния узла трения и др.

Механизм образования масляного клина (слоя) в коренном подшипнике коленчатого вала при пуске двигателя показан на рис. 1.2. Вращаясь в подшипнике скольжения, вал увлекает находящееся в зазоре масло, и там, где величина зазора h_min меньше, возникает давление, под действием которого вал «всплывает» в заполняющем зазор масляном слое (рис. 1.2, б). С увеличением частоты вращения коленчатого вала «клиновое действие» масляного слоя возрастает, увеличивается величина h_min и шейка вала стремится занять центральное положение в подшипнике (рис. 1.2, в). Минимальная толщина масляного слоя h_min зависит от конструкции подшипника скольжения (наличия упорных буртиков, сальниковых уплотнений и других элементов), абсолютной вязкости масла, скорости перемещения трущихся поверхностей и величины давления на трущиеся поверхности. Соблюдение закономерности h_min≥1,5(δ₁+δ₂), где: δ₁ и δ₂ - максимальные высоты выступов на поверхностях трения (см. рис. 1.2, в).

Для любых пар трущихся поверхностей вязкость масла должна быть наименьшей, но в то же время обеспечивающей жидкостное трение. Так, для подшипника скольжения коленчатого вала двигателей внутреннего сгорания кинематическая вязкость должна быть не менее 4-5 мм²/с.

Полужидкостное трение возникает при пуске и остановке двигателя, высоких рабочих температурах и нагрузках, недостаточной вязкости масла и его подаче, а также при попадании в масло абразивных механических примесей. В этих ситуациях масла в зазоре между трущимися парами может оказаться недостаточно для обеспечения жидкостного трения, масляный слой частично разрушен, в результате чего в отдельных местах соприкосновения трущихся поверхностей возникает граничное или сухое трение. Если масло обладает высокой смазывающей способностью, только это и позволяет максимально уменьшить трение и износ, а также предотвратить заклинивание трущихся деталей.

Изнашивание - это процесс разрушения и отделения материала с поверхности твердой детали накопления в ней остаточной деформации или постепенного изменения ее размеров или формы поверхностей под воздействием трения.

Количественной мерой оценки изнашивания является износ, который может выражаться в единицах длины, массы (поршневые кольца) или объема (угар масла). Различают скорость изнашивания и интенсивность изнашивания. Скорость изнашивания определяют как отношение значения износа к интервалу времени, в течение которого он возник, а интенсивность изнашивания - как отношение значения износа к величине расстояния (пробега, измеряемого в км), на котором происходило изнашивание, или объему выполненной работы (т/км, м³ и т.д.).

По характеру разрушения деталей различают следующие виды изнашивания: механическое, молекулярно-механическое и коррозионно-механическое.

Механическое изнашивание, возникающее в результате механических воздействий, подразделяется на абразивное, гидроабразивное, газоабразивное, усталостное, эрозионное и кавитационное.

Абразивное изнашивание становится результатом режущего или царапающего воздействия на поверхности трения относительно более твердых частиц, находящихся в свободном или закрепленном состоянии. Даже незначительное количество абразивных частиц ведет к очень быстрому изнашиванию трущихся поверхностей.

Гидроабразивное изнашивание, как и газоабразивное, - результат воздействия на детали твердых частиц, увлекаемых, соответственно, жидкостью или газом. Такие загрязнения, как твердые продукты износа, частицы нагара, пыль и другие вызывают интенсивное изнашивание поверхностей трения деталей, систем смазки и питания.

Усталостное изнашивание - следствие повторного деформирования микрообъемов материала, из-за которого возникают трещины, и происходит отделение частиц. Усталостное изнашивание может происходить как при трении качения, так и при трении скольжения.

Эрозионное изнашивание наблюдается при воздействии на поверхность трения жидкости или газа. Разновидностью эрозионного изнашивания является электроэрозионное изнашивание поверхности в результате воздействия разрядов при прохождении электрического тока.

Кавитационное изнашивание возникает в условиях кавитации - процесса «схлопывания» пузырьков газа вблизи поверхности трения, создающего местное повышение давления или температуры.

Молекулярно-механическое изнашивание (изнашивание при заклинивании) является результатом совместного действия механического изнашивания с молекулярными или атомными силами. В этом случае происходит глубинное вырывание материала, местное соединение (схватывание) двух твердых тел, перенос металла с одной поверхности трения на другую и воздействия возникших неровностей на сопряженную поверхность.

Коррозионно-механическое изнашивание возникает в результате механического воздействия на трущиеся поверхности, сопровождаемого химическим или электрическим взаимодействием материала со средой. Коррозионные разрушения в этом случае развиваются при воздействии на трущиеся поверхности таких агрессивных веществ, как химически активные газы, кислотные примеси смазочных материалов и др. При этом изнашивание вызывается главным образом химической реакцией материала поверхности трения с кислородом или окисляющей окружающей средой.

На возникновение какого-либо вида изнашивания и повышение его интенсивности влияют:

• свойства материалов поверхностей трения деталей (баббит, алюминий, закаленная сталь и др.);

• свойства и качества смазочных материалов;

• способы подвода смазки к трущимся поверхностям (разбрызгиванием, под давлением, самотеком);

•давление и место подачи смазочного материала к трущимся поверхностям (расположение масляного канала относительно трущихся поверхностей);

• форма и размеры поверхностных неровностей (шероховатость) и трущихся поверхностей (овальность, конусность);

•характер приложения нагрузки (динамический, статический, знакопеременный);

•скорость относительного перемещения трущихся тел и ее изменение во времени (разгон автомобиля, торможение двигателем);

•температурный режим работы двигателя и, как следствие, пары трения;

• присутствие механических и химических примесей, влаги в месте контакта и полнота удаления продуктов изнашивания из зоны трения;

• качество топлива;

• режим работы и климатические условия эксплуатации автомобиля и др.

Дата добавления: 2014-11-29