Общие сведения. Надежность и долговечность автомобильного, сельскохозяйственного и других видов транспорта во многом обусловлены явлениями трения и изнашивания

ВВЕДЕНИЕ В ТРИБОТЕХНИКУ

ВВЕДЕНИЕ

Надежность и долговечность автомобильного, сельскохозяйственного и других видов транспорта во многом обусловлены явлениями трения и изнашивания, происходящими в узлах машин.

Изн ашивание приводит к нарушению герметичности узлов, потери точности взаимного расположения деталей и перемещений. Возникают заклинивания, удары, вибрации, приводящие к поломкам. Трение приводит к потерям энергии, перегреву механизмов, снижению передаваемых усилий, повышенному расходу горючего и других материалов. Кроме того, трение также оказывает положительное влияние – работа механизмов торможения, сцепления, движения колес. Явления трения и изнашивания взаимно обусловлены: трение приводит к изнашиванию, а изнашивание поверхностей деталей в ходе работы приводит к изменению трения.

Проблемы трения, износа и смазки в машинах изучает наука трибология. Современная наука триболгогия изучает трение, износ, смазку в процессе взаимодействия контактирующих поверхностей при их взаимном перемещении. Кроме того, трибология охватывает теоретические и экспериментальные исследования физических, химических, биологических и др. явлений, связанных с трением. Прикладными задачами по повышению износостойкости и управлению трением за счет применения новых конструкций узлов, материалов и эксплуатационных приемов занимается триботехника.

К настоящему времени трибология окончательно сформировалась, как самостоятельная отрасль знаний. На сегодняшний день во многих развитых странах имеются научные трибологические центры, и ведется подготовка инженеров-трибологов. Решение проблем трения, изнашивания и смазки позволяет добиться высокого экономического эффекта: снижение потребления энергии, затрат на смазочный материал и техническое обслуживание.

Знание основ триботехники является важным аспектом при подготовке специалистов по инженерным специальностям. Полученные знания позволяют правильно рассчитать и применить конструкцию трибосопряжения; подобрать соответствующие материалы пар трения; назначить оптимальные режимы работы узла трения; выбрать наиболее эффективные технологические методы изготовления, обработки и упрочнения трибологических материалов; обеспечить надлежащие режимы эксплуатации, ремонта и обслуживания машин.

Курс триботехники дает представление о природе и закономерностях внешнего трения и изнашивания шероховатых поверхностей; современных теориях трения; методах определения коэффициентов трения; расчете и прогнозировании интенсивности изнашивания; видах, природе и механизме абразивного изнашивания; значении смазок и присадок при трении и изнашивании, методике подбора материалов для трущихся деталей; методах повышения износостойкости, трении и изнашивании в особых условиях (в агрессивных средах, вакууме, при низких и высоких температурах); методах и оборудовании, применяемых для исследований трения и изнашивания.

Большой вклад в развитие триботехники внесли такие ученые: С.Б. Айнбиндер, В.А. Белый, Ф.П. Боуден, Д.Н. Браун, Д.Н. Гаркунов; Б.В. Дерягин, Ю.Н. Дроздов, Ю.А. Евдокимов, А.Ю. Ишлинский, И.В. Крагельский, Н.М. Михин, М.А. Левитин; К. Ипрамов, А.С. Проников, П.А. Ребиндер, Д. Тейбор, М.Н. Хрущов, А.В. Чичинадзе и многие другие.

Ценный вклад в изучение трения в XV веке внес Леонардо да Винчи. Среди бесчисленных научных достижений и первая формулировка законов трения (1519 г.). Леонардо да Винчи установил, что сила трения зависит от материала и не зависит от площади соприкасающихся поверхностей, она прямо пропорциональна нагрузке, прижимающей одно трущееся тело к другому и может быть уменьшена путем введения промежуточных тел качения (шариков или роликов) или смазочных материалов между трущимся поверхностями. Леонардо обосновывает невозможность создания вечного двигателя, одной из причин считает трение. Впервые ввел понятие коэффициента трения, показал, что сила трения зависит от материала трущихся поверхностей, качества их обработки, изобрел роликовый и шариковый подшипники.

Модель Леонардо да Винчи была переоткрыта через 180 лет французом Г. Амонтоном (1663-1705 гг.). В 1699 г. Амонтон впервые сформулировал закон зависимости трения от величины нагрузки, нормальной к поверхности трения (рис. 1.1.).

Амонтон-трение – это подъем одного тела по поверхности другого.

Рис. 1.1. Схема трения

F_тр = F_n · f, (1.1)

где F_n – нормальная нагрузка, Н;

f – коэффициент трения.

До сих пор именно эта формула является основополагающей.

Создателем науки о трении считается Шарль Кулон (1781 г.). В труде «Теория простых машин» он охватил основные аспекты трения: сопротивление скольжению, качению, стягиванию, обобщил закон Амонтона и показал, что часто трение слабо зависит от нагрузки (или не зависит), т.е.

F_тр = F_n · f +А, (1.2)

где А – часть трения, зависящая от сцепляемости поверхностей.

Кулон показал, что трение зависит от многих факторов (нагрузка, скорость, материалы, шероховатость, смазка, температура). Исследуя трение качения, Кулон вывел формулу сопротивления перекатыванию F_к:

F_k=X · F_n /r (1.3)

где Χ – коэффициент трения качения, имеет размерность длины;

r – радиус перекатывания тела, м.

Эта формула используется и сейчас, хотя ее многократно пытались опровергнуть.

Б. Томпсон (1798 г.) показал, что механическая энергия при трении не исчезает, а превращается в тепло.

Закон Кулона лег в основу современных теорий трения, разработанных Ф. Боуденом, Д. Тейбором и И.В. Крагельским. Обе теории базируются на представлении о двойственной природе трения. Предполагается, что трение имеет две составляющие: механическую (деформационную) и молекулярную (адгезионную), и они просто суммируются.

f =F_тр /F_n = (F_м+F_д)/F_n = f_м+f_д, (1.4)

где F_м – молекулярная (адгезионная) составляющая силы трения, Н;

F_д – механическая (деформационная) составляющая силы трения, Н;

f_м – молекулярная (адгезионная) составляющая коэффициента трения;

f_д – механическая (деформационная) составляющая коэффициента трения.

Представители английской школы (Ф.П. Боуден) считают главным в трении адгезионное взаимодействие двух тел, образование мостиков сварки. Разрушение этих мостиков обуславливает силу трения и износ. Они считают, что объемное деформирование поверхностных слоев играет незначительную роль, для металлов оно всегда пластическое, при этом коэффициент трения является величиной постоянной, его значение определяется отношением сопротивления на срез к твердости менее прочной составляющей пары трения.

Многие другие (в т.ч. отечественные ученые) природу трения объясняют несколько иначе: в нормальных условиях трения образование мостиков сварки между двумя телами может быть устранено смазкой, пленками окислов. Первенствующую роль играет объемное деформирование микронеровностей, непрерывно образующихся под нагрузкой. Износ наступает в результате их усталостного разрушения из-за многократной их деформации. Неровности деформируются как упруго, так и пластически. В этих условиях коэффициент трения для данной пары варьируется (меняется) в зависимости от давления, размера поверхности, температуры (лаб. работа); таким образом, f – комплексная характеристика зависит от свойств тел, геометрических очертаний микронеровностей и так далее. Обе точки зрения существуют в реальных процессах.

Создание общей теории трения, в которой деформационная и молекулярная составляющие окажутся не постулатами, а приближенными результатами, актуальная проблема современной трибологии.

Дата добавления: 2014-12-26