Основы теории трения и смазки

Трение и изнашивание деталей, машин механизмов является одной из основных проблем в технике. От успешного ее решения зависят надежность и долговечность работы машин, их КПД. Главным назначением смазки является уменьшение износа трущихся деталей механизма и снижение мощности, затрачиваемой на трение. Благодаря смазке мощность, затрачиваемая на трение, уменьшается в сотни раз. Без смазки узлы трения двигателей и силовых передач в течение нескольких секунд разрушились бы из-за заклинивания или расплавления и сваривания деталей выделенным при трении теплом.

Смазочные масла выполняют также ряд других важных функций:

- отводят тепло от нагретых деталей машин;

- предохраняют детали от коррозии;

- очищают пространство между трущимися поверхностями от продуктов износа и механических примесей;

- обеспечивают уплотнение зазоров между деталями подвижными деталями;

- используются в качестве рабочей жидкости гидроустройств.

Основными эксплуатационными свойствами смазочных масел являются: смазывающие свойства, вязкостные свойства, стабильность и коррозионные свойства.

Для правильного подбора масла необходимо учитывать основные закономерности процессов трения и изнашивания деталей машин, условия, в которых работают масла, качество, состав и возможные их изменения в процессе работы.

При контакте подвижных относительно друг друга деталей возможны следующие принципиально отличные друг от друга вида трения: сухое, жидкостное и граничное (Рис. 5).

Режим жидкостной (гидродинамической) смазки (Рис. 6 а) имеет место при наличии между трущимися поверхностями масляного слоя, находящегося под давлением и препятствующего их непосредственному контакту. При этом потери на трение в узле минимальны, так как зависят в основном только от вязкости смазочного материала.

Во многих узлах и агрегатах используются подшипники скольжения, работающие в режиме гидродинамического трения. Вращаясь, вал захватывает слои масла и нагнетает их в клиновидный зазор. Под действием гидродинамических сил образуется масляный клин и вал «всплывает» в подшипнике, т. е. подвижные детали разделяются слоем масла, предотвращающим непосредственное касание их сопрягаемых поверхностей.

При возвратно-поступательном движении деталей (Рис. 6,б) силы внутреннего трения затягивают прилегающие к подвижной детали слои масла в зазор, имеющий плавный выход и оттесняют ее от неподвижной обеспечивая жидкостную смазку. Коэффициент жидкостного трения находится в пределах 0,001...0,01.

Жидкостное трение – это такой вид трения, при котором движущиеся относительно друг друга поверхности разделены слоем масла и трение происходит между частицами и слоями этого масла. Сила жидкостного трения определяется не качеством поверхностей, а качеством смазывающего вещества, заключенного между ними, и прежде всего его вязкостью.

Закон жидкостного трения, установленный Н. П. Петровым, выражается следующей формулой:

где S – площадь поверхностей трения; V – скорость взаимного перемещения поверхностей; h – толщина слоя масла, разделяющего поверхности.

В основе методов расчета условий, при которых возможно жидкостное трение, лежит гидродинамическая теория смазки, разработанная Н.П. Петровым, Н.Е. Жуковским, С.А. Чаплыгиным, О. Рейнольдсом и др.

Для создания жидкостного трения необходимы два условия:

1. масло должно прилипать (адсорбироваться) к трущимся поверхностям

2. толщина масляного слоя должна быть больше суммы высот микронеровностей поверхностей

Режим жидкостного трения является наиболее благоприятным, однако многочисленные причины не позволяют его поддерживать во всех узлах. Конкретные условия работы такие как уменьшении вязкости масла и частоты вращения, а также увеличении нагрузки в ряде случаев приводят к нарушению жидкостного трения. оно то возникает, то нарушается.

Режим граничного (смешанного) трения. Нарушение жидкостного трения не обязательно приводит сразу к сухому трению. Остающейся в зазоре смазки оказывается достаточно для разделения подавляющей части поверхностей контактирующих деталей, а те части которые входят в соприкосновение находятся под защитой достаточно прочных пленок. Пленки на поверхности деталей образуются за счет адсорбционных и хемосорбционных эффектов. При граничном трении износ деталей и сила трения зависят от комплекса свойств масла, который принято называть смазывающей способностью или смазывающими свойствами масла.

Поверхность металла обладает значительной свободной энергией. Объясняется это тем, что расположенные на поверхности атомы металла в отличие от атомов в глубине имеют свободные незамещенные связи, создающие силовое поле.

При физической адсорбции поверхностно-активные молекулы смазочной среды, попадая в силовое поле поверхности твердого тела, присоединяются под действием сил Ван-дер-Ваальса к ее активным центрам, формируя первоначально мономолекулярный, а затем мультимолекулярный адсорбированный слой граничной смазки (Рис. 7).Основные компоненты масел – парафиновые, нафтеновые и ароматические углеводороды – состоят из полярно инертных молекул, которые сами не способны создавать адсорбированные слои на твердых поверхностях.

Из числа производных углеводородов наибольшую поверхностную активность имеют соединения, молекулы которых содержат карбоксильную группу СООН. Сюда, прежде всего, относятся карбоновые кислоты: жирные, нафтеновые и ароматические. К числу полярных соединений принадлежат и спирты, простые и сложные эфиры, а также содержащиеся в маслах природные сернистые соединения, смолы и различные продукты окисления. Они проявляют наибольшие силы сцепления с металлической поверхностью. Адсорбированный поверхностный слой по своим свойствам резко отличается от той жидкости, из которой он образовался. Хаотического теплового движения молекул, характерного для жидкости, в нем нет; он скорее напоминает кристаллическое твердое тело с упорядоченным расположением молекул и поэтому может быть назван квазикристаллическим. Граничное трение внутри такого слоя можно сравнить с трением при сдвиге листов в стопке бумаги: подобно им слои молекул в граничной масляной пленке, не разрушаясь, сдвигаются относительно друг друга.

Мультимолекулярная адсорбционная пленка, находящаяся под действием силового поля твердой поверхности, обладает рядом специфических свойств, из которых наиболее важными являются высокая прочность на сжатие и упругость (более 100 МПа) и легкость сдвига под действием тангенциальных сил трения. Этим и объясняются небольшие коэффициенты трения при скольжении смазанных поверхностей.

Адсорбционные пленки на поверхностях трения разрушаются от термических и механических воздействий. При нагреве кинетическая энергия адсорбированных молекул преодолевает энергию адсорбционной связи, происходит дезориентация молекул и их десорбция с твердой поверхности, при этом резко увеличивается износ металлов.

Иногда между граничным слоем смазки и поверхностью металла устанавливаются химические связи, образуется тонкий поверхностный слой нового вещества (оксида, сульфида, хлорида, мыла и т. д.). Это явление, называемое хемосорбцией, обеспечивает более прочную связь граничной смазки с поверхностью металла. Такие пленки образуются при тяжелых режимах трения, когда на трущихся поверхностях развиваются высокие температуры. Пленки предотвращают контакт чистых металлов, их задир и схватывание, т. е. обладают противозадирным действием. Для получения таких защитных слоев в масло вводят противозадирные присадки – органические соединения, содержащие в своем составе серу. хлор, фосфор, жирные кислоты и др.

Оценка смазывающих свойств масел производится на основе сравнительных испытаний, проводимых или непосредственно на той машине, для смазки которой масло выбирается, или на отдельном агрегате этой машины при его испытании на стенде, или на лабораторной установке, специально предназначенной для испытания масел.

При правильном подборе материалов трущихся деталей, выборе условий трения и смазочного масла с требуемым уровнем смазывающей способности граничное трение позволяет обеспечить большой ресурс работы трущихся деталей с незначительными потерями мощности на преодоление сил трения. Коэффициент граничного трения составляет 0,01...0,15.

Сухое трение (Рис в) может возникнуть при работе сопряженных деталей механизмов в при отсутсвии смазки. Оно характеризуется высокими значениями сил трения и значительными взносами. Развивающиеся высокие температуры при сухом трении могут привести к свариванию трущихся деталей и выходу из строя узла трения.

Сила сухого трения согласно закону Амонтона – Кулона определяется по формуле

где f – коэффициент трения; Р – нагрузка, нормальная к поверхности трения; А – величина, зависящая от сцепляемости поверхностей.

Для большой области условий трения величиной А пренебрегают ввиду ее малости и пользуются упрощенной формулой

Коэффициент трения зависит от материала трущихся деталей и условий трения и находится в пределах 0,2... 0,8, а в случае возникновения процесса схватывания поверхностей при тяжелом режиме трения он может повышаться до значений 5...10 и даже выше.

Дата добавления: 2013-12-13