Текст
У. ИКРАМОВ,
М. А. ЛЕВИТИН
основы
ТРИБОНИКИ
Допущено в качестве учебного пособия
для студентов высших технических
учебных заведений.
-----,. vb
6 И Б И 1 Д
Ь О-' и Г;' с '? ** -< С 7 и ’ У Т g
ТрзВСП*?ГТ’* vГ* \ IUS нО'*** чяв
ТАШКЕНТ „УКИТУВЧИ- 1984
В настоящем учебном пособии сделана попытка систематически изложить
вопросы трения и изнашивания в объеме, необходимом для изучения студента-
ми высших технических учебных заведений. В нем отражено современное
состояние науки о трении и изнашивании — трибоники и намечены пути ее
Дальнейшего развития. Рассмотрены вопросы теории трения, изнашивания,
смазки, механизм и природа абразивного изнашивания, особенности трения и
изнашивания в специфических условиях (в вакууме, агрессивных средах, при
высоких скоростях скольжения и т. д.). Приведены методы расчета и прогно-
зирования износа, а также конструкторские, технологические и эксплуатацион-
ные методы повышения износостойкости. Во избежание перегрузки материала
громоздкими выводами и преобразованиями некоторые аналитические выраже-
ния даны без выводов. По той же причине в пособии отсутствует материал
справочного характера.
Книга предназначена для студентов втузов и может быть полезна инже-
нерно-техническим работникам и аспирантам.
И 42
Икрамов У., Левитин М. А.
Основы трибоники: Учеб, пособие для студентов высш,
техн. учеб, заведений.— Т.: У^итувчи, 1984.—184 с.
I Соавт.
34.41
6П5
№ 538-84
Гос. б-ка УзССР
им. А. Навои.
Тираж 1000
Тираж карт. 2000
2105000000 — 215
353(04) - 84
ииф. письмо — 84
© Издательство .Укитувчи", 1984 г.
И
ВВЕДЕНИЕ
Со времени создания первых механических устройств человек
обнаружил, что любое перемещение реа'льных тел в горизонталь*
пой плоскости всегда встречает внешнее сопротивление. Еще не
понимая природы этого сопротивления движению, человек уже
ощущал, что на его преодоление необходимо затратить опреде-
ленную энергию. Сейчас хорошо известно, что причиной этого со*
противления движению является трение.
Трением в широком смысле слова можно назвать такое взаи-
модействие движущегося тела с окружающей средой или с ДРУ:
гими телами, которое сопровождается рассеянием энергии. Тре-
пне — это вредное явление, на борьбу с которым человечество в
паши дни расходует до 25—30% всей используемой энергии. Ука-
чанная энергия не просто теряется, а превращается в тепло, ко-
торое нагревает механизмы и узлы машин. Это во многих случа-
ях приводит к авариям и отказам. Трению почти всегда сопутст-
вует изнашивание — основной враг механических устройств.
В то же время известна и полезная роль трения. Трудно даже
вообразить, насколько катастрофическими были бы последствия
исчезновения трения. Даже в результате частичного его изчезно-
вепия, например в условиях гололеда, в сотни раз увеличивается
уровень дорожных происшествий. Без трения немыслимо предста-
вши себе работу тормозных устройств.
Современный человек научился побеждать трение и в значи-
к'лыюй мере подчинил его себе. Однако природа этого явления
до сих пор остается во многом загадочной, а трудности, обуслов-
ленные трением, по-прежнему стоят перед инженерами.
Многочисленные исследования показывают, что до 70—80%
отказов машин происходит из-за износа узлов трения. В нашей
пране на ремонт машин и оборудования ежегодно расходуются
многие миллиарды рублей, выпускается огромное количество за-
писных частей, на ремонт работает большой парк станочного
оборудования, в сферу ремонта и обслуживания машин втягива-
( н я все большее число людей.
Поэтому важнейшая проблема современной техники — внед-
рение и дальнейшее развитие работ по изысканию эффективных
меюдов повышения износостойкости, решением которой занима-
ек я наука о трении и изнашивании — трибоника (от греческого
г.юва «трибос» — «трение»).
3
В инженерную практику все более внедряются методы оценки
износа деталей на стадии их проектирования, разрабатываются
руководящие материалы, регламентирующие оценку износостой-
кости деталей, совершенствуются существующие и создаются но-
вые методы расчета на износ. Нормативы износостойкости ис-
пользуются при разработке новых и совершенствовании серийно
выпускаемых машин, для оценки уровня технико-эксплуатацион-
ных свойств изделий. Показатели износостойкости включаются в
стандарты на готовую продукцию. Использование расчетных ме-
тодов износа и нормируемых показателей износостойкости позво-
ляет устанавливать оптимальные межремонтные ресурсы машин
и агрегатов, номенклатуру и нормы расхода запасных частей. С
повышением износостойкости увеличивается надежность и долго-
вечность машин.
Эффективность применения трибоники в народном хозяйстве
огромна: специалисты оценивают ее примерно в 2% государствен-
ного бюджета страны. Одна из особенностей трибоники, выгодно
отличающей ее от других отраслей технических знаний, состоит в
том, что огромный экономический эффект достигается в основном
не техническим перевооружением промышленности, связанным с
затратами дополнительных средств и труда, а благодаря исполь-
зованию знаний, накопленных в этой области.
Все сказанное позволяет утверждать, что в современных ус-
ловиях знание основ трибоники обязательно для каждого инжене-
ра-механика. Инженеру-конструктору оно даст возможность
правильно применить конструкцию подвижного сопряжения,
подобрать соответствующие материалы трущихся деталей, назна-
чить оптимальный режим работы сопряжения. Инженеру-техноло-
гу трибоника поможет выбрать совершенные технологические ме-
тоды обработки, инженеру-эксплуатационнику — обеспечить над-
лежащий режим эксплуатации и обслуживания машин. Вопрос
подготовки инженерно-технических и научных кадров специалис-
тов по трибонике в настоящее время является весьма актуальным.
Курс «Основы трибоники» дает представление о природе и за-
кономерностях внешнего трения и изнашивания шероховатых по-
верхностей; современных теориях трения, в частности молекуляр-
но-механической теории; методах расчета коэффициентов трения;
методах расчета и прогнозирования интенсивности изнашива-
ния; видах абразивного изнашивания; природе и механизме аб-
разивного изнашивания; значении смазки и присадок при трении
и изнашивании; закономерностях изнашивания и методике подбо-
ра материалов для трущихся сопряжений; конструктивных, тех-
нологических и эксплуатационных методах повышения износо-
стойкости; трении и изнашивании в специфических условиях (в
агрессивных средах, в вакууме, в условиях низких температур и
4
т. д.); современных методах и оборудовании, применяемых для
исследования процессов трения и изнашивания; основных направ-
лениях развития трибоники.
Значительный вклад в трибонику внесли советские ученые.
Советская научная школа трибоники пользуется заслуженным
признанием в мировой науке. Широко известны имена советских
ученых С. Б. Айнбиндера, А. С. Ахматова, М. А. Бабичева, Г. М.
Бартенева, В. А. Белого, Ш. М. Билика, Э. Д. Брауна, Н. А. Буше,
В. 11. Виноградова, Г. В. Виноградова, Д. Н. Гаркунова, Н. Л. Го-
лею, М, А. Григорьева, Н. Б. Демкина, Б. В. Дерягина, Ю. Н.
Дроздова, Ю. А. Евдокимова, А. К- Зайцева, А. Ю. Ишлинского,
В. II. Кащеева, И. Р. Клейса, В. С. Комбалова, В. В. Коршака,
Г. И. Костецкого, И. В. Крагельского, В. К- Лозовского, И. М. Лю-
барского, Р. М. Матвеевского, Н. М. Михина, С. В. Пинегина, А. С.
Ироиикова, П. А. Ребиндера, Э. В. Рыжова, А. И. Свириденка,
A. II. Семенова А. А. Силина, Г. М. Сорокина, М. М. Тененбаума,
М. М. Хрущева, А. В. Чичинадзе и других.
Большой вклад в развитие трибоники, особенно за последние
годы, внесли и ученые Узбекистана —- Г. А. Кошевников, А. Д.
Мошков, Р. Г. Махкамов, С. С. Негматов и другие.
Авторы выражают глубокую признательность рецензентам зав,
кафедрой технологии текстильного машиностроения ТИТЛП д. т. н.
профессору Махкамову Р. Г., зав. кафедрой механизации живот-
новодческих ферм ТИИИМСХ к. т, н. доценту Мансурову У. X. и
.чан. кафедрой сельхозмашин Ташкентского политехнического ин-
ститута к. т. н. доценту Садриддинову А. С. за полезные советы.
Авторы понимают, что впервые издаваемое подобного рода
учебное пособие не лишено недостатков, и будут благодарны всем,
ин.’ пришлет свои замечания и пожелания.
ГЛАВА 1
ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ О ТРЕНИИ И ИЗНАШИВАНИИ
Первые попытки осмыслить природу трения были сделаны
Аристотелем. Опираясь на наблюдаемые факты, он отмечал, что
любое, в том числе равномерное, перемещение реальных тел в
горизонтальной плоскости всегда встречает внешнее сопротивле-
ние, причем это сопротивление зависит от веса тела1. Но Аристо-
тель не знал принципа инерции и потому не мог понять разницы
между сопротивлением, связанным с самим телом (инерцией), и
сопротивлением, обусловленным взаимодействием движущегося
тела с внешней средой (то, что мы теперь называем силой тре-
ния) .
Значительный вклад в изучение причин трения внес Леонардо
да Винчи. Обосновывая невозможность создания вечного двигате-
ля, одной из причин этого он считает трение. Леонардо да Винчи
впервые ввел понятие коэффициента трения, показал, что сила
трения зависит от материала соприкасающихся поверхностей, от
качества их обработки, прямо пропорциональна нагрузке и мо-
жет быть уменьшена путем установки роликов или введения
смазки между поверхностями трения. Леонардо да Винчи являет-
ся изобретателем роликового и шарикового подшипников.
Открытие Галилеем в конце XVI в. закона инерции и понятия
о массе тела явилось крупным шагом в механике. Галилей дока-
зал, что свободное тело (т. е. тело, движущееся в пустоте, без
всякого внешнего сопротивления) под действием постоянной силы
движется равноускоренно. При этом движущая сила (а следова-
тельно, и сила сопротивления ускорению) прямо пропорциональ-
на массе тела. Открытие Галилея позволило четко разграничить
сопротивление движению, вызываемое инерцией и возникающее
лишь при изменении скорости (появлении ускорения), от сопро-
тивления внешней среды, которое имеется и при постоянной ско-
рости (без ускорения) и вызвано силами внешнего трения.
В 1699 г. француз Амонтон впервые сформулировал знамени-
тый эмпирический закон линейной зависимости силы трения от
нагрузки:
F = fN, (1.1)
1 Аристотель не различал вес и массу.— Прим. авт.
6
где f — коэффициент трения; У — нормальная к плоскости тре-
ния нагрузка.
Большую роль в дальнейшем развитии представлений о трении
сыграл Л. Эйлер, первый убедительно объяснивший (в 1750 г.)
причину того факта, что сопротивление при переходе от состояния
покоя к относительному движению всегда больше, чем сопротив-
ление скольжению при тех же условиях. Обнаруженный Эйлером
эффект уже в его время нашел практическое применение. Откры-
тие Эйлера позволяло при спуске на воду судов предусмотреть
усиление тяги в момент страгивания судна с места, в результате
чего избежать опасных последствий, связанных с резким ускоре-
нием скольжения судна по стапелям сразу после начала движе-
ния.
Другим известным достижением Эйлера в области трения бы-
ла выведенная им формула для каната, «намотанного на кнехт и
удерживающего судно», которая до сих пор используется в инже-
нерной практике.
Создателем науки о трении по праву считается великий фран-
цузский ученый Шарль Кулон. В своем труде «Теория простых
машин» (1781 г.) он охватил основные аспекты трения: сопротив-
ление скольжению, сопротивление качению и сопротивление стра-
гиванию.
При исследовании трения скольжения различных металлов,
минералов и сортов дерева Кулон обобщил закон Амонтона, по-
казав, что часть силы трения не зависит или слабо зависит от
нагрузки:
F = fN + A, (1.2)
где А — часть силы трения, зависящая от «сцепляемости» по-
верхностей трения и площади касания.
Кулон был первым, кто понял, что трение обусловлено мно-
жеством факторов (нагрузкой, скоростью скольжения, материа-
лом трущихся деталей, шероховатостью их поверхностей и др.).
Исследуя трение качения, Кулон впервые вывел формулу сопро-
тивления перекатыванию:
где Л — коэффициент трения качения, имеющий размерность
длины;
N — вес свободно катящегося цилиндра радиусом г.
Эта классическая формула используется и сейчас, хотя пред-
принимались многочисленные попытки ее опровергнуть.
Несмотря на фундаментальный вклад Кулона в теорию трения,
он игнорировал энергетический и тепловой аспекты этого явле-
7
«ия, без которых механизм трения понять невозможно. В этой
связи следует отметить, что высказанная еще Амонтопом идея,
объясняющая природу трения как подъем одного тела по неров-
ностям другого, разделялась многими крупными учеными вплоть
до конца XVIII в.
Первым ученым, доказавшим, что механическая энергия при
трении не исчезает, а превращается в тепло, был англичанин
Бенджамин Томпсон (1798 г.). Наблюдая за сверлением пушечных
стволов, он пришел к выводу, что сильный нагрев заготовок есть
прямой результат перехода' подводимой к сверлу механической
энергии в тепловую вследствие интенсивного трения инструмента
о металл. Дальнейший вклад в энергетические аспекты теории
трения был сделан Майером (1842 г.), Джоулем (1843 г.), Гельмц-
гольцем (1847 г.). Тогда же (в середине XIX в.) были высказаны
и первые предположения об адгезионной природе трения (адге-
зия — сцепление, слипание поверхностей прижатых друг к другу
тел). Исследование роли адгезионных связей в трении получило
дальнейшее развитие в различных физических теориях трения в
30—40-х годах нашего столетия (советские ученые В. Д. Кузне-
цов, Б. В. Дерягин, англичанин Д. А. Томлинсон и др.).
В 50—60-х годах нашего столетия с развитием научно-техни-
ческой революции трибоника получила дальнейшее развитие. В
этот период И. В. Кра-гельским, Ф. Боуденом и Д. Тейбором была
создана современная молекулярно-механическая теория трения.
Согласно этой теории процесс трения представляется как резуль-
тат двух взаимосвязанных процессов: деформации контактирую-
щих микронеровностей и молекулярного взаимодействия материа-
лов на пятнах фактического контакта. Силы молекулярного
взаимодействия, развивающиеся в зоне фактического контакта,
оказывают сопротивление взаимному перемещению поверхностей
и тем самым влияют на силу трения. Согласно молекулярно-ме-
ханической теории трения суммарный коэффициент трения равен
/=^==_^к+А₽/м+/д, (1.4)
где К — суммарная сила трения; N— нормальная нагрузка; Fu —
молекулярная (адгезионная) составляющая силы трения; Кд — меха-
ническая (деформационная) составляющая силы трения; /м — моле-
кулярная (адгезионная) составляющая коэффициента трения; /д —
механическая (деформационная) составляющая коэффициента трения.
Приведем некоторые основные определения, связанные с про-
цессами трения и изнашивания, в соответствии с ГОСТ 23.002-78.
Внешнее трение — явление сопротивления относительному
перемещению, возникающего между двумя телами в зонах сопри-
косновения поверхностей по касательным к ним, сопровождаемое
диссипацией (рассеиванием) энергии.
6
Изнашивание — процесс разрушения и отделения материала
с. поверхности твердого тела и (или) накопления его остаточной
деформации при трении, проявляющийся в постепенном измене*
нии размеров и (или) формы тела.
Износ — результат изнашивания, определяемый в установлен-
ных единицах (длины, объема, массы и др.).
Износостойкость — свойство материала оказывать сопротив-
ление изнашиванию в определенных условиях трения, оценивае-
мое величиной, обратной скорости изнашивания или интенсивнос-
ти изнашивания.
Скорость изнашивания — отношение значения износа к ин-
тервалу времени, в течение которого он возник. Различают мгно-
венную (в определенный момент времени) и среднюю скорость
изнашивания (за определенный интервал времени).
Интенсивность изнашивания — отношение значения износа к
обусловленному пути, на котором происходило изнашивание, или
объему выполненной работы. Различают мгновенную и среднюю-
интенсивность изнашивания.
Трение покоя — трение двух тел при микросмещениях до
перехода к относительному движению.
Трение движения — трение двух тел, находящихся в относи-
тельном движении.
Трение скольжения — трение движения, при котором скорости
тел в точке касания различны по величине и (или) направлению.
Трение качения — трение движения двух твердых тел, при
котором их скорости в точках касания одинаковы по величине в
направлению.
Сила трения — сила сопротивления при относительном пере-
мещении одного тела по поверхности другого под действием внеш-
ней силы, тангенциально направленная к общей границе между
этими телами.
Скорость скольжения — разность скоростей тел в точках ка-
сания при скольжении.
Коэффициент трения — отношение силы трения двух тел к
нормальной силе, прижимающей эти тела друг к другу.
ГЛАВА 2
ВНЕШНЕЕ ТРЕНИЕ И ИЗНАШИВАНИЕ ШЕРОХОВАТЫХ
ПОВЕРХНОСТЕЙ
2.1. КОНТАКТ ТВЕРДЫХ ТЕЛ
Для осуществления процесса трения двух твердых тел необхо-
димым условием является контакт их поверхностей или взаимо-
действие этих тел. Характер явлений, происходящих при контак-
те поверхностей твердых тел, определяется физико-механическими
свойствами и микрогеометрией этих поверхностей.
Физико-механические свойства поверхностных слоев деталей
существенно отличаются от объемных свойств материалов, из ко-
торых они изготовлены. На поверхности металлов, как правило,
имеются окисные пленки. Свойства материала в поверхностном
слое зависят от характера обработки. При обработке материала
режущим или абразивным инструментом на поверхности детали
образуется зона пластической деформации (наклеп), которая
имеет большую микротвердость и остаточные напряжения.
Поверхности деталей машин имеют неровности — шерохова-
' ормы (рис. 2.1).
Шероховатостью по-
верхности (ГОСТ 2789-73)
называют совокупность не-
ровностей с относительно
малым шагом I (2—800
мкм) и высотой /?тах (0,02 —
—400 мкм), образующих
рельеф поверхности детали
и рассматриваемых на опре-
деленной базовой длине
(80—8000 мкм). Для шеро-
ховатости 7/7?щах<50.
Волнистостью поверхности называют совокупность регуляр-
но повторяющихся неровностей с относительно большим шагом
— 50 ... 1000), превышающим принимаемую при измерении
шероховатости базовую длину. Здесь Нв — высота волны.
Макроотклонения (погрешности) формы имеют единичный, ре-
гулярно неповторяющийся характер с отношением шага к высоте,
^большим 1000 (выпуклость, вогнутость, конусность и т. д.).
Шероховатость поверхности характеризуется следующими па-
раметрами (одним или несколькими):
1. Среднее арифметическое отклонение профиля
гость, волнистость и макрооткло,нения
Рис. 2.1. Схема микрогеометрии поверхности
твердого тела:
1—- волнистость; 2—шероховатость; 3—макроотклонения
формы.
Ва —4-f I У(Х) | ИЛИ R« = 2 | У1 I . (2.1)
‘ 0 "1=1
где / — базовая длина (рис. 2.2), у—расстояние между любой точ-
кой профиля и средней линией профиля.
2. Высота неровностей профиля по десяти точкам
1 / 5 5 \
I 2I maxi + 2 I Щ mln I )» (2-2)
° \1=1 1=1 /
где Hi rain — соответственно высота выступов и впадин.
40
3. Наибольшая высота неровностей профиля Дтах (расстояние
между линией выступов профиля и линией впадин профиля в пре-
делах базовой длины).
4. Средний шаг неровностей профиля Sm.
5. Средний шаг неровностей профиля по вершинам S.
6. Относительная опорная длина профиля tp (отношение опор-
ной длины профиля к базовой длине):
. л
(2.3)
где р — уровень сечения профиля; bt — длина отрезков в пределах
базовой длины, отсекаемых на уровне р в материале выступов
профиля линией, эквидистантной средней линии.
Данные характеристики микро геометрии можно получить в
результате обработки профилограмм, представляющих собой увели-
ченный профиль шероховатой поверхности (рис. 2.3).
Кроме указанных шести стандартных характеристик шерохова-
тости по профилограммам, снятым в поперечном и продольном
направлениях, можно определить и дополнительные характеристики —
наибольшую высоту выступа Rp=Hr max (расстояние между линией
Рис. 2.3. Профило-
граммы поверхности
деталей (вертикаль-
ное увеличение в 40
раз больше горизон-
тального):
а — в поперечном направ-
лении; б — в продольном
направлении.
11
выступов и средней линией, рис. 2.2), средний радиус кривизны
вершин выступов г и средний угол наклона неровностей профиля <р.
Приведенный средний радиус кривизны вершин выступов г равен
(2.4)
где гп и гпР — средние значения радиусов кривизны вершин высту-
пов для поперечной и продольной профилограмм.
Пользуясь профилограммой, можно построить опорную кривую,
характеризующую распределение материала по высоте шероховатого
слоя (рис. 2.4). Для этого профилограмму разбивают на ряд гори-
зонтальных уровней, параллельных средней линии, затем суммиру-
ют участки, ограничивающие ширину выступов A/z на рассматрива-
емом уровне р.
Рис. 2.4. Схема по-
строения опорной
кривой.
(точнее начальная
быть аппроксими-
кривая
может
(2-5)
прсфиля (стандартная ха-
В относительных величинах опорная
ее часть от вершины до средней линии)
рована степенной функцией
- ^-4ЬН'-
' Ашах 7
Здесь tp — относительная спорная длина
рактеристика); а —сближение; Дтах — наибольшая высота неровнос-
ти профиля (стандартная характеристика); b, i — параметры опорной
кривой;
(2.6)
b — t V ' м = 9/ Rp 1
где tm — относительная оперная длина профиля по средней линии
(рассчитывают по грофилограмме); Rp — наибольшая высота высту-
па (расстояние от средней линии до вершины самого высокого
выступа). В первом приближении иногда принимают Др^-^-Дтах.
При контактировании деталей машин в результате волнистости
площадь контакта отличается ст номинальной (Ла), пятна контакта
12
группируются на вершинах волн на
отдельных участках, которые в со-
вокупности составляют контурную
площадь контакта (Дс). Фактической
площадью контакта (Лг) называют
площадь, на которой осуществляется
контакт микронеровностей, образую-
щих шероховатость поверхности
(рис. 2.5). Контурная площадь кон-
такта составляет 5—15% от номи-
нальной. Площадь фактического кон-
такта обычно мала—0,01—0,1 % от
номинальной площади. Размеры пятен фактического контакта, об-
разованных при дефомации отдельных микрозыступов, равны
3—50 мкм.
Отношение ра = называют номинальным давлением (где Л^—
™а
нормальная нагрузка), pc = -&--контурным давлением ирг=_— —
Аг
фактическим давлением.
Фактическую площадь контакта рассчитывают по контурной
площади
Рис. 2.5. Номинальная (Аа), кон-
турная (Ас) и фактическая (Аг
площади контакта поверхностей)
Так, например, для упругой деформации воля при <0,1 Нв
контурная площадь равна
Ае «= 2,2 Л°’14 (^)°’43 (9а М0,86. (2.8)
а контурное давление будет
рс = 0,45(-^У’43//4. (2.9)
Здесь Яв —высота волны; RB — рациус волны; 0а — упругая посто-
янная двух деформируемых поверхностей;
e. = e1+e1__g_i + -^, (2.Ю)
где р-! и (*3— коэффициенты Пуассона деформируемых поверхно-
стей; £( и Е2 — модули упругости деформируемых поверхностей.
Фактическое давление при упругой деформации выступов двух
шероховатых поверхностей рассчитывают по формуле
Л ~ о,61 №)0, V/4. (2.11)
13
при пластической деформации выступов
рг^рс-0,4 /5”, (2.12)
Г Рс
где // — микротвердость менее твердой поверхности. И, наконец,
при повторном нагружении пластически деформированных поверх-
ностей фактическое давление будет
(2.13)
где No — нормальная нагрузка при первом нагружении.
Под влиянием нагрузки в результате внедрения, пластическэй и
упругой деформации микронеровностей и волн происходит сближе-
ние поверхностей. Суммарное сближение поверхностей составит
hftIKH
Рис. 2.6. Зависимость сближе-
ния двух шероховатых поверх-
ностей от контурного давления
при первом (кривая 1) и пов-
торном (кривая 2} нагружении.
Й2=Й+ЙВ, (2.14)
где h — сближение за счет внедрения
и деформации микронеровностей; йв —
сближение в результате деформации
волн. На рис. 2.6 представлена зависи-
мость сближения от контурного дав-
ления.
Расчет сближения двух шерохо-
ватых поверхностей приближенно (без
учета волнистости) производится по
формуле
й^3,4/?а(^, (2.15)
с учетом волнистости
й2 = 3,4/?а (+1 Ж'85/?в'15 В°-3р°а3. (2.161
4 Pr ' г
Элементарные акты взаимодействия поверхностей, приводящие
к возникновению трения и износа, осуществляются, как уже отме-
чалось, на пятнах фактического контакта. Число пятен фактичес-
кого контакта можно рассчитать по формуле
(2-ю
где /<г — коэффициент, учитывающий характер контакта выступов;
для упругого контакта Кг=11, для пластического Кг=21.
Средняя площадь ДЛГ одного пятна контакта
длг = о,ззкгр0(^)°’33-
\ рт г
(2.18)
14
Среднее расстояние между пятнами контакта Sr
Sr=0,57(/<rrO-5 (-Й0'33. (2.19>
4 Рс'
От размера пятен контакта зависят размер частиц износа, вре-
мя взаимодействия на единичном контакте и температура, разви-
ваемая при трении. Среднее расстояние между пятнами факти-
ческого контакта влияет на частоту взаимодействия пятен при
трении.
Следует помнить, что фактическое давление"'рг на контакте
очень велико. Это часто приводит к пластической деформации
выступов. В ряде случаев в зоне контакта возникает ползучесть,
вследствие чего характеристики контакта во времени могут
изменяться при неизменности прилагаемой внешней нагрузки. Эти
так называемые реологические свойства контакта особенно сильно
проявляются с повышением температуры в зоне контакта.
2.2. КОЭФФИЦИЕНТЫ ВНЕШНЕГО ТРЕНИЯ
Силовое взаимодействие твердых тел при внешнем трении за-
висит от вида деформаций в зонах фактического контакта (упру-
гих, упруго-пластических и пластических) и от степени насыщен-
ности контакта. Взаимодействие твердых тел при упругопласти-
ческих деформациях изучено слабо. Поэтому рассмотрим, как
вычисляют коэффициенты внешнего трения покоя при упругих и
пластических деформациях в зонах контакта.
Упругий контакт имеет место, когда внедрение неровности бо- -
лее жесткого элемента пары трения (отношение сближения в-
контакте h к приведенному радиусу кривизны вершины выступа
г) равно
2,4(1-И2)2(^)2. (2.20)
Здесь значения ц, НВ и Е — для менее жесткого элемента пары
трения. ,
Упругий контакт может быть ненасыщенным и насыщенным..
Ненасыщенным контакт будет в том случае, если’число контакти-
рующих микронеровностей пт меньше числа неровностей на кон-
турной площади контакта пс, т. е. при пг < пс. При пг=пс контакт
считают насыщенным. Насыщенность контакта твердых тел зави-
сит от контурного давления, физико-механических^свойств поверх-
ностей трения и их микрогеометрии. ~
Для упругого контакта условие ненасыщенности имеет вид
п,<пс= 6-. (2.21)
15-
Коэффициент внешнего трения покоя для упругого ненасы-
щенного контакта можно рассчитать по формулам:
1 1
f f _ 2,4 т0 (1—р2) г 2 0,4 • 2,5 аг А 2
J J м “Г J л 1 -Г Р “Г 1
V (у — 1)К,Еhi Ki-i (м= — 1) /2
/м /д
ИЛИ
- /-т^туй?й)^ + ₽+;<д7Ь)(7-Р. <2-22>
где т0, р — фрикционные параметры, которые определяют величину
касательных напряжений, возникающих в результате минимолеку-
лярных взаимодействий; аг — коэффициент гистерезисных потерь
при растяжении-сжатии (определяют по справочникам); — кон-
станта интегрирования, зависящая от v (по справочникам).
Для упругого насыщенного контакта коэффициент внешнего
трения покоя равен
1 1 j
f__ f if __ 2,4 Tq (1 p2) м2/ r )z । о i ® ( ^max hr i is iT
+₽ + F~! [^-(v-l)eH] 2 ,
£[ме — (m—1)£H] 2 м2
/м /д
(2.23 )
гдег=-^2-------относительное сближение; ен =-------5------сближе-
Amax _ 1
(6м) м
ние, соответствующее моменту вхождения всех неровностей в
контакт.
Пластический контакт возникает, когда
5,4(1 -нтт2.
Пластический контакт также может быть ненасыщенным и
насыщенным. Ненасыщенный пластический контакт наблюдается
при контурных давлениях рс, определяемых по формуле
1415(^’[ «£«=£> ]i -0^. (2.24)
' (м61/>)м-1
Для пластического ненасыщенного контакта коэффициент внеш-
него трения покоя равен
/=/м+/д=7Й + Р + 0,554^-1) Ki (у-)\ (2.25)
/и /д
16
для пластического насыщенного контакта
/=/м+Л»^ + Н ^(7 F[V- (*-П Т ]^> <2'26)
v2
. /м /д
где hH — сближение, соответствующее переходу от ненасыщенного
к насыщенному контакту.
Пластический насыщенный контакт возможен в тяжелонагру-
женных узлах трения, посадках с натягом.
Учитывая, что для наиболее типичных видов обработки
0,55 v(v—1) «1 = 0,4, формулу (2,25) можно записать в более упро-
щенном виде:
/=^ + Р+°.4(гА- (2-27)
2.3. ФАКТОРЫ, ВЛИЯЮЩИЕ НА КОЭФФИЦИЕНТ ВНЕШНЕГО
ТРЕНИЯ
2.3.1. Нормальная нагрузка
С возрастанием нормальной нагрузки (контурного давления)
при упругом контакте молекулярная составляющая коэффициента
трения будет уменьшаться, а деформационная составляющая —
увеличиваться. В этом можно убедиться, заменив в формулах
(2.22, 2.23) сближение его значениями из формул (2.15, 2.16). Та-
ким образом, зависимость коэффициента трения от нагрузки при
упругом контакте будет определяться соотношением между его
молекулярной и деформационной составляющими. В наиболее об-
щем случае с увеличением нормальной нагрузки значение коэф-
фициента трения при упругом контакте проходит через минимум
(рис. 2.7).
Рис. 2.7. Зависимость коэф-
фициента трения от контур-
ного давления г.ри упругом
насыщенном (а) и ненасы-
щенном (б) контактах:
1 — аг = 0,125; 2 — аг = 0,1;
3 - 3 = 0,05; 4 — 3 = 0,03.
При пластическом' контакте коэффициент трения незначитель-
но возрастает с увеличением контурного давления (нормальная
нагрузка), в чем .можно убедиться, подставив в формулы (2.25,
2.26) значение h из формул (2.15, 2.16). Графики изменения ко-
2—796
,17
эффициента трения от изменения контурного давления при плас-
тическом контакте представлены на рис. 2.8.
Рис. 2.8. Зависи-
мость коэффици-
ента трения от
контурного давле-
ния при пласти-
ческом ненасы-
щенном (а) и насы-
щенном (6) кон-
тактах при /м=0,1.'
1 - Д = 0,02; 2 — д =
=0,05; .3—л = 0,1;
4— л = 0.2.
2.3.2. Шероховатость поверхности
При контактировании твердых тел неровности более жесткого
тела внедряются в поверхность менее жесткого тела. При этом
более жесткое тело деформируется значительно меньше, чем. ме-
нее жесткое. Поэтому деформацией более жесткого тела можно
пренебречь и при рассмотрении влияния на коэффициент трения
шероховатости поверхности учитывать шероховатость поверхнос-
ти более жесткого тела.
Различают исходную шероховатость поверхности (полученную
в процессе обработки поверхности) и установившуюся (равновес-
ную) шероховатость, которая создается на поверхностях контак-
тирующих тел в процессе трения и зависит от условий работы
пары.
Для оценки шероховатости поверхности в последнее время
предложен комплекс Д, равный
Рис. 2.10. Зависимость коэф-
фициента трения при пласти-
ческом контакте от шерохо-
ватости поверхности (комп-
лекса Д):
7--^- = 510-3; 2-££. = ю'"2.
Рис. 2.9. Зависимость коэффи-
циента трения при упругом
контакте от шероховатости
поверхности (комплекса Д).
18
Путем преобразований формул (2.22), (2.23), которые здесь
не приводятся, получим, что при упругом контакте с возрастанием
комплекса А молекулярная составляющая коэффициента трения
уменьшается, а деформационная составляющая увеличивается.
Значение коэффициента трения при упругом контакте с возраста-
нием комплекса А проходит через минимум (рис. 2.9).
Шероховатость поверхности, соответствующая минимальному
коэффициенту трения, называется оптимальной.
При пластическом контакте с увеличением шероховатости ко-
эффициент трения возрастает (рис. 2.10).
2.3.3. Механические свойства контактирующих
материалов
Наибольшее влияние на коэффициент трения оказывают меха-
нические свойства менее жесткого элемента трущейся пары. При
упругом контакте на величину коэффициента трения влияет мо-
дуль упругости Ео менее жесткого элемента пары трения (см.
формулы 2.22 и 2.23). С увеличением модуля упругости коэффи-
циент трения уменьшается (рис. 2.11).
1’ис. 2.11. Зависимость коэффи-
циента трения от модуля уп-
ругости при упругом ненасы-
щенном (а) и насыщенном (<Т)
контактах:
/-3 = 0,05; 2-3 = 0,01.
При пластическом контакте основную роль играет твердость
///’с (см. формулы 2.25, 2.26). С увеличением твердости коэффи-
циент трения уменьшается (рис. 2.12).
Рис. 2.12. Зависи-
мость коэффици-
ента трения от
твердости при
пластическом не-
насыщенном (а) и
насыщенном (ff)
контактах:
7—3=0,05; 2-3=0,01.
19
2.3.4. Температура контактирующих тел
В настоящее время еще не получен однозначный ответ «а воп-
рос о характере влияния температуры на величину коэффициента
трения. Однако преобладает мнение, что молекулярная состав-
ляющая коэффициента трения с увеличением температуры в паре
трения уменьшается, а деформационная составляющая возраста-
ет. В общем случае с увеличением рабочей температуры величи-
на коэффициента трения проходит через минимум.
2.3.5. Скорость скольжения
Все рассмотренные ранее соотношения касались оценки коэф-
фицента трения покоя. Величина коэффициента трения движения
во многом отличается от величины коэффициента трения покоя и
значительно изменяется при изменении скорости. Однако, как
отмечает И. В. Крагельский, до сих пор нет удовлетворительной
теории кинетического трения. В этой связи наибольший интерес
представляет предложенная им эмпирическая формула зависимос-
ти силы трения от скорости скольжения:
Рис. 2.13. Зависимость коэф-
фициента трения от скорости
скольжения:
F ьф-|- bv) e~cv + d, (2.28)
где а, b, с, d — коэффициенты; v —
скорость скольжения.
В зависимости от соотношения
между a, b, с, d формула (2.28) имеет
графическое отображение, представ-
ленное на рис. 2.13. Анализ данных
кривых показывает,
что при средней
нагрузке с увеличением скорости
скольжения величина коэффициента
Z—при малой нагрузке; 2, 3 — при
средней нагрузке; 4— при значитель-
ной нагрузке.
трения проходит через максимум, при-
чем при увеличении давления (кривая
3) максимум соответствует меньшему
значению скорости.
2.4. МЕТОДИКА ВЫЧИСЛЕНИЯ КОЭФФИЦИЕНТА ТРЕНИЯ
Деформационную составляющую коэффициента трения /д вы-
числяют по механическим характеристикам менее жесткой детали
пары трения, по параметрам микро геометрии поверхности более
жесткой детали и величине контурного давления в паре трения.
Молекулярную составляющую /м определяют экспериментальным
путем.
Для экспериментального определения /м применяют способ,
позволяющий исключить или свести к пренебрежительно малой
20
Рис. 2.14. Схема определе-
ния /м.
величине деформационную составляющую силы трения. Этот спо-
соб заключается в следующем (рис. 2.14). Шарик 1 правильной
геометрической формы, изготовленный
из материала более твердого, чем ма-
териалы трущейся пары, и обработанный
до очень малой шероховатости поверх-
ности (до значений Ra = 0,02 мкм и
чище), сдавливают между двумя пло-
скопараллельными образцами 2 силой
/V и вращают относительно оси симме-
трии. Для удобства шарик запрессо-
вывают в оправку 3. Сила трения F,
замеренная при вращении шарика, будет
практически совпадать с молекулярной
составляющей По моле-
кулярной составляющей силы трения
определяют молекулярную составляющую коэффициента трения /м.
На практике в инженерных расчетах встречаются задачи двух '
типов — прямая и обратная. В прямой задаче по заданным ма-
териалам и характеристикам поверхностей пары трения и режи-
му ее работы требуется определить коэффициент внешнего тре-
ния, в обратной задаче — по требующемуся в узле коэффициенту
Iрения подобрать материалы и характеристики поверхностей па-
ры трения и режим ее работы.
Необходимые вычисления рекомендуется производить в сле-
дующем порядке.
Прямая задача:
1. Определить механические характеристики контактирующих
поверхностен (по справочникам или путем испытаний).
2. Найти характеристики шероховатости поверхностей трения
(по профилограммам или по справочникам).
3. Определить /м (по методике, изложенной выше, или по
справочникам).
4. Определить контурное давление рс по формулам типа (2.9)
фактическое давление рг по формулам типа (2.11, 2.12, 2.13),
используя справочники.
5. Определить сближение h по формулам (2.14, 2.15, 2.16).
6. Определить тип контакта (упругий или пластический),
пользуясь формулами (2.20, 2.20а).
7. По формулам (2.21, 2.24) определить состояние насыщен-
ности контакта.
8. Используя для соответствующего случая одну из формул
('.'22, 2.23, 2.25 или 2.26), вычислить коэффициент трения.
Обратная задача:
1. Применительно к данным условиям работы ориентировочно
21
(по справочнику) определить молекулярную составляющую коэффи-
циента трения /м и материалы, обеспечивающие работу узла трения.
2. Определить контурное давление рс по формулам типа (2.9)
и фактическое давление рг по формулам .типа (2.11, 2.12, 2.13),
пользуясь справочниками.
3. Определить сближение h по формулам (2.14, 2.15, 2.16).
4. Определить тип контакта (упругий или пластический),
пользуясь формулами (2.20, 2.20а).
5. По формулам (2.21, 2.24) определить состояние насыщен-
ности контакта.
6. Применительно к полученным результатам, варьируя значе-
ниями параметров микрогеометрии поверхности и контурными
давлениями для данного типа контакта, добиться требуемого ко-
эффициента трения, используя одну из формул (2.22, 2.23, 2.25
или 2.26).
7. На основании полученных данных уточнить контурные дав-
ления рс.
8. По уточненным контурным давлениям, пользуясь формула-
ми типа (2.9, 2.10, 2.11, 2.12), а также (2.14, 2.15), определить
параметры шероховатости (#а) и волнистости поверхности (Нв, RB)
и выбрать вид обработки, обеспечивающей получение этих пара-
метров.
В инженерной практике для решения как прямой, так и об-
ратной задач пользуются также специально составленными но-
мограммами, помещенными в справочной литературе.
2.5. ИЗНАШИВАНИЕ ШЕРОХОВАТЫХ ПОВЕРХНОСТЕЙ ПРИ
ТРЕНИИ
2.5.1. Общая характеристика процесса изнашивания
и классификация видов изнашивания
Изнашивание поверхностей трения обычно проявляется в отде-
лении частиц материала, размер которых изменяется в пределах от
долей микрона до нескольких микронов (мкм). Отделение этих
частиц подготавливается многократным воздействием нагрузок и
температурных импульсов на единичные неровности, в результате
чего накапливаются необратимые изменения, возникает неоднород-
ность структуры и напряженного состояния, появляются трещины,
которые, смыкаясь, образуют частицы износа. Такое представление
о процессе изнашивания дает усталостная теория изнашивания,
базирующаяся на молекулярно-механической теории трения. В
соответствии с ' усталостной теорией изнашивание поверхностей
рассматривается как результат нарушения фрикционных связей
(единичных пятен касания). Характер нарушения фрикционных свя-
22
зей зависит от ряда факторов, из которых основными являются
отношение глубины внедрения (или величины сближения в контак-
те) h к радиусу единичной неровности (у-) и отношение танген-
циальной прочности молекулярной связи т к пределу текучести
материала основы ат (•
Величина у---геометрическая характеристика, позволяющая раз-
личать упругий контакт, пластический контакт и микрорезание, а
величина -----’физико-механическая характеристика материала ос-
новы.
При внешнем трении нарушение фрикционной связи происхо-
дит по поверхности раздела двух тел или по пленкам, покрываю-
щим эти тела. Если нарушение фрикционной связи происходит не
по поверхности раздела двух тел, а в глубине основного материа-
ла, внешнее трение переходит во внутреннее.
И. В. Крательский в предложенной им классификации для ус- -
тановившегося движения в условиях трения без смазки и при
|раничной смазке различает пять видов нарушения фрикционной
связи (рис. 2.15):
Характер деформиро- вания Упругое оттеснение Пластическое оттеснение (передеформи- рование) Микрорезание Адгезионное нарушение (разрушение схватывающих- ся пленок) Когезионный отрыв (глубинное вырывание)
Схема
Число ииклов(п), приводящих к разрушению ос ново! 1<П< оо п—1 Л— ОО п—1
Условие осущест- вления h/R <0,01- для черных металлов-, h/R<0,DOOf- для цветных металлов h/R>0,01- для черных металлов; h/R>OflOOf- для цветных металлов Я h/R^ dr/dh>0 dr/dh< 0
Гис. 2.15. Основные характеристики фрикционных связей по И. В. Крагель-
скому.
23
1) упругое оттеснение материала выступами контртела, кото-
рое встречается, когда напряжения в зоне контакта не превыша-
ют предела текучести. Разрушение материала (износ) в этом
случае происходит в результате усталостных явлений;
2) пластическое оттеснение материала, которое происходит,
если контактные напряжения достигают предела текучести, но
материал обтекает внедрившиеся выступы контртела. Износ в
этом случае будет результатом малоциклового пластического пе-
редеформирования (малоцикловая фрикционная усталость). Ус-
ловия возникновения упругого или пластического оттеснения в
определенной степени характеризуются ранее изложенными пред-
ставлениями об упругом и пластическом контакте (см. формулы
2.19, 2.23);
3) микрорезание, которое происходит при достижении контакт-
ными напряжениями или деформациями разрушающих значений
(нарушается режим обтекания выступов деформируемым мате-
риалом). Износ происходит при однократном акте взаимодейст-
вия;
4) адгезионное нарушение фрикционной связи (разрушение схва-
тывающихся пленок); оно не приводит непосредственно к разру-
шению, но влияет на величину действующих на кснтакте напряже-
ний и деформаций, т. е. сопутствует усталостным процессам.
Адгезионное нарушение происходит при прочности пленки, мень-
шей прочности основного материала, т. е. при положительном
„ dt . п
градиенте механических свойств > 0;
5) когезионный отрыв, который возникает если прочность фрик-
ционной связи (прочность пленки) выше прочности основного
материала, т. е. при отрицательном градиенте механических’свойств
< 0. В этом случае износ происходит в результате глубинного
вырывания при однократном воздействии.
При микрорезании и когезионном отрыве износ максимальный,
а при упругом контакте — минимальный.
Необходимо отметить и другие классификации процессов из-
носа.
Первая классификация была предложена Бринелем в 1921 г.
В зависимости от кинематического признака и наличия прослой-
ки между поверхностями он различал следующие виды изнаши-
вания:
1) при трении качения со смазкой;
2) при трении качения без смазки;
3) при трении скольжения со смазкой;
4) при трении скольжения без смазки;
5) между двумя твердыми телами;
24
6) с разделением твердых тел промежуточным шлифующим
порошком.
М. М. Хрущов предложил классификацию видов износа, в ос-
нове которой лежат служебные признаки и характер основных
явлений, определяющие эффект изнашивания. Он делит виды из-
нашивания на следующие группы:
1) механическое изнашивание:
а) абразивное изнашивание;
б) изнашивание вследствие пластического трения;
в) изнашивание при хрупком разрушении;
г) усталостное изнашивание;
2) молекулярно-механическое изнашивание (при окислении
кислородом воздуха);
3) коррозионно-механическое изнашивание (при окислении
кислородом воздуха);
4) кавитационное изнашивание.
Б. И. Костецкий классифицирует виды изнашивания деталей
машин по главным процессам, протекающим в поверхностных
слоях металла трущихся пар: пластическим деформациям, упроч-
нению, возникновению металлических связей и разрушению их,
адсорбции, диффузии и образованию химических связей, нагреву
и изменению свойств металлов в результате тепловых явлений,,
резанию и усталостным явлениям.
По Костецкому вид износа определяется процессом, который,
протекает с максимальной скоростью и становится преобладаю-
щим. Основными видами изнашивания деталей машин он счита-
(I схватывание первого рода, окислительное, тепловое (схваты-
вание второго рода), абразивное, осповидное (усталостное).
Б. И. Костецкий делит все процессы разрушения на нормаль-
ные (теоретически неизбежные и практически допустимые) и па-
।((логические явления повреждаемости (не допустимые при рабо-
1с машин):
1. Допустимые виды изнашивания:
а) окислительный износ;
б) износ пленок некислородного происхождения;
-в ) абразивный износ без снятия стружки и без царапания..
2. Повреждения (недопустимые виды изнашивания):
а) схватывание;
б) абразивный износ со снятием стружки и царапанием;
в) усталостное повреждение;
г) фреттинг-процесс;
д) смятие;
е) коррозия;
ж) кавитация.
О процессе разрушения поверхностного слоя деталей М. М. Те-
. 25
.яенбаум судит по характеру единичных разрушений, следы кото-
рых в той или иной мере сохраняются на изношенной поверхнос-
ти. Он, как и Б. И. Костецкий, считает, что на разных участках
поверхности могут наблюдаться различные виды изнашивания,
однако практическое значение имеет один процесс, протекающий
с большей скоростью.
М. М. Тененбаум различает следующие виды разрушения по-
верхностного слоя деталей при их изнашивании: разрушение ма-
териала путем среза, путем отрыва, усталостное разрушение ма-
териала и полидеформационный процесс разрушения материала.
•Он считает, что разрушению поверхностного слоя предшествуют
процессы разупрочнения, которые подразделяются на механиче-
ские, тепловые, химические и адсорбционные.
М. М. Тененбаум предлагает классификацию процессов изна-
шивания в соответствии с 16 видами фрикционных контактов
(рис. 2.16):
I — в условиях гидродинамического или гидростатического
.поддерживающего эффекта жидкой смазки;
Рис. 2.16. Классификация процессов изнашивания по М. М. Тененбауму.
26
II — в условиях газовой смазки;
III — в условиях граничной смазки;
IV — при сухом трении (спорадическое схватывание, заеда-
ние, окислительный износ);
V — при сухом трении или граничной смазке в условиях ос-
циллирующего движения сопряженных деталей (фреттинг-корро-
зия);
1/ 7 — в условиях циклического действия контактных напряже-
ний при трении качения (питтинг, осповидный износ, полидефор-
мационный процесс разрушения);
VII — в условиях соударения тел (усталостный или полиде-
формационный процессы изнашивания, изнашивание при крупном
разрушении поверхностного слоя);
VIII — при трении о монолитный абразив (закрепленный аб-
разив) ;
IX — при перемещении деталей в абразивной массе;
X — при трении скольжения сопряженных поверхностей и на-
личии между ними абразивных частиц;
XI — при трении качения и наличии абразивных частиц;
XII — в результате механического действия твердых частиц,
перемещаемых потоком жидкости (гидроабразивный вид изнаши-
вания, коррозионно-механический процесс изнашивания);
XIII — в результате механического действия твердых частиц,
перемещаемых потоком газа (газоабразивная эрозия);
XIV — в условиях циклического действия локальных гидрав-
лических ударов (кавитационный вид изнашивания, кавитацион-
ная эрозия).;
ХУ — под действием высокоскоростного потока жидкости (ще-
левая эрозия);
XVI — под действием высокоскоростного потока газа (газовая
эрозия).
Наряду с вышеуказанными существует классификация
III. М. Билика. Ш. М. Билик применительно к пластмассам при-
водит следующие механизмы истирания: 1) псевдоупругий; 2) вол-
нообразный; 3) пластичный; 4) абразивный; 5) комбинирован-
ный. Ш. М. Билик различает механизмы истирания в зависимос-
। и от' устанавливающейся микрогеометрии поверхности трения
пластмасс. Он считает, что даже при небольших касательных си-
лах часть упругих напряжений в материале снимается в резуль-
1 ате пластических деформаций поверхностных неровностей, т. е.
упругого механизма истирания для пары сталь —пластмасса не
существует, упругое контактирование поверхностей всегда сопро-
вождается пластической деформацией, преимущественно пласт-
массы. И этот механизм истирания он называет псевдоупругим.
27
Комбинированным механизмом истирания Ш. М. Билик счита-
ет совмещение упругого, волнообразного, пластичного и абразив-
ного механизмов истирания.
Таким образом, процесс изнашивания является кумулятивным,
т. е. суммирующим действие отдельных факторов (механических
и химико-физических) при повторном нарушении фрикционных
связей до отделения частицы износа.
2.5.2. Расчет интенсивности изнашивания
Линейная интенсивность изнашивания определяется как объ-
ем материала, удаляемый с единицы номинальной поверхности на
единичном пути трения, т. е. ,
7=^, (2.29)
где 77б — объем материала, удаляемый на пути трения L.
Так как в самом деле материал удаляется лишь с фактической
площади касания, то по аналогии с (2.29) определяем удельную
интенсивность изнашивания (в результате одного взаимодействия
неровностей)
- (2.30)
где ud — объем материала, удаляемый с площади Аг при сдвиге
на пути d (в результате одного акта взаимодействия неровностей);
d — средний диаметр пятна касания.
Разделим (2.29) на (2.30)
dAr
th
Если износ будет идти
изношенные объемы будут
равномерно во времени, то, очевидно,
пропорциональны путям трения, т. е.
= _£ ud d ' (2.32)
Подставив (2.32) в (2.31), получим (2.33)
Зная, что ра = N N -т- и рг= —- , запишем г; N Ра Ра h Pr X h Рг ' (2.34)
Если за один акт взаимодействия неровностей удаляется объем
материала ttd, то за п циклов (актов взаимодействия) удаляется
объем
Uv = n.ud. (2.35)
28
Путем моделирования шероховатой поверхности набором ша-
ровых сегментов можно получить (приводим-без вывода) зависи-
мость для расчета Uv
U„ . (2.36)
Подставив (2.35) и (2.36) в (2.30), получим
. __ h
lh ~ {y+\)dn '
(2.37)
С учетом геометрической конфигурации и расположения по
высоте единичной неровности основное уравнение для расчета
интенсивности изнашивания примет вид
/=#ta/А • ±, (2.38)
где Кг=0,2 — множитель, определяемый геометрической конфигу- .
^4
рацией и расположением неровностей по высоте; а = -^-—коэффи-
циент перекрытия.
Это уравнение интенсивности изнашивания для упругого кон-
такта (для инженерных расчетов) запишется так:
а) при контактировании шероховатых неприработанных поверх-
ностей без волнистости (ра=Рс) z
I ^K2^KtvPa+. (2.39)
Ч J.
Здесь 7G = O,5 У -22v #t; (2.40)
б) при контактировании шероховатых и волнистых неприрабо-
ганных поверхностей (ра=/= рс)
ty 2ty (5v+2) v/y 2/y t
I = K3aKtvPa + ^+"E yt (2.41)
' mb ' X Oq /
где #3=#2-0,22ч+1 ; (2.42)
в) при контактировании приработанных поверхностей, у которых
установилась равновесная (или даже оптимальная) шероховатость,
< амовоспроизводящаяся в процессе изнашивания,
2<у ty j
I = -15 s aKtvpaE~~\~^№ty . (2.43)
х °о z
аг 2
29
В формулах (2.39 — 2.43) обозначено:
1 — интенсивность изнашивания; а= — коэффициент перекрытия;
Ktv — поправочный коэффициент (по справочникам); ра — номиналь-
ное давление; Е — модуль упругости; /у — параметр кривой фрик-
J ft
ционной усталости (определяется по справочникам); А = ——
комплексная характеристика шероховатости; г—приведенный радиус
неровностей; b, v — параметры опорной кривой; /Ув — высота вол-
ны; Рв— радиус волны; /м—молекулярная составляющая коэффи-
циента трения; — множитель, определяемый геометрической
конфигурацией и расположением неровностей по высоте; а0 — раз-
рушающее напряжение при растяжении; т0 — сдвиговое сопротивле-
ние при экстраполяции нормального давления к нулю; аг — коэффи-
циент гистерезисных потерь; К — поправочный коэффициент^ (по
справочникам).
Для пластического контакта интенсивность изнашивания, как
правило, не рассчитывается (хотя и имеются эмпирические соот-
ношения для этой цели), так как считается, что необходимо во
всех случаях обеспечивать упругое контактное взаимодействие
тел. Большей частью это происходит самопроизвольно в резуль-
тате приработки поверхностей, приводящей к изменению конфи-
гурации контактирующих неровностей и расположения их по вы-
соте.
Интенсивность изнашивания на практике меняется в широких
пределах — от 10~3 до 10-12. Различают десять классов износо-
стойкости:
О, I, II, III, IV, V — интенсивность изнашивания изменяется в
пределах от 10~12 до KW (упругий кон-
такт) ;
VI, VII — интенсивность изнашивания изменяется
в пределах от 10~7 до 10~5 (упругопласти-
ческий контакт);
VIII, IX — интенсивность изнашивания изменяется
в пределах от 10~5 до 10-3 (микроре-
зание).
2.6. ФАКТОРЫ, ВЛИЯЮЩИЕ НА ИНТЕНСИВНОСТЬ ИЗНАШИВАНИЯ
2.6.1. Нормальная нагрузка
Из уравнений (2.39, 2.41, 2.43) видно, что нормальная нагрузка
(номинальное давление) нелинейно влияет на износ для неприрабо-
тайных поверхностей: / и линейно для приработанных
поверхностей: 1^ра. В общем случае I = р^-л, что хорошо!
30
согласуется с многочисленными лабораторными исследованиями и
с опытными данными эксплуатации деталей машин.
2.6.2. Шероховатость и волнистость поверхности
Влияние микрогеометрии поверхности на интенсивность изнаши-
вания значительно. Поскольку комплексный критерий шероховатости
^?тах
rb^
меняется в пределах 10-3 < А < 1, а показатель степени.
при А (см. формулы 2.39, 2.41) лежит в пределах 0,8 — 4 (для
большинства поверхностей vss:2, параметр фрикционной усталости
2 < ty < 10), то изменение микрогеометрии может менять интенсив-
ность изнашивания в несколько порядков.
Отношение параметров волнистости обычно лежит в пределах
I I II
10~3 > > 10~6, а показатель степени при (см. формулу 2.41)
лежит в пределах 0,16 — 0,8. Поэтому с увеличением отношения.
Ив
интенсивность изнашивания уменьшается.
АВ
В случае изнашивания приработанных поверхностей исходная
микрогеометрия трущихся поверхностей не влияет на интенсив-
ность изнашивания (см. 2.43).
2.6.3. Механические свойства контактирующих материалов
Показатель степени при модуле упругости Е находится в
пределах 0,6—7 (формула 2.39), 1,9—9,6 (формула 2.41) и от —1
до -j-4 (формула 2.43). С увеличением модуля упругости Е (для
материалов с одинаковыми прочностными свойствами) интенсив-
ность изнашивания возрастает, причем весьма значительно.
С возрастанием разрушающего напряжения о0 и параметра
фрикционной усталости /у, а также с повышением твердости ин-
тенсивность изнашивания снижается. Более подробно влияние
твердости рассматривается при изучении абразивного изнашивания
(см. ниже).
Так как между модулем упругости Е и прочностными харак-
теристиками (<j0, ty) имеется связь, однозначную зависимость между
модулем упругости и интенсивностью изнашивания или между
величинами <з0 и ty и интенсивностью изнашивания эксперимен-
тально установить затруднительно.
Свойство несовершенной упругости учитывают коэффициентом,
гистерезисных потерь at.
2.6.4. Фрикционные свойства сопряжения
С уменьшением коэффициента трения интенсивность изнаши-
вания уменьшается:
7«/му. (2.44)’
ЗЬ
Этим объясняется частично й тот факт, что применение смазки
сильно снижает /м и тем самым значительно уменьшает износ.
Однако влияние коэффициента трения на износ неоднозначно, так
как изменение коэффициента трения влечет за собой изменение
температуры узла трения, а температура, в свою очередь, влияет
на механические свойства трущихся поверхностей.
Влияние силы молекулярного взаимодействия на интенсивность
изнашивания приработанных поверхностей учитывается сдвиговым
сопротивлением т0 (см. формулу 2.43). Чем меньше т0, тем мень-
ше интенсивность изнашивания. Поэтому введение смазки снижает
интенсивность изнашивания.
2.6.5. Температурно-скоростной фактор
Влияние скорости скольжения на интенсивность изнашивания
изучено еще недостаточно. От скорости скольжения зависят мощ-
ность тепловыделения и температура узла трения, последняя влияет
на механические и фрикционные свойства изнашивающихся поверх-
ностей, ведет к структурным изменениям в поверхностных слоях.
Поэтому износ поверхностей в результате воздействия темпера-
турно-скоростного фактора рассматривают как следствие зависимости
ют температуры тех свойств материалов, характеристики которых
дошли в
расчетные
I, см3/см
' ff5' -
Рис. 2.17. Зависи-
мость интенсивности
изнашивания от на-
грузки для стали (ско-
рость относительного
скольжения v —
= 2,6 м/с).
Г -
уравнения (2.39, 2.41, 2.43), т. е. Е, а0, fM, fy.
Модуль упругости материалов Е с повышением
температуры незначительно снижается, разру-
шающее же напряжение а0 уменьшается более
существенно. Влияние температуры на /м и ty
неоднозначно и до настоящего времени еще
недостаточно изучено. Экспериментально уста-'
новлено, что зависимость интенсивности изна-
шивания от температурно-скоростного (точнее
температурно-нагрузочно-скоростного) фактора,
определяющего тепловыделение в контакте,
имеет так называемые критические точк)
(рис. 2.17). При достижении на контакте опре
деленных температур происходят качественны
изменения механических и фрикционных свойст:
поверхностных слоев материалов, при к<
торых интенсивность изнашивания может ска
ком меняться на несколько порядков.
2.7. ТЕМПЕРАТУРА ПРИ ТРЕНИИ
При относительном скольжении двух тел
тонком поверхностном слое образуется те:
ло, которое может привести к местному ра
мягчению и расплавлению материала. Те
.32
ло распространяется от пятен контакта в глубь обоих контакти-
рующих тел, причем тепловые потоки распределяются в зависимо-
сти от теплофизических свойств контактирующих тел, их размеров
п условий теплоотвода.
Передача тепла идет по нормали к изотермической поверхнос-
ти от мест с большей температурой к местам с меньшей темпера-
турой (рис. 2.18). Интенсивность теплового потока зависит от
работы силы трения и величины площади,- на которой осущест-
вляется эта работа.
Если теплопроводность первого и второго контактирующих тел
и Л2, то общее количество тепла Q, образующегося в зоне тре-
ния, распределяется между телами, т. е. Q = Qi+Q2- Соотношение
юпловых потоков можно представить в виде
Q? =
Qi V~aa ’
(2.45)
где ах = — коэффициент относительной теплопроводности тел;
/„ — коэффициент, характеризующий теплоинерционные свойства
первого тела относительно второго, i
Зависимость (2.45) получена для двух соприкасающихся огра-
ниченных тел, имеющих тепловую изоляцию с боковых сторон. В
действительности происходит теплоотдача в окружающую среду.
С учетом теплоотдачи при линейном тепловом потоке коэффи-
циент распределения теплового потока, показывающий, какая
часть теплового потока направляется на одно из контактирую-
щих тел (на второе тело), запишется так:
•/ Л<з'
у/ я<з' + -/рс V
(2.46)
а — 1 —
где а' — коэффициент теплоотдачи в окружающую среду; р — плот-.
иость материала второго тела; с — удельная теплоемкость второго
юла; v — скорость скольжения.
Рис. 2.18. Схема передачи
п’пла при контактировании
двух шероховатых поверх
иостей (Пр п1 , п 2, /?2
"з- п3’ п4’ п4 — единичные
нормали).
На условие теплоотдачи решающее значение оказывает коэф-'
фициент взаимного перекрытия, представляющий собой отношение
площадей трения контактирующей пары. Если два кольцевых образца
грутся торцами, то коэффициент взаимного перекрытия (/Свз) равен
3-796
33
в . 5
Рис. 2.19. Коэффициенты
взаимного перекрытия
л — Квз “1; б Квз ~ 0.
Qi
<?а
1, при-этом тепло, генерируемое в зоне
трения, проникает вглубь и рассеивается
с торцевой поверхности (рис. 2.19, а).
Если по диску трется пальчиковый обра-
зец, можно считать, что Квз^0, при
этом основная часть тепла рассеивается
в окружающую среду, оставляя поверх-
ность диска почти холодной (рис. 2.19, б).
Если размер тел в направлении нор-
мального линейного теплового потока
больше эффективной глубины проникно-
вения тепла, то часть теплового потока,
идущая в первое тело, будет равна
1- а = 1 + Кв3«2с2 ’ <2’47)
а1с1
где и а3—температуропроводности тел;
с, и с2 — удельные теплоемкости тел.
С учетом граничной масляной плен-
ки отношение тепловых потоков составит
А + А.
2Х' Х2 а
h . Zi 1—а ’
2XZ Х|
(2.48)
где h — толщина граничного смазочного слоя; X' — коэффициент
теплопроводности смазки; X, и Х2 — коэффициенты теплопроводнос-
ти трущихся тел; и Za — размер тел в направлении нормального
теплового потока (толщина тел).
При трении различают:
— температуру вспышки на единичном пятне;
— суммарную температуру на поверхности трения;
— среднюю объемную температуру.
На единичных пятнах касания (время существования такого
пятна касания 10~7—10~8 секунд) возникают температурные
вспышки значительной величины (700°С и более).
Температура единичного пятна контакта может быть опреде-
лена по формуле
, — Зв 1 f VP
е,п 4л ’ Xj-j-Xa * Са ’
(2-49)
где 6 — средняя интегральная температура на контакте (табличная
в зависимости от ); а, Ь — малая и большая полуоси эллипса
34
давления в пятне касания (по Герцу); /—коэффициент трения;
D — скорость скольжения; р — давление; G — механический экви-
валент тепла.
Суммарная температура на поверхности трения
Zs = ie.n 4- • (2.50)
Здесь tA — температура от равномерно распределенного по всей
номинальной площади теплового потока;
/ с, 'Л \
. tA = tv [ 0,855 + 0,353 Ц-Р-) > (2.51)
где tv— средняя объемная температура в теле; сх — удельная теп-
лоемкость материала тела; — параметр опорной кривой (характе-
ристика микрогеометрии); bt — толщина трущегося тела; —
коэффициент теплопроводности тела; — время (продолжитель-
ность) процесса трения.
Объемная температура трущегося тела рассчитывается по
формуле
^ = ££(1- ), (2.52)
OGq X /
где G — механический эквивалент тепла; q — интенсивность источ-
ника тепла; S —площадь поверхности источника тепла; а0—коэффи-
циент теплообмена с внешней средой; с — удельная теплоемкость;
t — время (продолжительность) процесса трения.
В свою очередь
где f — коэффициент трения; N — нагрузка; v — скорость сколь-
жения; А — площадь единичного пятна касания.
Высокие температуры при трении могут привести к схватыва-
нию поверхностей с последующим вырывом материала (явление
заедания).
В общем виде отсутствие заедания определяется неравенством
h < iKP , (2.54)
где h — суммарная температура на поверхности трения; /кр —
критическая температура, при которой возникает заедание.
В энергонагруженных узлах трения, в которых выделяется
большое количество тепла, под действием тепловых импульсов в
материале возникает температурный градиент, вызывающий по-
явление температурных напряжений. Хрупкие и пластические ма-
териалы по-разному реагируют на тепловые напряжения: хрупкие
выдерживают кратковременные нагрузки; пластические могут
35
выдерживать различные, в том числе и длительные, нагрузки без
разрушения. Необходимо отличать разрушение материала при теп-
ловом напряжении, возникшем при единичном тепловом импуль-
се, от тепловой усталости, при которой материал разрушается не
в результате единичного цикла, а от повторных тепловых напря-
жений.
Сопротивление материалов разрушению от единичного тепло-
вого импульса оценивается величиной сопротивления тепловому
импульсу S:
S = ^->1, (2.55)
где а0 — сопротивление трещинообразованию; а — максимальное
тепловое напряжение.
Число циклов п воздействия тепловых импульсов, которое
может выдержать материал без разрушения, зависит от величины
сопротивления тепловому импульсу S:
п=ет(8-1) (при S > 1), (2.56)
где т — положительное число, определяемое экспериментально.
Сопротивление тепловому импульсу зависит от свойств мате-
риала, формы образца, режима трения и условий теплоотдачи.
Тепловые напряжения в поверхностном слое при трении за-
частую выше механических. В результате тепловых напряжений,
как разовых (тепловых импульсов), так и повторных, на поверх-
ностях трения могут возникать трещины (волосовины), которые
затем развиваются вглубь и могут вызвать разрушение детали.
Поэтому необходимо проводить расчеты на тепловые напряжения
узлов трения, особенно энергонагруженных.
2.8. ТРЕНИЕ КАЧЕНИЯ
2.8.1. Характер взаимодействия контактирующих тел
Трением качения называют трение движения двух твердых
тел, при котором их скорости в точках касания одинаковы по ве-
личине и напряжению.
Если цилиндр (колесо) катится по неподвижной плоскости
(рис. 2.20) так, что при повороте его на угол <р ось колеса сме-
щается на величину Ry (R— радиус колеса), то такой вид
движения называют чистым качением, или качением без про-
скальзывания. При этом точка Oi колеса, соприкасающаяся с
плоскостью, неподвижна, а скорости всех других точек колеса та-
ковы, как если бы оно в данный момент поворачивалось относи-
тельно точки Oi с угловой скоростью со, равной
36
\ Рис. 2.20. Тело,
катящееся по
плоскости (рас-
четная схема).
<0 = • (2.57)
i\
Здесь — линейная, скорость точки О.
Ось, проходящую через точку Ох перпен-
дикулярно плоскости качения колеса, называ-
ют мгновенной осью вращения. В действитель-
ности при качении контакт осуществляется не
по линии мгновенной оси вращения, а по не-
которой поверхности, которая образуется в
результате деформации контактирующих тел.
Если к колесу приложена нормальная нагруз-
ка Л/' и двужущая сила Fo (не проходящая че-
рез точку 01), то движущим моментом (чис-
ленно равным моменту сопротивления каче-
нию) будет произведение M=FoR, а коэффициентом трения каче-
ния — отношение движущего момента к нормальной нагрузке, т. е. ’
k= Т • (2.58)
Реакция опоры N' смещена на величину эксцентриситета е от-
носительно действия силы N. Реактивный момент (момент сопро-
тивления качению) будет М' = N'e. Из условия М =М' и N=N'
следует, что
e = ^=k, (2.59)
т. е. для чистого качения по закону Кулона коэффициент трения
качения численно равен эксцентриситету е и имеет размерность
длины.
Наряду с коэффициентом трения качения применяют и безраз-
мерную величину / — коэффициент сопротивления качению, рав-
ную
/= • (2.60)
Коэффициент сопротивления качению / численно равен отноше-
нию работы Л., совершаемой движущей силой Fo на единичном
пути, к нормальной нагрузке:
J NM NRA<f R •
Изучением природы трения качения занимались после Кулона
многие исследователи, эти работы продолжаются и сейчас. Име-
ется ряд теорий, объясняющих природу трения качения. Так,
О. Рейнольдс (1876 г.) установил, что одной из причин возникно-
37
вения сил сопротивления качению является наличие на площадке
контакта участков с проскальзыванием, где действуют силы тре-
ния скольжения. Деформация растяжения поверхности основания
под действием приложенных сил не является равномерной по ду-
ге контакта. В зоне контакта имеются три участка: в центре учас-
ток сцепления, где проскальзывание отсутствует, и по краям —
два участка с проскальзыванием. Величина проскальзывания за-
висит от соотношения упругих свойств материалов и радиусов
кривизны контактирующих поверхностей.
Экспериментально установлено, что проскальзывание весьма
мало по величине. Если материал контактирующих тел одинаков,
размер площадки контакта и распределение давлений на ней под-
чиняются теории Герца, а проскальзывание на площадке контакта
происходит вследствие разницы в кривизне соприкасающихся тел.
При разных упругих постоянных контактирующих тел распреде-
ление нормальных давлений уже не подчиняется теории Герца и
является несимметричным относительно оси симметрии катящего-
ся цилиндра. Возникает неравенство и тангенциальных напряже-
ний, что является причиной дополнительного проскальзывания.
Для случая качения сферы в прямолинейном желобе установ-
лено, что чистое качение свойственно лишь двум сечениям шара,
расположенным на расстоянии 0,17 d (d — ширина желоба) от
центра зоны контакта. В остальной части контакта происходит
проскальзывание.
В 1837 г. французский инженер Дюпюи предложил гистерезис-
ную теорию трения качения, согласно которой в основе сопротив-
ления качению лежит явление несовершенной упругости. В 50-х
годах XX в. эта теория была детально разработана Д. Тейбором.
Рассмотрим основную идею этой теории.
При качении жесткого цилиндра по упругому основанию каж-
дый элемент основания в течение времени, когда он находится в
области контакта с цилиндром, испытывает последовательно цикл
нагрузки (затрачивается работа) и разгрузки (возвращается работа).
Разность между затраченной при нагрузке и возвращенной при
разгрузке работой, как известно, равна площади петли гистерезиса:
ar0! (где аг ~ коэффициент гистерезисных потерь, Ф1 — работа
по перемещению цилиндра на единицу пути трения).
Согласно гистерезисной теории трения сила трения качения равна
Р=.атФх. (2.62)
Установлено (приводим без вывода), что
F = 4Яг Z 1—и3 У'3
Зл/?'2 \ лЕ / ’
где Nt — нормальная нагрузка, отнесенная к длине
(2.63)
цилиндра; R —;
38
радиус цилиндра; у.—коэффициент Пуассона основания; Е—модуль
упругости.
Таким образом, задача расчета сопротивления качению сводится
к определению коэффициента а,.
При качении жесткого цилиндра по вязкоупругому основанию
получено выражение для расчета коэффициента сопротивления
качению
f_ I \ do / 1 к
/=4шгт -
где а0 — полуширина площадки контакта; 7? —радиус цилиндра;
Х() — координата точки тыльной стороны цилиндра, определяющая
границу зоны контакта; к — параметр принятой модели вязкоупру-
гого тела.
Гистерезисная теория качения неприемлема для случая каче-
ния металла по металлу в связи с тем, что значительная работа
•атрачивается на пластическое деформирование поверхностей тре-
ния металлов, ведущее к появлению остаточных напряжений и
искажающее картину гистерезиса.
2.8.2. Изнашивание поверхностей при трении качения
При трении качения детали испытывают высокие многократно
повторяющиеся контактные напряжения, в результате чего на по-
верхностях трения возникает усталостное изнашивание, а также
кбразивное, заедание и др. При повторных контактных напряже-
ниях в зависимости от соотношения между нормальной и танген-
чальной составляющими сил в контакте в поверхностном или
подповерхностном слое детали появляются первичные микротре-
щины, имеющие определенную ориентировку по отношению на-
правления сил трения (рис. 2.21). В трещины под действием ка-
пиллярных сил проникает смазка. Когда такая трещина повторно
вступает в контакт, под действием внеш-
ней нагрузки она сжимается, и масло
под высоким давлением расширяет ее.
В результате многократного повторного
1СЙСТВИЯ этого процесса происходит
разрушение микрообъемов металла, и на
поверхностях трения появляются так на-
зываемые осповидные сколы, приводя-
щие в дальнейшем к разрушению поверх-
ности. При высоких контактных напря-
жениях процесс усталостного изнашива-
ния быстро прогрессирует.
Рис. 2.21. Ориентация
поверхностных трещин
на поверхностях треиия
при качении с проскаль-
зыванием (Vi>V2).
39
Следует иметь в виду, что усталостное изнашивание возникает
тогда, когда на поверхностях трения есть смазка и процесс разру-
шения не носит абразивного характера. При отсутствии смазки
возникшие на поверхности трения микротрещины не развиваются,
а слипаются под влиянием температуры и пластического дефор-
мирования металла. В этих условиях ведущим видом изнашива-
ния становится заедание.
При загрязнении смазки абразивными частицами трещины в
поверхностном слое не успевают развиться вследствие опережаю-
щего изнашивания поверхностного слоя абразивными частицами.
Методики расчета усталостного изнашивания при качении с
проскальзыванием изучаются в специальных курсах, потому здесь
не рассматриваются.
ГЛАВА 3
ТРЕНИЕ И СМАЗКА
3.1. ВИДЫ СМАЗКИ
Применение смазочных материалов для уменьшения силы тре-
ния известно с глубокой древности. На смену применяемым века-
ми органическим, главным образом растительным, маслам в кон-
це XIX века пришли минеральные (нефтяные) масла. По мере
Рис. 3.1. Виды смазки и смазочных материалов.
40
развития науки и техники нефтяные масла совершенствовались,
затем появились синтетические смазочные материалы, твердые и,
наконец, самосмазываюшиеся материалы.
В настоящее время в зависимости от физического состояния
смазочного материала различают газовую, жидкостную и твердую
смазку (рис. 3.1).
По типу разделения поверхностей трения смазочным слоем:
различают следующие виды смазки:
Гидродинамическая (газодинамическая) смазка — жидкост*
ная (газовая) смазка, при которой полное разделение поверхнос-
тей трения осуществляется в результате давления, самовозникаю-
шего в слое жидкости . (газа) при относительном движении
поверхностей.
Гидростатическая (газостатическая) смазка — жидкостная
(газовая) смазка, при которой полное разделение поверхностей
трения деталей, находящихся в относительном движении или по-
кое, осуществляется в результате поступления жидкости (газа) в-
зазор между поверхностями трения под внешним давлением.
Граничная смазка — смазка, при которой трение и изцос меж-
ду поверхностями, находящимися в относительном движении, оп-
ределяются свойствами поверхностей и свойствами смазочного
материала, отличными от объемных.
Полу жид костная смазка — смазка, при которой частично осу-
ществляется жидкостная смазка.
3.2. МЕХАНИЗМ СМАЗОЧНОГО ДЕЙСТВИЯ ПРИ
ГИДРОДИНАМИЧЕСКОЙ СМАЗКЕ
Механизм самовозникновения давления в слое жидкости при
относительном движении поверхностей рассмотрим на примере,
изображенном на рис. 3.2. Если пластинка ЛМг перемещается от-
носительно неподвижной пластинки В1В2, расположенной к ней
под углом, то слои смазочного материала (находящегося в зазо-
ре между пластинками), которые смачивают пластинку ЛИг, бу-
дут увлекаться ею.
Под действием сил вязкости слои смазочного материала, дви-
жущиеся с пластинкой Л1Л2, передают движение слоям, лежащим
глубже. Слой масла, смачивающий пластинку В\Въ, будет оста-
ваться неподвижным. Таким образом, смазочный материал будет
увлекаться в зазор, и в нем возникнет и будет поддерживаться
давление. Эпюра этого давления показана на рис. 3.2. По краям
пластинок, где смазочный материал соприкасается с атмосферой,
избыточное давление в слое смазочного материала равно нулю.
Равнодействующая сила Р давления в масляном слое и опреде-
ляет несущую способность этого слоя.
41
Рис. 3.2. Схема образования давления
в масляном слое плоской пары трения.
Рис. 3.3. Схема образования
и распределения давления
в смазочном слое подшип-
ника скольжения.
На рис. 3.3 показана схема возникновения давления в смазоч-
ном слое пары трения вал-втулка и распределения его внутри
смазочного слоя. При вращении вала смазочный материал силами
вязкости увлекается в сужающийся зазор, что приводит к повы-
шению давления в слое. При достаточной вязкости масла и ско-
рости вращения вала в смазочном слое создается такое давление,
при котором вал отделяется от поверхности подшипника, всплы-
вает на смазочном слое. Давление в слое смазки поддерживается
за счет насосного действия вращающегося вала.
Чем выше вязкость масла и больше скорость относительного
-перемещения контактирующих поверхностей, тем больше клино-
вой эффект гидродинамической смазки.
3.3. МЕХАНИЗМ СМАЗОЧНОГО ДЕЙСТВИЯ ПРИ ГРАНИЧНОЙ
СМАЗКЕ
Механизм действия граничной смазки достаточно сложен, так
как при малой толщине слоя смазочный материал теряет свои
объемные свойства, в частности подвижность, под влиянием мо-
лекулярного поля твердого тела. Кроме того, смазочный материал,
42
вступая в физическое и химическое взаимодействие с поверхнос-
тями трения, резко изменяет свойства этих поверхностей.
Согласно молекулярно-механической теории трения эффектив-
ность смазочного действия обусловлена двумя явлениями: во-пер-
вых, смазка понижает силы адгезионного взаимодействия поверх-
ностей трения (уменьшает молекулярную составляющую коэффи-
циента трения /м); во-вторых, снижает сопротивление упругому
или пластическому оттеснению (уменьшает механическую состав-
ляющую коэффициента трения /д). С точки зрения фрикционных
связей применение смазочного материала способствует сохранению
условий внешнего трения, созданию положительного градиента
механических свойств — > 0, так как прочность пленки (сма-
зочного слоя) меньше прочности основного материала. Смазочная
пленка уменьшает фрикционные параметры т0 и (3 (см. формулы
2.22 — 2.26), от которых зависит величина касательных напряже-
ний, возникающих в результате межмолекулярного взаимодействия.
Структура граничного смазочного слоя обусловливается физи-
ко-механическими свойствами образующих его молекул.природой
и состоянием твердой поверхности. Молекулы смазочного слоя
должны ориентироваться так, чтобы их конфигурация соответство-
вала устойчивому равновесию. Обычно смазочный слой имеет
пластинчатое слоистое строение, с попеременной нормальной и ка-
сательной ориентацией молекул в соседних молекулярных рядах.
Установлено, что при определенной температуре и давлении
существует критическая толщина пленки йкр, ниже которой сколь-
жения между молекулярными рядами не будет. Слои толщиной
ниже критической способны выдерживать большие нормальные
давления, не выходя за пределы упругости (свойства кразитвердо-
го тела).
Далее экспериментально установлено, что граничный слой
смазочного материала изнашивается так же, как любой другой
материал. Износ смазочного материала проявляется в виде воз-
растания коэффициента трения, вызываемого разрушением мас-
ляной пленки. Однако износостойкость смазочного материала
обычно очень высокая, на три порядка выше, чем износостойкость
металлов при упругом полидеформировании в условиях отсутст-
вия смазки. Вязкость масла должна быть оптимальной для каж-
дого сопряжения и мало изменяться при повышении температуры.
С понижением вязкости масла ухудшается образование гранич-
ной пленки на трущихся поверхностях, трение из граничного пе-
реходит в сухое, износ увеличивается. С другой стороны, слиш-
ком вязкое масло плохо проникает в зоны трения, износ увеличи-
вается. Кроме того, слишком вязкое масло повышает
тангенциальное сопротивление при трении.
43
3.4. ПРИСАДКИ К СМАЗОЧНЫМ МАТЕРИАЛАМ
Присадкой называют вещество, добавляемое к смазочному
материалу для придания ему новых свойств или изменения суще-
ствующих. Применяют в основном три вида присадок: антифрик-
ционные, противоизносные и противозадирные (рис. 3.4).
Рис. 3.4. Виды присадок к смазочным материалам.
Антифрикционные присадки снижают коэффициент трения.
В качестве антифрикционных присадок применяют животные или
растительные жиры и жирные кислоты, а также соединения се-
ры, фосфора, азота, различные соединения металлов (свинцовые
мыла, сернистые соединения молибдена, вольфрама, органические
соединения цинка и др.). Все эти соединения являются поверхно-
стно-активными веществами, которые адсорбируются на поверх-
ности металла и удерживаются слабыми ван-дер-ваальсовыми
силами.
Противоизносные присадки снижают изнашивание трущихся
поверхностей. В качестве этих присадок используются производ-
ные кислот фосфора, цинковые соли дитиофосфатных кислот,
фосфорно-кислые соли бария. Механизм действия — образование
адсорбционных пленок на поверхности металла.
Противозадирные присадки препятствуют, ограничивают или
задерживают заедание трущихся поверхностей при высоких кон-
тактных температурах и нагрузках. Заедание вызывается тем, что
в процессе пластической деформации при трении возникают юве*
нильные поверхности и вакансии в кристаллической решетке
металла. Химически активные противозадирные присадки реаги-
44
руют с ювенильными поверхностями, насыщая свободные валент-
ности и вакансии кристаллической решетки, тем самым препятст-
вуя схватыванию. В качестве противозадирных присадок исполь-
зуют органические производные серы и хлора.
Кроме трех основных типов присадок применяют также анти-
коррозионные, антиокислительные, противопенные, диспергирую-
щие и др. При выборе присадок обычно стремятся получить не
односторонний максимальный эффект, а универсальные оптималь-
ные свойства масел с присадками. С этой целью применяют мно-
гофункциональные присадки и композиции присадок.
3.5. ЖИДКИЕ СМАЗОЧНЫЕ МАТЕРИАЛЫ
Жидкие смазочные материалы, широко используемые в совре-
менных машинах, условно делятся на три группы: моторные, ав-
тотракторные трансмиссионные масла и масла для промышлен-
ного оборудования (индустриальные).
3.5.1. Моторные масла
Моторные смазочные масла применяются для смазки поршне-
вых двигателей внутреннего сгорания. Эти смазочные материалы
состоят из основы — базового масла, а также присадок, улуч-
шающих природные свойства базового масла или придающих ему
необходимые -новые свойства. Эксплуатационные свойства мотор-
ного масла определяются в основном составом и вязкостью базо-
вого масла, а также типом и концентрацией добавленных к нему
присадок.
На практике для производства моторных масел применяют ос-
новы вязкостью 3,5—22 сСт при 100°С. Концентрация присадок
в моторных маслах варьирует в широких пределах (от несколь-
ких процентов в маслах для легких условий работы до 25—30%
в маслах для судовых двигателей).
Моторные масла подразделяют по вязкости. Кроме пределов
вязкости очень важным показателем является индекс вязкости,
который характеризует зависимость вязкости масла от темпера-
туры. Чем выше индекс вязкости, тем меньше изменяется вязкость
при изменении температуры. Высокий индекс вязкости имеют так
называемые всесезонные моторные масла, что обусловлено нали-
чием в их составе специальных вязкостных присадок, которые
загущают .масло при высоких температурах больше, чем при низ-
ких. Загущая маловязкое минеральное масло высокомолекулярны-
ми полимерами или сополимерами, получают моторные масла,
пригодные для применения зимой и летом, а также специальные
северные масла для эксплуатации при очень низкой температуре
окружающей среды.
45
Возможность применения моторных масел в различных уело*
виях эксплуатации двигателей разного типа определяется:
— вязкостью;
— противоизносными свойствами;
— моющими свойствами, т. е. способностью предотвращать
образование углеродистых низкотемпературных отложений на го-
рячих поверхностях деталей;
— диспергирующими свойствами, т. е. способностью предот-
вращать образование низкотемпературных отложений в картере*
маслопроводах и других зонах при работе двигателя на малых
нагрузках;
— антикоррозионными свойствами, т. е. способностью предот-
вращать коррозионное разрушение антифрикционных покрытий
подшипников коленчатого вала;
— антиокислительными свойствами, т. е. стойкостью масла к
окислению при высоких температурах;
— > нейтрализующими свойствами, т. е. способностью нейтрали-
зовать кислоты, образующиеся в процессе окисления масла и
конденсирующиеся из продуктов сгорания топлива.
Показателем жесткости условий работы масла в двигателе
обычно является критерий форсирования двигателей — произве-
дение средней скорости поршня на среднее эффективное давление.
Варьированием состава присадок и их содержания в масле
получают товарные моторные масла со свойствами, отвечающими
требованиям эксплуатации.
3.5.2. Автотракторные трансмиссионные масла
Автотракторные трансмиссионные масла презназначены для
смазывания механических и гидромеханических передач подвиж--
ных наземных машин. :
Типичный вид повреждения рабочих поверхностей зубьев шес-
терен и подшипников трансмиссий — усталостное выкрашивание^
а при наличии высоких контактных температур — и заедание. Эф-
фективные меры борьбы против заедания — добавление противо-
задирных присадок к маслам.
Вязкость и низкотемпературные свойства выбираемого транс-
• миссионного масла определяются климатическими условиям!
эксплуатации н хранения, особенностью конструкции передач !
передаваемыми нагрузками.. При выборе вязкости масла необхо
димо учитывать также возможность трогания машин с места пр:
низких температурах без подогрева трансмиссии, а также услс
вия слива масла.
Трансмиссионные масла, работающие в широком
температур, должны обладать пологой вязкостно-температурно
характеристикой, т. е. высоким индексом вязкости.
диапазон
Неочищенные масла имеют низкий индекс вязкости, свидетель-
ствующий о том, что их вязкость резко меняется с изменением
температуры. Хорошо очищенные трансмиссионные масла имеют
высокий индекс вязкости.
3.5.3. Масла для промышленного оборудования
Назначение масел для промышленного оборудования /индуст-
риальных масел) — способствовать снижению коэффициента
трения и интенсивности изнашивания в трущихся узлах станков^
прессов, прокатных станов и другого промышленного оборудова-
ния. Одновременно индустриальные масла должны отводить тепло
от узлов трения, защищать детали от коррозии, очищать трущиеся
поверхности от загрязнения, не допускать образования пены при
контакте с воздухом и т. д.
Индустриальные масла по вязкости узловно делят на три под-
группы:
— маловязкие (легкие) вязкостью от 6 сСт при 20°С до 10 сСт
при 50°С;
— средневязкие (средние) вязкостью от 10 до ,58 сСт при
50°С;
— вязкие (тяжелые) вязкостью от 58 сСт при 50°С до 96 сСт
при 100°С.
Выбор смазочных масел для промышленного оборудования
производится главным образом по вязкости. При выборе масла-
следует учитывать три критических значения вязкости:
— оптимальное при нормальной рабочей температуре;
— минимальное при максимальной рабочей температуре:
— максимальное при самой низкой температуре, при которой
должен быть обеспечен холодный запуск системы.
Изменение вязкости масла выше или ниже установленных пре-
делов в процессе работы отрицательно сказывается на эксплуата-
ционных показателях оборудования. В обычных гидравлических
системах увеличение вязкости масла при его эксплуатации не
должно превышать 25—30%, а для масел, применяемых в гидро-
приводах станков с программным управлением, допускаемые пре-
делы изменения вязкости составляют ±10%.
На величину вязкости масла значительное влияние оказывает
давление. Вязкость масел при любых температурах с увеличением,
давления возрастает и тем значительнее, чем выше давление и
ниже температура. Это свойство масел необходимо учитывать
при выборе смазочного материала для механизмов, работающих с
большими удельными нагрузками и высокими давлениями в уз-
лах трения, при конструировании и расчетах механизмов.
Смазочное масло при эксплуатации не должно подвергаться
значительным химическим и физическим изменениям, например-
47’
окислению. В результате окисления .масла возрастает его корро-
зионная агрессивность по отношению к металлическим поверхнос-
тям, и в нем образуются нерастворимые вещества в виде осадков.,
На ускорение процесса окисления масел действуют высокие тем-
пературы, металлы и металлические соли, образующиеся при
взаимодействии продуктов окисления с металлом и играющие
роль катализаторов.
Несмотря на то, что образующиеся при окислении органиче-
ские кислоты могут положительно действовать на масло, привозя
к образованию на поверхности деталей мономолекулярного слоя
металлических мыл, в целом процесс окисления масел, как отме-
чалось, отрицательно действует на смазку. Процесс окисления
масел замедляют, добавляя антиокислители или ингибиторы
окисления. Действие ингибиторов окисления основано на разрыве
цепи при взаимодействии присадки с окисляемой молекулой мас-
ла, в результате чего окисляется сама присадка. В этом процессе
молекула присадки разрушается. Устойчивость масла против окис-
ления зависит от способа его получения и состава.
Антиокислительная стабильность индустриальных масел осо-
бенно важна в условиях их длительной бессменной работы.
Важным показателем, влияющим на качество смазочных масел,
является зольность. Зольностью называют количество золы, ос-
тавшееся после выпаривания масла, выраженное в процентах к
первоначальному его количеству. Зольность масла характеризует
степень его очистки и загрязненность минеральными примесями.
В процессе работы масла зольность его значительно повышается,
что ведет к увеличению износа смазываемого сопряжения.
Номенклатура и свойства жидких смазочных материалов при-
водятся в справочной литературе. '
3.6. ПЛАСТИЧНЫЕ (КОНСИСТЕНТНЫЕ) СМАЗОЧНЫЕ МАТЕРИАЛЫ
Эти смазочные материалы представляют собой полутвердый ‘
пли твердый продукт, состоящий из смеси минерального и синте- ;
тического масла, загустителя (твердые углеводороды, различные
соли жирных кислот и др.), присадок и наполнителей (графит,-;
дисульфид молибдена и др.). Загустители в процессе приготовле-)
ния смазочного материала образуют трехмерный структурный ;
каркас, в ячейках которого удерживается масло. При небольших -1
нагрузках пластичные смазочные материалы ведут себя как твер- :
дые тела (не растекаются под действием собственного веса, удер-
живаются на наклонных и даже вертикальных поверхностях); при
нагрузках, превышающих прочность структурного каркаса, они 1
текут подобно маслам. 1
48
Основные достоинства пластичных смазочных материалов}
— способность удерживаться в негерметичяых узлах! трения;
— работоспособность в широких температурных и скоростных
диапазонах;
— хорошая смазывающая способность;
— работоспособность в контакте с водой и другими агрессив-
ными средами;
— большая экономичность применения..
Недостатки пластичных смазочных материалов:
— плохая охлаждающая способность;
— склонность к окислению;
— сложность подачи к узлу трения.
Важными характеристиками пластичных смазочных материа-
лов, позволяющими судить об их эксплуатационных свойствах и
руководствоваться при назначении для конкретных узлов трения,
являются: предел прочности, вязкость, механическая стабиль-
ность, коллоидная стабильность, испаряемость, водостойкость, не-
сущая способность смазывающей пленки, антикоррозионные свой-
ства, содержание воды, механических примесей, свободных жир-
ных кислот и щелочей.
Предел прочности представляет собой то минимальное крити-
ческое усилие, которое необходимо приложить, чтобы произошла
деформация структурного каркаса смазочного материала и нача-
лось его движение. Предел прочности характеризует способность
смазочного материала поступать в зону трения и удерживаться
в узле трения. В некоторой степени эта величина влияет на пус-
ковые моменты сдвига подшипников.
Вязкость характеризует течение смазочного материала после
нарушения связей в его структурном каркасе в результате прило-
жения критической нагрузки. Вязкость пластичных смазочных ма-
териалов зависит не только от температуры, но и от условий тече-
ния, т. е. скорости деформации. С повышением температуры и
увеличением скорости деформации вязкость смазочных материалов
уменьшается. Вязкость смазочного материала влияет на пусковые
и установившиеся моменты сдвига подшипников.
Механическая стабильность — важный эксплуатационный по-
казатель свойств пластичных смазочных материалов, применяемых
в шарнирах, плоских опорах, подшипниках скольжения. Она ха-
рактеризует изменение объемно-механических свойств пластично-
го смазочного материала, например предела прочности, в резуль-
тате механического воздействия на него и последующего снятия
нагрузки. Если смазочный материал механически нестабилен, т. е.
сильно разрушается при приложении нагрузки и не восстанавли-
вает своих первоначальных свойств после снятия деформирующих
4—796
49
нагрузок, то он вытечет из узла трения, что поведет к преждевре-
менному повреждению этого узла.
Коллоидная стабильность пластичного смазывающего мате-
риала — способность его под воздействием внешних сил удержи-
вать в ячейках своего структурного каркаса масло. Небольшое
выделение масла из смазывающего материала при его работе в
узле трения всегда полезно, поскольку улучшает условия смазки
узла. Однако значительное выделение масла (низкая коллоидная
стабильность) приводит к вытеканию масла из узла трения и об-
разованию в смазывающем материале затвердевшей массы загус-
тителя, вследствие чего нарушается режим трения. Коллоидно-
стабильные смазочные материалы могут при хранении длительное
время не выделять масла.
Испаряемость смазочного материала характеризует улетучи-
вание масла при нагреве узла трения. В результате испарения
масла меняются эксплуатационные свойства смазочного материа-
ла (увеличивается предел прочности, вязкость и т. д.).
Под водостойкостью пластичного смазочного материала пони-
мают способность его не растворяться в воде, не поглощать ее из
окружающей среды, не смываться и не изменять своих свойств
при контакте с водой.
Важной эксплуатационной характеристикой пластичного сма-
зочного материала является несущая способность смазывающей
пленки — совокупность свойств, определяемых в условиях гранич-
ного трения. Здесь учитывают критическую температуру разруше-
ния пленки смазочного материала, критическое давление, которое
он способен выдержать, его антифрикционные, противоизносные,
противозадирные и антикоррозионные свойства.
В связи с тем, что пластичные смазочные материалы содержат
специальные присадки и поверхностно-активные вещества, их
смазочная способность довольно высокая.
Содержание воды в большинстве пластичных смазочных ма-
териалов недопустимо, однако есть смазочные материалы (гидра-
тированные кальциевые, кальциево-натриевые), где вода является
необходимым их компонентом.
Наличие механических примесей в пластичных смазочных ма-
териалах (абразивные частицы, продукты износа и т. д.) значи-
тельно ухудшает их смазывающие свойства, приводит к засоре-
нию пресс-масленок и т. д. Поэтому содержание их в пластичных
смазочных материалах должно быть минимальным.
Минимальным должно быть и содержание в них свободных
кислот и щелочей, отрицательно сказывающееся на износе и кор-
розии трущихся деталей. Обычно свободные щелочи или кислоты
попадают в смазочные материалы с загустителями.
50
Остановимся на основных типах пластичных смазочных мате*
риалов.
Гидратированные кальциевые смазочные материалы (пресс-
солидолы, солидолы жировые, солидолы синтетические и др.),
наиболее распространенные, применяются в различных узлах тре-
ния индустриальных, подъемных, транспортных и других машин.
Комплексные кальциевые смазочные материалы (Униол-1,
Униол-3, ЦИАТИМ-221 и др.) содержат антиокислительные и
другие присадки и являются многоцелевыми, используемыми для
работы в условиях высоких нагрузок и температур.
Натриевые смазочные материалы (консталины и др.) облада-
ют более высокими эксплуатационными качествами, чем солидо-
лы, и применяются в более ответственных узлах трения и при бо-
лее высоких температурах.
Литиевые смазочные материалы (ЦИАТИМ-201, ЦИАТИМ-203,
литолы, фиолы и др.) — высококачественные, имеют высокий ре-
сурс и не требуют замены. Применяют их в приборах, в условиях
низких температур.
Алюминиевые смазочные материалы (ротационный, АМС-1-.
и др.) находят применение в подшипниках полиграфических ма-
шин, в узлах трения механизмов морских транспортных средств,
соприкасающихся с морской водой.
Бариевые смазочные материалы используются в некоторых от-
ветственных узлах трения (шаровых шарнирах передней подвески
автомобилей, наконечниках тяг рулевого управления и т. д.).
Смазочные материалы на немыльных загустителях (ВНИИ
НП-231, графитол, аэрол, сиол, силикол и др.) применяют в спе-
цифических условиях трения — для вентиляторов, подающих го-
рячий воздух, шарниров тяговых цепей и т. д.
Углеводородные смазочные материалы (ГОИ-54п, ЦИАТИМ,-
205, ПВК, Торсиол-55) применяют при консервации ответствен-
ных механизмов, для смазывания узлов артиллерийских орудий
(ГОИ-54п) и др.
3.7. ТВЕРДЫЕ СМАЗОЧНЫЕ МАТЕРИАЛЫ
Твердые смазочные материалы — это материалы, которые
обеспечивают смазку между двумя поверхностями в условиях су-
хого или граничного трения в экстремальных условиях. Они мо-
гут или входить в качестве наполнителя материала или покрытия
в состав одного или двух элементов пары трения или вноситься
в виде порошка.
Твердые смазочные материалы принадлежат к так называемым
слоистым анизодесмическим соединениям, у которых относитель-
ная прочность связей между атомами различна в разных направ-
51
лениях. Они обладают высокой теплостойкостью (выдерживают
температуру свыше 400°С), хорошей адгезией к металлам, малой
скоростью газовыделения в вакууме, низким коэффициентом тре-
ния. Твердые смазочные материалы применяют в вакуумных, опти-с
ческих, электронных системах, вакуумной металлургии, а также
в общем машино- и приборостроении.
Основные типы твердых смазочных материалов: графит, ди-
сульфид молибдена (MoS2), дисульфид вольфрама (WS2) и неко-
торые другие (MoSe2> WSe2, NbSe2, PbJ2, BN, MoT2). Графит при
трении по твердой поверхности служит хорошим смазочным мате-
риалом для деталей, работающих на воздухе.
Отличительным качеством дисульфида молибдена является
высокая степень адгезии с поверхностью металла и исключитель-
ная прочность на сжатие (при очень низкой прочности на сдвиг).
Слой смазочного материала MoS2 может воспринимать статиче-
ские до 3-106 кПа и динамические — до 106 кПа давления, т. е.
он практически применим до давлений, равных пределу текучес-
ти многих металлов. MoS2 прекрасно работает в вакууме (ста-
билен в вакууме до температуры +1100°С, на воздухе — до
Н-450°С).
Дисульфид вольфрама по сравнению с дисульфидом молибде-
на обладает большей теплостойкостью на воздухе (до +510°С) и
большей стойкостью к окислению. Он химически инертен, нераст-
ворим почти во всех средах (вода, масла, щелочи, кислоты); чув-
ствителен лишь к воздействию свободного газообразного фтора,
горячих серной и плавиковой кислот; нетоксичен и не вызывает
коррозии металлов. При работе в вакууме дисульфид вольфрама
теплостоек при температуре +1320°С. Применение дисульфида
вольфрама сдерживается его высокой стоимостью.
Еще более высокими эксплуатационными качествами обладают
появившиеся в последнее время твердые смазочные материалы —
диселенид молибдена и др.
Следует подчеркнуть, что твердые смазочные материалы явля-
ются наиболее перспективными.
3.8. САМОСМАЗЫВАЮЩИЕСЯ МАТЕРИАЛЫ
Чтобы обеспечить малый коэффициент трения и малую интен-
сивность изнашивания согласно молекулярно-механической теории
трения, необходимо создать положительный градиент механичес-
ких свойств ( > 0, см. раздел 2.5), при котором прочность
62
возникающих в зоне трения молекулярных связей должна быть
меньше прочности нижележащих слоев трущихся деталей. Иными
словами, прочность пленок, покрывающих поверхности раздела
двух трущихся тел, должна быть ниже прочности основного ма-
териала этих тел. Это достигается нанесением на поверхность
трения жидких, консистентных или твердых смазочных материа-
лов, так как прочность на сдвиг слоев смазочного материала
значительно ниже, чем металлов пары трения. В паре трения такой
градиент может быть достигнут нанесением пленки, применением
самосмазывающегося монолитного материала, который в процессе
трения также обеспечивает положительный градиент механической
прочности за счет активного наполнителя или выдавливания сма-
зочного материала, либо смолы с твердым смазочным материалом.
С ростом температуры в зоне трения все эти явления усиливаются.
К технологическим достоинствам самосмазывающихся поли-
мерных материалов относятся:
— практически неограниченные запасы сырья;
— меньшие капиталовложения в производство, чем для про-
изводства металла;
— возможность изготовления деталей высокопроизводительны-
ми методами без снятия стружки (отходы в 5 раз меньше, чем у
металла);
— низкая трудоемкость (в 5—10 раз меньше, чем у металла).
_ Преимущества самосмазывающихся материалов при эксплуа-
тации заключаются в следующем:
— упрощение конструкции узлов трения, поскольку отпадает
необходимость в сложных системах смазывания;
— снижение трудоемкости обслуживания (отпадает необходи-
мость в периодической профилактической смазке, замене или до-
ливке смазочного материала);
— обеспечение надежной смазки в условиях хранения;
— более широкий, чем у жидких смазочных материалов, диа-
пазон рабочих температур.
К недостаткам самосмазывающихся полимерных материалов
относятся:
— более высокий, чем при гидродинамической смазке, коэф-
фициент трения; он примерно равен коэффициенту трения при
граничной смазке;
— ухудшение отвода тепла из зоны трения из-за отсутствия
циркуляции жидкого смазочного материала.
Основным направлением в разработке самосмазывающихся
полимерных материалов является создание многокомпонентных
систем. Подбор соотношения компонентов в этих системах опре-
деляется условиями работы (режимом трения, несущей способ-
ностью, средой эксплуатации), технологичностью получения ма-
53
териала и экономической целесообразностью его использования.
В условиях вакуума, в которых самосмазывающиеся полимер-
ные материалы имеют большую скорость газовыделения (см.
ниже), применяют металлокерамические материалы или материа-
лы с рабочим слоем твердого смазочного материала.
Металлокерамические самосмазывающиеся материалы либо
пропитывают жидким смазочным материалом, либо в их состав
вводят твердые смазочные материалы. Последние можно также
наносить на поверхность металлокерамических материалов.
Существует особый класс теплостойких самосмазывающихся
материалов, предназначенных для работы в вакууме, на поверх-
ности трения которых создается рабочий слой твердого смазочного
материала.
Наиболее распространенные отечественные самосмазывающие-
ся материалы АФ-Зам, АМАН-2, АМАН-4, Эстеран-33 в паре тре-
ния со сталью имеют коэффициент трения 0,1, интенсивность ли-
нейного износа от 2-10_8 до 1 • 10~9 и максимальную рабочую тем-
пературу до 300—350°С.
В прецизионных узлах трения оптико-механических приборов,
в скользящих электрических контактах, а также в некоторых
силовых узлах трения, работающих в широком диапазоне темпе-
ратур и высоких удельных нагрузок, применяют мягкие металли-
ческие покрытия, выполняющие роль -смазочного материала. В
качестве мягких металлических покрытий используют пленки оло-
ва, свинца, серебра (толщиной 1,5—100 мкм).
К недостаткам таких покрытий относятся:
— невозможность восстановления пленки смазочного материа-
ла в процессе износа;
— высокий коэффициент трения;
— худший (по сравнению с жидкой смазкой) теплоотвод от
поверхности трения.
3.9 ТЕМПЕРАТУРНАЯ СТОЙКОСТЬ ГРАНИЧНЫХ СМАЗОЧНЫХ СЛОЕВ
Граничными смазочными слоями могут быть слои, образован-
ные на поверхности трения в результате физической адсорбции,
хемосорбции и химической реакции. Например, органические ве-
щества, построенные из молекул цепной структуры, независимо
от того, являются ли они жидкими или пластически вязкими при
одной и той же температуре, в граничном состоянии на поверх-
ности металла приобретают упругость формы и при определенной
толщине пленки могут переходить в иное агрегатное состояние —
квазитвердое. Наилучшая защита поверхностей при трении обес-
печивается, если граничный слой твердый.
54
Одним из наболее важных факторов, оказывающих влияние
на свойства материалов пары трения и определяющих их анти-
Фрикционность, является тепло, которое возникает при трении и
вызывает нагревание поверхностей и разделяющего их смазочно-
го слоя. В ряде случаев в процессе работы машин рабочие дета-
ли узлов трения могут иметь высокую объемную температуру.
В связи с этим необходимо знать температурные пределы ра-
ботоспособности граничных смазочных слоев как для выбора
смазочных материалов из существующих/так и для разработки
новых. Температурная стойкость смазочных материалов при тре-
нии определяется путем испытаний их при точечном контакте за-
каленных стальных образцов с постоянной контактной нагрузкой
2000 МПа, постоянной и малой скоростью скольжения 0,0002 м/с
(во избежание повышенного тепловыделения, обусловленного тре-
нием) и объемном нагреве узла трения вместе с исследуемым
смазочным материалом от внешнего источника тепла. Для указан-
ных условий объемная температура образцов практически равна
температуре в контакте трения.
При испытании температуру увеличивают ступенчато через
10—20°С, при этом опыт на каждой ступени продолжается 1 ми-
нуту. В процессе опыта измеряют коэффициент трения. После
испытания при данной температуре измеряют износ неподвижных
образцов.
Критериями оценки температурной стойкости смазочных мате-
риалов являются:
1) критическая температура Др, при которой происходит резкое
увеличение коэффициента трения, сопровождаемое прерывистым
движением и повышением износа образцов, характеризует разру-
шение смазочного слоя и возникновение сухого трения;
2) температура химической модификации Дм поверхностей тре-
ния, при которой в результате разложения химически активной
присадки в масле и химической реакции между продуктами ее
разложения и металлом поверхности трения образуются слои,
обладающие пониженной прочностью на сдвиг и выполняющие
функцию смазочного материала, и происходит снижение коэффи-
циента трения и прекращение скачкообразного изменения его.
При достижении критической температуры Др происходит
дезориентация молекул в граничном слое, их десорбция и в
результате — потеря слоем способности разделять поверхности
трения. При достижении температуры химической модификации Дм
на поверхности образуется слой типа твердой смазки, который
снижает трение и стабилизирует его при больших температурах.
Образование такого слоя связано с необратимыми процессами
химических реакций, свойствами металлов и активных групп ма-
териала присадок. Для испытания температурной стойкости сма-
55
зочных материалов промышленностью выпускается испытательная
машина МАСТ-1 (см. раздел 7.4). /
Критические температуры жидких смазочных материалов/
применяемых в промышленности, лежат в пределах 120—210°С{
Наиболее распространенные жидкие смазочные материалы (мо|-
торные, автотракторные трансмиссионные и индустриальные маса-
ла) имеют критическую температуру 140—160°С. 1
Введение присадок позволяет повысить критическую темпера-
туру и снизить температуру химической модификации. Для плас-
тичных смазочных материалов критические температуры имеют
более высокие значения, чем для жидких смазочных материалов,—
до 300°С.
На характеристики температурной стойкости масел влияют
материалы пары трения. Легирование углеродистой стали хромом
и ванадием повышает критическую температуру граничных сма-
зочных слоев. Для медных сплавов легирование оловом повыша-
ет критическую температуру, в то время как введение в сплав
цинка резко снижает ее. Одно из возможных объяснений влияния
Sn и Zn в сплавах на основе меди на температурную стойкость
граничных смазочных слоев при трении по стали — различие в
свойствах окисных пленок, образующихся на поверхности трения,
их структуре, плотности, пластичности, разрушении при пластиче-
ских деформациях, способности к образованию граничных слоев
с прочными адсорбционными связями или взаимодействию масла
с поверхностью сплава через окисный слой.
Влияние естественных окисных пленок на критическую темпе-
ратуру граничных смазочных слоев особенно сильно проявляется
для сплавов на основе алюминия. Так, если для чистого алюминия
критическая температура равна 20°С, то для сплавов алюминия
с медью, цинком, кремнием, оловом критическая температура гра-
ничных смазочных слоев достигает ПО—230°С. Существенное
влияние на формирование и прочность граничных смазочных сло-
ев при трении оказывает окружающая газовая среда. Критическая
температура граничного смазочного слоя существенно возрастает
при трении в инертной газовой среде (в атмосфере гелия), по
сравнению с трением на воздухе.
ГЛАВА 4
АБРАЗИВНОЕ ИЗНАШИВАНИЕ
4.1. ВИДЫ АБРАЗИВНОГО ИЗНАШИВАНИЯ
Абразивное изнашивание встречается во многих деталях до-
рожных, строительных, сельскохозяйственных, горных, транспорт-
ных и других машин. Все эти машины работают в средах, содер-
56
жащих абразйвные частицы
(обычно минерального проис-
хождения, высокой твердости),
которые являются разрушаю-
щими телами при абразивном
изнашивании. Абразивные час-
тицы (рис. 4.1) бывают округ-
лой, полуокруглой и остро-
угольной формы. Абразивны-
ми частицами могут быть так-
же окалина, наклепанные
металлические продукты из-
нашивания или твердые струк-
турные составляющие одного
Рис. 4.1. Форма абразивных
частиц (Хбб).
из сопряженных тел.
Необходимое условие возможного проявления абразивного из-
нашивания— большая твердость изнашивающего тела по сравне-
нию с изнашиваемым.
Причиной абразивного изнашивания является либо однократ-
ное воздействие, приводящее к снятию очень тонкой стружки (при
микрорезании), либо многократное пластическое или упругое де-
формирование микрообъемов металла, которое вызывает их уста-
лостное разрушение и отделение частиц металла от поверхностно-
го слоя.
Рассмотрим основные виды абразивного изнашивания (см.
рис. 2.16).
4.1.1. Изнашивание при трении о закрепленные
абразивные частицы
Этому виду изнашивания подвергаются ковши экскаваторов,
горный инструмент, камнеобрабатывающий инструмент и т. д.
Данному виду изнашивания близок процесс шлифования при ме-
ханической обработке.
При изнашивании происходит упрочнение поверхностного слоя1
(наклеп) при механическом воздействии, однако возможно и раз-
упрочнение поверхностного слоя в результате нагрева или физи-
ко-химического действия жидкой среды, если она вводится для
охлаждения, промывки и т. д.
Опытами М. М. Хрущова и М. А. Бабичева установлено, что
относительная износостойкость е технических чистых металлов
и отожженных сталей при трении о закрепленные абразивные
частицы прямо пропорциональна твердости НВ этих металлов и
сталей
е = ЬНВ, (4.1)
где Ь — коэффициент пропорциональности.
57
Аналогичная зависимость свойственна и полимерам. Для тер-/
мически обработанных (закалка + отпуск) конструкционнях, ин-/
струментальных и легированных сталей
е=е0+^(ЯВ-Я50), (4.2)
где е0 — относительная износостойкость стали в отожженном
•состоянии; Ь' — коэффициент пропорциональности (зависит от хи-
мического состава стали); НВа — твердость стали в отожженном
состоянии.
Исследуя влияние соотношения твердости абразива (НВа) и
-'твердости изнашиваемых материалов (НВЫ) на величину износа,
Al. М. Хрущов и М. А. Бабичев пришли к следующим выводам:
1) при НВа)НВы 5^0,7... 1,1 износа нет и износостойкость ма-
териала бесконечно велика;
2) при 0,7 ... 1,1 < НВа)НВа < 1,3 ... 1,7 износ есть, причем он
тем больше, чем больше величина НВ^НВ^,
3) при НВа1НВи 1,3... 1,7 относительный износ имеет конеч-
ную и постоянную величину, не зависящую от HBa’iHBa.
4.1.2 Изнашивание в абразивной массе
Изнашиванию в абразивной массе подвергаются рабочие орга-
ны почвообрабатывающих, дорожных и строительных- машин,
ковши экскаваторов и канавокопателей и т. д. При этом виде из-
нашивания износостойкость деталей прямо пропорциональна твер-
дости их материалов. Существенное влияние на величину износа
оказывает степень насыщенности массы абразивными частицами. .
В каждом конкретном случае существует определенная насыщен-
кость массы абразивными частицами, при которой износ материа- ;
ла достигает максимума. Различные грунты имеют различную.!
изнашивающую способность. Так, если изнашивающую способ-
ность глинистых грунтов принять за 1, то для песчаных она бу-!
дет 1,5, для суглинистых — 1,9, для супесчаных •— 2,3. Важное/
значение при изнашивании в абразивной массе имеет химическая/
активность почв и грунтов, влажность грунтов, степень закреплен-
ности абразивных частиц. С увеличением нагрузки износ линей-?
но повышается. '
4.1.3. Гидро- и газоабразивное изнашивание
Газоабразивное изнашивание наблюдается в котлах, работаю-
щих на пылевидном топливе, в деталях пневмотранспортных ус-;
тановок; гидр ©абразивное — в деталях насосов, гидросистем, рас-;
пределителей, заслонок, вентилей, различных трубопроводов и!
т. д.
Эти виды изнашивания возникают под действием твердых час-
тиц, увлекаемых потоками жидкости или газа. Среда (жидкость
38
или газ), в которой происходит перемещение абразивных частиц
относительно поверхностей деталей, оказывает разупрочняющее
действие на поверхностный слой материала. Процесс разрушения
при этом виде изнашивания зависит от угла атаки сс абразивных
частиц. При а—90° возможно хрупкое, усталостное и полиде-
формационное разрушение микрообъемов поверхностного слоя. С
уменьшением угла атаки (сс<90°) повреждение материала про-
исходит в результате среза, отрыва или полидеформационного
разрушения с образованием коротких царапин.
На интенсивность изнашивания влияют концентрация абразив-
ных частиц, их форма, твердость, динамическая прочность, а так-
же физико-механические свойства изнашиваемых материалов.
Интенсивность изнашивания металлов I от действия струи аб-
разивных частиц прямо пропорциональна скорости частиц v
I = avm, (4.3)
где а— коэффициент пропорциональности, зависящий от материа-
ла детали и угла атаки; т — показатель степени, зависящий толь-
ко от материала детали (для стали СтЗ т=2,3; для закаленной
стали 45 ш = 2,5; для белого чугуна ш = 2,8; для базальта ш = 2,9).
При изнашивании в струе абразивных частиц происходят сле-
дующие процессы: а) разупрочнение поверхностного слоя детали;
б) разрушение поверхности в результате высоких контактных
напряжений; в) резание микростружек абразивной частицей;
г) контактная усталость; д) выплавление микрообъемов материа-
ла детали в результате высокой локальной температуры.
Установлено, что с повышением > 1 интенсивность
изнашивания в струе абразивных частиц резко возрастает.
4.1.4. Изнашивание исходно свободными абразивными частицами
Этот вид изнашивания довольно широко распространен. Не-
смотря на постоянное совершенствование средств защиты (воз-
душные, топливные и масляные фильтры, уплотнения) практиче-
ски все узлы трения сельскохозяйственных, дорожных, горных,
транспортных и многих других машин работают в условиях попа-
дания между сопряженными деталями исходно свободных (неза-
крепленных) абразивных частиц (абразивная прослойка). Однако
до последнего времени' вопрос о механизме изнашивания этого
рода не имел четкого однозначного ответа. Новейшие научные
данные позволяют; считать, что изнашивание исходно свободными
абразивными частицами происходит в результате:
а) микрорезания одной поверхности абразивными зернами,
шаржированными в другую поверхность трения;
б) усталостного разрушения одной поверхности вследствие
многоциклового упругого или малоциклового пластического ее
59
деформирования абразивными частицами, шаржированными в
другую поверхность трения;
в) усталостного разрушения обеих поверхностей трения из-за
многоциклового упругого или малоциклового пластического их
деформирования абразивными частицами, перекатывающимися
между поверхностями трения.
Если между поверхностями трения находится большое число
абразивных зерен, то одна часть зерен закрепляется в поверхнос-
тях трения, другая — перекатывается. Часть из этих зерен дро-
бится, причем процесс дробления зерен влияет на механизм из-
нашивания.
4.2. МЕХАНИЗМ ИЗНАШИВАНИЯ ИСХОДНО СВОБОДНЫМИ
АБРАЗИВНЫМИ ЧАСТИЦАМИ
4.2.1. Расчетная модель
Трущееся сопряжение с попавшей в него абразивной частицей
представляет собой систему деталь — абразивное зерно — деталь.
Эту систему можно моделировать в виде движущейся поверхности
/, абразивного зерна и неподвижной поверхности II (рис. 4.2).
Движение
относительно
может быть
поверхности I
поверхности II
вращательным,
Рис. 4.3. Положение абразивной
частицы, моделированной двумя
радиусами, между поверхностями
трения: р —радиус выступа (кон-
тактирующий радиус), R — объ-
емный радиус; а х R.
Рис. 4.2. Схема вза-
имодействия абра-
зивной частицы с по-
верхностями трения.
поступательным или сложным, равномерным или ускоренным. Од-
нако на малом участке за малый промежуток времени можно счи-
тать, что поверхность I движется относительно поверхности //
поступательно с мгновенной относительной линейной скоростью V.
Абразивную частицу будем моделировать тремя радиусами
60
{точнее, предельным случаем, когда одна из дуг заменена каса-
тельной), а поверхности I и II — в виде чередующихся выступов
и впадин (рис. 4.3). На рисунке ои и а2— углы профилей микро-
неровностей поверхностей I и II (углы между плоскостями ос-
нования сферических выступов и касательными к их боковым
поверхностям);
ср — угол между продольной осью зерна и направлением отно-
сительной скорости скольжения v. Средние значения угла а, полу-
чаемые при различных видах механической обработки, приведены
в табл. 4.1.
Таблица 4.1
Средние значения угла а профиля микронеровяостей
Вид обработки Параметр шерохова- тости R , мкм а а
Шлифование плоское 1,25—0,63 8°40'
0,63 — 0,32 6°40'
0,32—0,16 4°50'
Шлифование внутреннее 1,25—0,63 7°50'
0,63—0,32 5°25'
0,32—0,16 3°50'
Шлифование круглое 0,63 — 0,32 4°40'
0,32 — 0,16 5°20'
0,16—0,08 3°20'
Полирование 0,63—0,32 2°15'
0,32—0,16 1°15'
0,16 — 0,08 0°40'
Доводка цилиндрических поверхностей 0,16 — 0,08 3°20'
0,08—0,04 2°00'
4.2.2. Основные расчетные зависимости
Рассмотрим модель системы деталь — абразивное зерно — де-
таль с точки зрения соотношения моментов и сил, действующих на
зерно, и оценим условия, при которых абразивное зерно, находя-
щееся в произвольном положении, будет скользить без поворота
или поворачиваться.
В общем случае на абразивную частицу действует нормальная
нагрузка N (перпендикулярная направлению скорости и). Пово-
роту абразивной частицы вокруг какой-то мгновенной оси способ-
ствуют приложенные к ней моменты сил трения скольжения (Fj и
F2) и моменты тангенциальных составляющих (Pi и Р2) реакций
в точках контакта частицы и поверхностей I и II (рис. 4.4.). Сум-
марный момент, способствующий повороту абразивного зерна
(мгновенная ось поворота зерна — точка 0), равен
7ИСП F1AO1 4* F2BO2 + PiAOi 4- Р2ВО^. (4.4)
61
Рис. 4.4. Силы, действующие на
абразивную частицу, находящую-
ся между поверхностями трения.
Суммарный момент, препятст-
вующий повороту абразивного зер-
на, составит
М,Р = ТХАОХ 4- Т2ВО2 4- NCQ, (4.5)
где Т1 и Т2— силы сопротивления
качению зерна.
Абразивное зерно будет повора-
чиваться при условии
А4СП > Л/пр. (4.6)
При Л/сп А4пр возможны три
случая:
1) абразивное зерно закрепля-
ется на движущейся поверхности I
и скользит по неподвижной по-
верхности II. Этот случай реализу-
ется при условии:
(Мп Др ,. у.
И14-Л>/72-ЬА ’ ? f
т. е. когда сумма сил, прилагаемых к зерну поверхностью I, боль-
ше суммы сил, прилагаемых поверхностью 77;
2) абразивное зерно закрепляется на неподвижной поверхно-
сти II и скользит по подвижной поверхности I:
( 7ИСП Мр
1л4-А</72 4-Л’
(4-8)
3) абразивное зерно скользит между трущимися поверхностя-
ми, не закрепляясь ни на одной из них:
(7ИСП -4 7Ипр
(4.9)
Учитывая, что
(где fi и f2— коэффициенты трения скольжения абразивного зерна
относительно поверхностей I и II, Ki и к2 — коэффициенты трения
качения абразивного зерна относительно поверхностей I и II),
после несложных преобразований получим:
условие поворота абразивного зерна
(/1— cosai4- (/2- (-£- cosa24-sin? ) 4-tga2 sin? - cos^>^
62
условие закрепления абразивного зерна на движущейся поверх-
ности 1
. (/1— 7г) cosaj-l- (/2— (j? cosa2+sin? ) 4 tga2 siny—cos?<0
.(/1- Л) + (tg«i - tga2) > 0 (4.11>
условие закрепления зерна на неподвижной поверхности 11
(fi— ^=г) cosaj-f- (/2-(J=r cosa2-j-sin® ) 4 tga2sin? — cos®
(Л — /2)4- (tgai - tgO < 0. ' (4.12).
4.2.3. Положение абразивного зерна
между поверхностями трения
Рассмотрим условия поворота абразивного зерна (формула
4.10), когда оно находится в одном из положений, показанных" на.
рис, 4.5,
Рис. 4.5. Различные по-
ложения абразивной час-
тицы между поверхностя-
ми трения:
с—<р = 0°; б—<р = 90°; в—<р =
= 1Е0°; г-г = 270°.
63
Учитывая, что для большинства случаев и /2 > ~ »
> подставим в (4.10) значения ср = 90° (рис. 4.5, б) и ср == 180° (рис.
4.5, в). Тогда убедимся в том, что в этих случаях неравенство
(4.10) соблюдается. Значит, абразивное зерно, находящееся в по-
ложениях, показанных на рис. 4.5, б и 4.5, в, будет всегда по-
ворачиваться. Очевидно, что и в положении, изображенном на
рис. 4.5, г (ср = 270°), зерно стремится к повороту.
Наиболее устойчивым против поворота, а следовательно, и наи-
-более вероятным является положение абразивного зерна, пока-
занное на рис. 4,5, а (<р = 0°), при котором контактирующий выс-
туп абразивного зерна ориентирован в направлении движения
поверхности I. При этом абразивная частица с движущейся noBepxJ
ностью I контактирует объемным радиусом R, а с неподвижной
поверхностью II— радиусом выступа р, т. е. изнашивание движу-
щейся поверхности зависит от размера абразивной частицы и не
зависит от ее формы, а неподвижной поверхности — наоборот.
4.2.4. Взаимодействие абразивных частиц с идентичными
по свойствам поверхностями трения
В том случае, если поверхности трения I и II идентичны по
физико-химическим свойствам и характеристикам микрогеометрии
(а; = 02), возможность закрепления абразивного зерна на них
будет всецело определяться (согласно формулам 4.11 и 4.12) ве-<
личинами коэффициентов трения скольжения f\ и /г- Абразивное
зерно закрепится на той из поверхностей трения, для которой ко-
эффициент трения скольжения выше.
Поскольку при абразивном изнашивании преобладающим яв-
ляется пластический контакт абразивной частицы с поверхностя-
ми трения, коэффициент трения скольжения имеет вид (смласно
формуле (2.27)).
При наличии смазки в контакте адгезионной составляющей
+ P можно пренебречь. Отсюда
/=°,4(у)^- (4.13)
Установлено (приводим без вывода), что сближение равно
Л = -^-, (4.14v
nrnb 4 )
где N — нормальная нагрузка, г — радиус внедряющегося высту-
па, НВ — твердость.
«64
Подставив значения из (4.14) в (4.13), получим
/ = . (4.15)
г НВ 2
КоэффициентЗтрения скольжения абразивной частицы относитель-
но^ движу щейся/п о верхи ости / (г «= У?)
. (4.16)
RHBt 2
неподвижной поверхности УУ (г = р)
1
0,22№
-----j. (4.1/)
рНб22
В нашем случае НВХ = ЬВ2 (поверхности I и II идентичны
по свойствам). Кроме того, всегда R > р. Следовательно,
Л'</2. (4.18)
Значит, абразивная частица закрепится на неподвижной по-
верхности II и будет скользить по движущейся поверхности У, вы-
зывая ее износ.
Таким образом, при абразивном изнашивании в присутствии
смазочного материала идентичных по свойствам поверхностей
трения попавшими в сопряжение свободными абразивными час-
тицами эти частицы (при отсутствии явления перекатывания) за-
крепляются на неподвижной и скользят по движущейся поверх-
ности. Движущаяся поверхность изнашивается более интенсивно,
чем неподвижная.
Следует помнить, что идентичность свойств поверхностей тре-
ния (в первую очередь, идентичность микрогеометрии) можно
обеспечить лишь в начальный период работы сопряжения, так
как уже после приработки пары трения микрогеометрия поверх-
ностей меняется, для каждой из них устанавливается своя устой-
чивая (равновесная) микрогеометрия, как правило, отличная от
первоначальной. В практике конструирования сопряжения, сос-
тоящие из идентичных по свойствам поверхностей трения, встре-
чаются редко.
В табл. 4.2 приведены результаты лабораторных испытаний на
абразивное изнашивание пар трения из идентичных материалов.
Как видим из таблицы, износ вала (движущаяся деталь) ста-
бильно превышает износ втулки (неподвижная деталь).
Аналогичные результаты получены и при испытаниях прецизи-
онной плунжерной пары дизельного двигателя (рис. 4.6). Плун-
5—796
65
Таблица 4. 2
Результаты абразивного изнашивания пар трения из идентичных материалов
(скорость трения 1 м/с, нагрузка 15 Н, весовая концентрация абразива в
смазке 0,2%, продолжительность испытания 1 ч)
Материал вала и втулки Весовой износ, Н Отношение износа втулки к износу вала
вала | втулки
СЧ 18-36 0,00004 0,00003 0,75
Бр ОЦС 5-5-5 0,00006 0,00004 0,66
БрАЖ 9-4 0,00011 0,00006 0,54
Сталь 40Х 0,00010 0,00007 0,70
Рис. 4.6. Износ деталей плунжерной пары дизельного двигателя
при концентрации абразива в топливе:
2 — 25 г/м’; 2 — 50 г/м3; 3 — 75 г/м3; 4 — 100 г/м3; 5 — 150 г/м3.
66
жер и втулка имеют идентичные свойства: изготовлены из одного
материала, имеют одинаковую исходную микрогеометрию и каче-
ство поверхности. Как видно из рисунка, плунжер (движущаяся
деталь) изнашивается интенсивнее, чем втулка (неподвижная де-
таль), причем эта закономерность соблюдается для различных
концентраций абразивных частиц в топливе.
4.2.5. Взаимодействие абразивных частиц с различными
по свойствам поверхностями трения
В процессах абразивного изнашивания, большую роль играет
шаржируемость, характеризующая способность поверхности дета-
ли закреплять на себе попавшие в сопряжение абразивные час-
тицы. Шаржируемость поверхностей трения зависит от их физико-
механических свойств, микрогеометрии, наличия пленок окислов,
смазки и т. д. Материалы с меньшей твердостью, как правило,
сильнее шаржируются абразивными частицами. В сопряжении с
различными по свойствам поверхностями трения одна из поверх-
ностей (обычно менее твердая) обладает большей шаржируе-
мостью. К хорошо шаржируемым материалам относятся серый и
ковкий чугун, бронза, пластмассы.
С понижением твердости материала износостойкость его сни-
жается (см. 4.1.1), поэтому менее твердая поверхность должна
изнашиваться сильнее. Однако шаржирование поверхности абра-
зивными частицами уменьшает интенсивность ее изнашивания
(абразивные частицы закрепляются на поверхности, потому не
скользят по ней и не могут ее изнашивать). В то же время сопря-
женная (более твердая) поверхность изнашивается более интен-
сивно.
Решение вопроса о том, какую поверхность трения — движу-
щуюся или неподвижную — выполнять из более шаржируемого
(менее твердого) материала, имеет огромное практическое зна-
чение.
Согласно предложенной И. В. Крагельским усталостной теории
изнашивания, интенсивность изнашивания обратно пропорцией
нальна радиусу внедряющейся частицы в степени 1,5... 2, т. е.
W-19>
Как уже отмечалось, движущаяся поверхность I всегда кон-
тактирует с объемным радиусом У? абразивной частицы, а непод-
вижная поверхность II— с радиусом выступа р, причем всегда
7?>р. Следовательно, когда абразивная частица закрепляется на
неподвижной поверхности, она меньше изнашивает движущуюся
поверхность, чем в том случае, когда она, закрепившись на дви-
жущейся поверхности, изнашивает неподвижную. Отсюда следует,
67
г
i
что для снижения интенсивности изнашивания сопряжения непод-
вижную поверхность необходимо изготавливать из более шаржи-
руемого (менее твердого) материала, чем движущуюся. Этот
теоретический вывод находит широкое практическое применение
в технике. Так, обычно в сопряжении вал — втулка при вращаю-
щемся вале втулку изготавливают из чугуна, бронзы или пластмас-
сы, а вал — из стали, зачастую с термически обработанной по-
верхностью трения. Таковы многочисленные узлы трения сельско-
хозяйственных, дорожных и других машин.
С другой стороны, известны и примеры многих неудачных
конструктивных решений узлов трения скольжения: при вращаю-
щемся вале («прямая» пара) сочетание материалов пары трения
вал — втулка было удачным, и, напротив, при тех же материалах
вала и втулки, но вращающейся втулке («обратная» пара) по-
добное сочетание оказывалось неработоспособным.
В табл. 4.3 приведены результаты лабораторных испытаний
на абразивное изнашивание «прямых» и «обратных» пар трения.
Как видно из таблицы, износ «прямой» пары составляет 25—
66% от износа «обратной» -пары. Таким образом, создаются ре-
альные возможности для управления процессом абразивного из-
нашивания (т. е. уже на стадии проектирования конструктор
может установить методы борьбы с износом), исключается необ-
ходимость повышения износостойкости обеих поверхностей тре-
ния, выявляется четкий объект, требующий повышения износо-
стойкости, — движущаяся поверхность. Неподвижная поверхность
может быть изготовлена из менее износостойкого, но хорошо
шаржируемого антифрикционного материала (ковкого или серого
чугуна, бронзы, пластмассы и др.).
С другой стороны, в отдельных случаях необходимо решать
технологические задачи, связанные с необходимостью повышения
интенсивности снятия стружки с обрабатываемой детали. Такая
задача возникает при доводочных операциях механической обра-
ботки, например при притирке, когда абразивные частицы высокой
твердости (порошок корунда или карбида бора) вводятся между
обрабатываемой деталью и инструментом — притиром. Притир
изготавливают из материала, способного легко шаржироваться
абразивными частицами. В результате относительных перемеще-
ний притира и обрабатываемой детали закрепляющиеся на при-
тире абразивные частицы скользят по поверхности обрабатывае-
мой детали, изнашивая ее (снимая с нее стружку). С целью
интенсификации процесса притирки следует основное рабочее дви-
жение придать притиру, а обрабатываемая деталь должна оста-
ваться неподвижной, либо совершать движение подачи. И совсем
небезразлично, движется притир или обрабатываемая деталь: в
‘ первом случае интенсивность процесса обработки выше.
Т аблица 4. 3
Результаты абразивного изнашивания „прямых" и „обратных" пар трения из различных по
свойствам материалов (скорость трения 1 м/с, нагрузка 450 Н, весовая концентрация
абразива в смазке 0,2%, продолжительность испытания 2 ч)
Номер пары трения Характеристики пар трения Износ, г Отношение суммар- ного износа ,,прямой" пары к суммарному износу ,,обратной" пары
вид материал вала материал втулки вал а втулки суммарный пары тре ния
1 „Прямая" Сталь 40Х Бр АЖ 9-4 0,023 0,026 0,049 0,25
2 „Обратная" Бр АЖ 9-4 Сталь 40Х 0,140 0,055 0,195
3 „Прямая" Сталь 40Х Бр ОЦС-5-5-0-5 . 0,027 0,086 0,113 0,58
4 „Обратная" Бр ОЦС-5-5-5 Сталь 40Х 0,128 0,068 0,196 0,66
5 „Прямая" Сталь 45 Бронза 0,051 0,167 0,218
6 „Обратная" Бронза Сталь 45 0,247 0,085 0,332
Таким образом, технолог, учитывая закономерности абразив-
ного изнашивания, может правильно проектировать процессы об-
работки с целью повышения производительности труда.
4.2.6. Влияние различных факторов на характер взаимодействия
абразивных частиц с поверхностями трения
Чтобы оценить характер движения абразивного зерна между
поверхностями трения (качение или скольжение зерна), заменим
в выражении (4.10) коэффициенты трения /2, Ki, к2 соответст-
вующими им значениями в зависимости от физико-механических
свойств и параметров микрогеометрии поверхностей трения, раз-
меров абразивного зерна и режимов трения. В результате полу-
чим (приводим без вывода) неравенство вида
0,22 ЛА1|Д
RHB'f
0,22 N'^
0,55-104v 0,425 , 3 р Z1 —।
2К\
0,55-10* у0'425 Г 3 /1 — М-2
№Л(/?+р) К I 2 \
(4.19)
Левая часть этого неравенства представляет собой функцию
четырнадцати переменных (параметров)
У —f(HBu Ех, [ii, Е2, р.2, а2, Еа, р.а, R, р, ЛГ, v). (4.20)
При значениях у>1 абразивное зерно перекатывается между
поверхностями трения, при z/^1 оно закрепляется на одной из
поверхностей трения и скользит по сопряженной поверхности.
Неравенство (4.19) позволяет оценить влияние всех параметров
на величину функции у, а следовательно, и на характер движения
абразивного зерна между поверхностями трения. Скорость сколь-
жения v мало влияет на характер взаимодействия абразивного
зерна с поверхностями трения. Слабо влияют на него и парамет-
ры а; и а.2 (углы профилей микронеровностей). Так, изменение уг-
лов он и а2 от 3° до 11° изменяет функцию у всего на 2—3%. Зна-
чительное влияние на характер движения абразивного зерна
между поверхностями трения оказывают физико-механические
свойства поверхностного слоя материалов пар трения (Ei, pi, HBi,
Е2, Ц2, НВ2). Это влияние далеко не однозначно, однако можно
установить, что склонность к переходу от скольжения абразив-
ного зерна к его качению возрастает для различных сочетаний ма-
териалов пар трения в такой последовательности: закаленная
сталь — закаленная сталь, закаленная сталь — незакаленная
сталь, закаленная сталь — бронза, закаленная сталь — пластмас-
са. Наиболее склонно к качению абразивное зерно, попавшее меж-
70
ду поверхностями трения в условной паре пластмасса — пластмас-
са. Большое влияние на характер движения абразивного зерна
оказывают также нагрузка N и размер зерна R. С увеличением
нагрузки и уменьшением размера зерна возрастает склонность
абразивного зерна к качению (рис. 4.7).
Рис. 4.7. Влияние на характер движе-
ния абразивного зерна между по-
верхностями трения:
й — нагрузки (7? = 0,05 мм), б — размера
зерна (ЛГ = 8Н); о — пара трения закаленная
сталь—закаленная сталь; д —пара трения за-
каленная сталь — незакаленная сталь; □—
пара трения закаленная сталь—бронза; X —
пара трения закаленная сталь—пластмасса;
• — пара трения пластмасса—пластмасса.
4.2.7. Расчет интенсивности абразивного изнашивания
Интенсивность абразивного изнашивания зависит от количест-
ва абразивных частиц, поступающих в зону трения. В свою оче-
редь, количество этих частиц зависит от их концентрации в сма-
зочном материале. Общее количество абразивных частиц п, од-
новременно находящихся в зазоре сопряжения, при граничной
смазке может быть определено по формуле (приводим без вы-
вода) :
п = (4.21)
180^а фа
где к1 — коэффициент, учитывающий количество частиц, соизме*
римых по размеру с величиной зазора сопряжения; к2 — коэффи-
циент, учитывающий содержание в масле абразивных частиц,
обладающих большей твердостью, чем твердость поверхностей
трения; е — весовая концентрация абразива в масле, %; Q — объем
масла, протекающего через зазор сопряжения, м3/ч; ум, уа — соот-
ветственно плотность масла и абразивных частиц, кг/дм3; I — дли-
на пути абразивной частицы в зазоре сопряжения (принимают
71
г
равной длине зазора), мм; va — скорость поступления абразивных
частиц из внешней среды в масло, кг/ч; 4?ср — средний диаметр
одной абразивной частицы, мм;
В зависимости от условий внедрения и закрепления абразив-
ных частиц на поверхностях трения изнашивание этих поверх-
ностей абразивом может происходить либо путем микрорезания,
либо усталостного разрушения в результате упругого или пласти-
ческого полидеформирования. Осуществление того или иного вида \
контактного взаимодействия и соответствующего ему вида изна- \
шивания может быть оценено для условий абразивного изнаши- j
вания по величине отношения глубины внедрения абразивной "
частицы к ее радиусу (см. 2.5.1). j
Наиболее интенсивное изнашивание происходит при микроре- >
зании. Интенсивность весового изнашивания при микрорезании 1
можно определять по формуле I
7а=6А/Тметп, (4.22) j
где b — ширина царапания (принимают b = 1,47?; R — объемный |
радиус абразивной частицы); h — глубина внедрения; I—путь ]
трения абразивной частицы; fMeT — плотность металла изнашиваемой I
детали; п — количество абразивных частиц, одновременно находя- 1
щихся в зазоре. |
При усталостном разрушении в результате пластического или >
упругого полидеформирования поверхности абразивными части-
цами интенсивность изнашивания может быть определена по фор-
муле (2.38). Применительно к условиям абразивного изнашивания >
формула (2.38) запишется в виде
/=4-10-6 3 7 -, (4.23) ;
где h — глубина внедрения; R — объемный радиус абразивной час-
тицы; п — количество абразивных частиц в зоне трения; d — сред-
ний диаметр пятна контакта по Герцу; пр — число циклов, приво-
дящих к разрушению деформируемого объема; Аа — номинальная
площадь касания. <
d= 2 (4 NR » (4.24):
где N — нагрузка; р — коэффициент Пуассона; Е — модуль упру-
гости. i
Число циклов, приводящих к разрушению, можно ориентировоч- j
но определить по формуле ’
, (4-25)
72 I
’i
где 8 — относительное удлинение материала при разрыве; t — пока-"
затель степени фрикционной усталости материала.
Глубина внедрения абразивных частиц приближенно оценивается
по формуле
h = -£~ , (4.26>
itRc^T г
где с — коэффициент формы индентора (абразивной частицы); ат —
предел текучести материала.
ГЛАВА 5
МАТЕРИАЛЫ ТРУЩИХСЯ ДЕТАЛЕЙ
5.1. МЕТАЛЛЫ В УЗЛАХ ТРЕНИЯ (СТАЛИ И ЧУГУНЫ)
Металлы были и являются основным > материалом, который
используется для узлов трения. Это объясняется тем, что они,,
как правило, больше других материалов удовлетворяют разнооб-
разным требованиям условий службы трущихся поверхностей..
Металлы обладают такими качествами, как прочность и пластич-
ность, способность образовывать различные виды соединений с
одним или несколькими элементами. В зависимости от химической
природы элементов и условий, в которых находится система, ме-
таллы могут образовывать между собой, а также с неметаллами
твердые растворы, эвтектические смеси и химические соединения.
Износостойкость чугунов и сталей зависит от их структуры..
Каждая из структурных составляющих обладает различными
свойствами, которые нужно учитывать при выборе технологии
обработки металлов для различных узлов трения (табл. 5.1). Ча-
ще всего с увеличением содержания углерода возрастает твер-
дость и износостойкость сплавов. Важной характеристикой явля-
ются тип кристаллической решетки, число и характер распреде-
ления ее дефектов, анизотропия свойств кристаллов.
Для повышения износостойкости сталей и чугунов применяют-
термическую или химико-термическую обработку (цементацию,,
азотирование, нитроцементацию, цианирование, сульфидирование,
борирование), легирование хромом, никелем, марганцем, вольф-
рамом, молибденом, ванадием, поверхностное упрочнение (наклеп,
обкатку шариками, поверхностное выглаживание, калибрование
И др.).
При трении структура металла активного слоя (близко распо-
ложенного к поверхности трения) меняется, а следовательно, ме-
няются и свойства этого слоя, в первую очередь микротвердость.
На рис. 5.1, 5.2 показаны различные зоны износа, образовавшиеся
731
Таблица 5. 1
Характеристики структурных составляющих стали и чугуна
и их влияние на износостойкость
Структурная составляющая Характеристика Влияние на износостойкость
Феррит Твердый раствор углерода в а- железе При наличии ферритной ос- новы стали и чугуны имеют малую твердость и невысокую износостойкость
Аустенит Твердый раствор углерода в железе Отличается склонностью к упрочнению при пластической деформации, поэтому несмотря на невысокую твердость обла- дает хорошей износостойкос- тью, особенно в условиях удара и пластического контакта
Карбиды Химические соединения же- леза с углеродом — цементит (6,67 % С), при легировании — хим. соед. железа с углеродом и легирующими элементами — сложные карбиды Входя в состав перлитов, карбиды повышают износо- стойкость сталей и чугунов
Перлит Ферритно-цементитная смесь (типы перлита: зернистый, пластинчатый, сорбит, троос- тит) С увеличением содержания перлита до 30% износостой- кость возрастает, в дальнейшем почти не меняется. Наиболее износостойки структуры с плас- тинчатым перлитом
Мартенсит Перенасыщенный твердый раствор углерода в а-железе (структура закалки) Имеет высокую прочность и твердость, обладает высокой износостойкостью
Графит Кристаллическая модифика- ция углерода (типы: пластин- чатый, хлопьевидный, шаро- видный) Включения графита (особен- но шаровидного) действуют как смазка, уменьшают коэффи- циент трения, повышают изно- состойкость
Таблица 5. 2
Микротвердость по зонам износа колец, Н/мм2
Места измерения Зона очагов Зоны микрорезания Зона усталостного
микротвердости коррозии деформации износа
На поверхности трения 8240 8240 9460
В сечении на расстоянии
от поверхности трения, мм:
0,05 7640 7840 7940
0,10 7640 7940 7940
0,15 7640 7840 7840
0,20 7740 7940 7840
2,00 7840 7840 7840
6,00 7840 7840 7840
74
Рис. 5.1. Зоны износа на повер: ности
трения уплотнительного кольта тор-
цевого уплотнения опорного катка
гусеничного тргктора (Хб):
/—зона очагов коррозии; II, IV — зоны
микрорезания и пластической деформации;
III—зона усталостного износа; Г'— бурт на
кольце.
б
Рис. 5.2. Микрофотографии поверх-
ностей трения уплотнительного
кольца торцевого уплотнения (Х260):
а—в зоне очагов коррозии; б—в зоне микро-
резания и пластической деформации; в — в
зоне усталостного износа; стрелками указано
направление скорости относительного сколь-
жения.
75
на поверхности трения уплотнительного кольца торцевого уплот-
нения опорного катка гусеничного трактора, а в табл. 5.2 — изме-
нение микротвердости на поверхности трения и в активном слое.
На рис. 5.3 показан абразивный износ торцевой поверхности зу-
бьев шестерни насоса НШ-32.
а
Рис. 5.3. Абразивный износ торцевой поверхности зубьев
шестеренного насоса НШ-32:
ведущей шестерни
а — Х8; б — Х32.
Изменение структуры металла активного слоя обусловлено
деформацией этого слоя, переходом механической энергии в теп-
ловую в зоне трения. В результате этого может произойти мгно-
венный местный нагрев микрообъемов поверхности трения, а при
выходе из контакта — их быстрое охлаждение.
В зависимости от взаимодействия процессов механического и
термического воздействий и степени их интенсивности в поверх-
ностном слое происходит местное изменение химического состава,
вторичная закалка или отпуск, процессы рекристаллизации и
т. д. Могут возникать и так называемые «белые зоны» — нерав-
новесные структуры, характеризующиеся особо напряженным
состоянием (рис. 5.4). Основные структуры, образующиеся при
трении (вторичный аустенит и вторичный мартенсит), имеют бо-
лее высокую микротвердость, чем металл в исходном состоянии,
и более высокую износостойкость.
Таким образом, износостойкость металла определяется не
только структурой в исходном (до трения) состоянии, но и струк-
турой, формирующейся при трении.
76
Рис. 5.4. Образование вторич-
ных неравновесных структур—
„белых зон” — на поверхности
трения (Х460).
На износостойкость оказывает значительное влияние процесс
возникновения, разрушения и воспроизводства на поверхности
трения вторичных образований в виде пленок окислов. Этот про-
цесс осуществляется в результате многократных нагружений еди-
ничных фрикционных связей.
При взаимодействии активных пластически деформированных
поверхностных слоев металла с кислородом воздуха или смазоч-
ного материала, адсорбирующегося на поверхности трения, обра-
зуются химически адсорбированные пленки, пленки твердых раст-
воров или химические соединения металла с кислородом. Удаление
их с поверхности трения протекает как стационарный процесс
динамического равновесия разрушения и восстановления пленок
окислов, при этом отделение частиц износа наступает в результа-
те многократно повторяющихся нагружений единичных фрикцион-
ных связей.
В ряде случаев в зависимости от конструкции узла трения на
рабочей поверхности задерживается некоторое количество частиц
износа, которые влияют на ход процесса изнашивания (как абра-
зивные частицы).
При конструировании новых материалов целесообразно созда-
вать структуры, предусматривающие (для локализации схваты-
вания) наличие твердых частиц, распределенных в сравнительно
мягкой основе. Для деталей, имеющих твердость выше HRC 50,
оптимальной является структура отпущенного мартенсита. При
твердости ниже HRC 50 лучшей износостойкостью обладает сталь
со структурой игольчатого троостита закалки. Для тяжело нагру-
женных деталей, подвергающихся цементации и закалке с низким
отпуском, недопустимо наличие сплошной карбидной сетки по
границам зерен. В этом случае после цементации и перед закал-
кой рекомендуется проведение дополнительной термообработки —
нормализации. Процесс термообработки и соответственно выбор
77
структуры стали должны разрабатываться так, чтобы в металле
наряду с прочностью обеспечивался запас пластичности, благода-
ря чему повышается ее сопротивление пластической деформации
и местному разрушению.
Одна из важнейших проблем современного машиностроения —
повышение износостойкости чугуна, который применяется для из-
готовления многих изнашивающихся деталей машин. Решающее
влияние на антифрикционные свойства и износостойкость чугуна
оказывают включения графита и фосфидная эвтектика чугуна,
которые определяются структурой, зависящей от состава сплава,
условий охлаждения литья и термической обработки. Износостой-
кость чугуна зависит также от содержания перлита: при увеличе-
нии содержания перлита до 30% износостойкость чугуна возрас-
тает, при дальнейшем увеличении содержания перлита износо-
стойкость чугуна почти не меняется. На антифрикционные
свойства чугуна влияют количество, форма и характер распреде-
ления графитовых включений в основной структуре. При работе
чугуна в паре трения графит выполняет двоякую роль: являясь
непрочной составляющей структуры чугуна, он уменьшает его со-
противление силам трения, а как продукт износа — играет роль
смазки. Положительное влияние графита сказывается и в том,
что в результате износа он заполняет мелкие поры на трущихся
поверхностях детали, уравнивая удельные давления, действующие
на поверхность. Установлено, что при одном и том же содержа-
нии графита износостойкость чугуна возрастает с уменьшением
размера графитовых включений.
Износостойкость чугуна зависит также от фосфидной эвтекти-
ки, в которую входит соединение Fe3P, имеющее высокую твер-
дость. Фосфидная эвтектика, находящаяся в виде твердого вклю-
чения в перлитной или мартенситной структуре, повышает изно-
состойкость чугуна (особенно при содержании фосфора в чугуне
в пределах 0,3—1,0%; большее содержание фосфора в чугуне
положительного влияния не оказывает). Если фосфидная эвтек-
тика находится в виде включений в ферритной основе чугуна, то
эти включения легко выкрашиваются из слабой ферритной основы
и начинают играть роль абразивных частиц в зоне трения, что
резко увеличивает износ. Неблагоприятное действие повышенного
содержания фосфора на износостойкость чугуна проявляется и
при повышенных температурах в зоне трения.
Исследованиями также установлено, что повышение износо-
стойкости чугуна при увеличении его твердости наблюдается
лишь тогда, когда это связано с повышением твердости металли-
ческой основы, а не графитовых включений. При неизменном сос-
таве металлической основы чугуна и его химического состава по-
вышение износостойкости происходит при наличии графитовых
78
включений шаровой (глобулярной), а не пластинчатой формы.
Отрицательно влияют на антифрикционные свойства чугуна внут-
ренние напряжения.
5.2. АНТИФРИКЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ
Общая классификация антифрикционных материалов дана на
рис. 5.5.
5.2.1. Баббиты
Баббитами называют мягкие антифрикционные сплавы на оло-
вянной и свинцовой основе (оловянисто-медная эвтектика), в
которой равномерно распределены твердые кристаллы (кристал-
лы 0-фазы SnSb или кристаллы сурьмы, иглы меди). Баббиты от-
личаются низкой твердостью (НВ 13—32), невысокой температу-
рой плавления (300—400°С), отлично прирабатываются и имеют
низкий коэффициент трения со сталью, хорошо удерживают
граничную масляную пленку. Мягкая и пластичная основа бабби-
та при трении в подшипнике изнашивается быстрее, чем вкрап-
ленные в нее твердые кристаллы других составляющих, в резуль-
тате при вращении шейка вала скользит по этим твердым крис-
таллам. При этом уменьшается поверхность фактического касания
трущихся поверхностей, что, в свою очередь, снижает коэффици-
ент трения и облегчает поступление смазки в зону трения. Благо-
даря хорошей прирабатываемости баббитов все неточности, воз-
никающие при обработке или сборке поверхностей трения, в про-
цессе работы быстро устраняются.
Антифрикционные свойства баббита зависят от толщины баб-
битового слоя, нанесенного на подложку (основной металл вкла-
дыша, обычно изготовляемый из стали).
В тонкослойных подшипниках (толщина слоя баббита менее
1 мм) баббит имеет гетерогенную (неоднородную) микрострукту-
ру с крупными твердыми кубическими кристаллами химического-
соединения SnSb (0-фазы), вследствие чего сопротивляемость
усталостным повреждениям под действием циклических нагрузок
довольно низкая. В отдельных локальных объемах кристаллов.
0-фазы накапливается пластическая деформация, и в слое бабби-
та возникают остаточные напряжения. В тонком слое баббита
внедрение в пластичную основу кристаллов твердой составляю-
щей, принимающей на себя нагрузку при работе, затруднительно.
Размеры таких кристаллов нередко соизмеримы с толщиной слоя.
В этом случае на отдельных участках скопления хрупких крис-
таллов 0-фазы возникает вероятность передачи давления через
эти кристаллы непосредственно от шейки вала на подложку (кор-
пус подшипника), минуя мягкую основу. В баббитовом слое при
7»
Рис. 5.5. Классификация антифрикционных материалов.
этом возникают микротрещины, которые при дальнейших цикли-
ческих нагрузках могут стать очагами усталостных трещин.
Инженерной практикой накоплен большой опыт в создании
надежных узлов трения с применением слоя баббита. Исполь-
зуемый для вкладышей баббит должен удовлетворять определен-
ным требованиям:
— толщина слоя 1—3 мм;
— не резко выраженная неоднородность структуры;
— • твердость до НВ 15—30 для улучшения прирабатывае-
мости;
— высокая сопротивляемость усталостному разрушению;
— прочность соединения баббита с корпусом (со стальной
подложкой).
Баббиты применяют для заливки подшипников скольжения,
работающих при удельных давлениях не более 10—15 МПа и
температуре не выше 100—120°С.
Приведем химический состав и основные свойства некоторых
марок баббитов, заливаемых в подшипники скольжения.
1) Б-83 (оловянистый баббит: сурьма — 10—12%, медь 5 - 6%,
олово — остальное): температура затвердевания /зт — 370°С, темпе-
ратура заливки /зал = 400 — 420°С, твердость НВ 30, коэффициент
трения по стали со смазкой / = 0,005, без смазки / = 0,28;
2) БН-БНМ (свинцовистый баббит; олово — 10%, сурьма —
13—15%, медь—1,5 — 2,0%, кадмий— 1,25—1,55%, никель —
0,75—1,25%, мышьяк - 0,5—0,9%, свинец—остальное): /зт=400°С,
/ал=450 - 4б0°С, НВ 29, / = 0,006, fx =0,27;
3) БМ (свинцовисто-мышьяковый: олово — 11 — 12%, свинец —
72 —75%, сурьма — 10 — 12%, медь — 1,5 — 2,0%, кадмий—1,3 —
1,8%, мышьяк —1,2-1,7%): /т=410°С, /чл = 450-460°С, НВ 30,
/ = 0,005, / =0,25.
5.2.2. Бронзы
В качестве антифрикционных сплавов широко используются
сплавы на медной основе (бронзы, реже латуни). Бронзы, приме-
няемые для изготовления подшипников скольжения, делят на оло-
вянные (БрОЦС 5-5-5 и др.) и безоловянные (БрСуНЦСФ
3-3-3-20-0,2 и др.). Бронзовые подшипники изготавливают как мо-
нометаллические (втулки, вкладыши и др.), так и биметалличе-
ские (стальная деталь с нанесенным слоем бронзы). В тяжело-
нагруженных трущихся деталях применяют высокопрочные алю-
миниевые бронзы (БрАЖ9-4Л, БрАМц9-2Л и др.).
Бронзы обладают высокими антифрикционными свойствами, в
парах трения со стальными, особенно закаленными, деталями. Ши-
рокое применение находят свинцовистые бронзы (БрБС-30 и др.),
6—796
51
имеющие высокую прочность и тем перату ростойкость (/Пл= 1050—
1100°С).
Антифрикционные свойства свинцовистой бронзы несколько
хуже, чем, например, баббитов, но она обладает повышенными
прочностными показателями и более тугоплавка.
Из-за плохой пластичности и прирабатываемости по валу
подшипников, изготовленных из бронз, необходима особенно тща-
тельная их подгонка и сборка и повышенная твердость шеек ва-
лов.
В меньшей степени, чем бронзы, в качестве антифрикционных
материалов применяются латуни — сплавы меди с цинком и
другими металлами. Это так называемые кремнистые (ЛКС
80-3-3 — содержание Si до 2,5—4%), марганцовистые (ЛМцС
58-2-2 — содержание Мп до 2,5%) н алюминиево-железистые ла-
туни (ЛАЖ 60-1-1Л — содержание А1 до 1,5%, Fe —до 1,5%). Из
антифрикционных латуней изготавливают втулки, подшипники,
арматуру.
5.2.3. Сплавы на алюминиевой и цинковой основе
Алюминиевые антифрикционные сплавы в последние годы
получили широкое распространение. По микроструктуре они име-
ют мягкую пластичную основу металла (алюминия) с включени-
ем твердых структурных составляющих (кристаллы FeAh, Al3Ni,
CuAls, Mg2Si, AlSb и др.). Состав некоторых сплавов: АСМ (0,1 —
0,7% Mg, 3,5—6,5% Sb, остальное —Al); АО-9-2 (1,0% Ni.
2,25% Си, 0,5% Si, 9% Sn, остальное — Al). Из алюминиевых
сплавов изготавливают как монометаллические детали (втулки,
шарниры и др.), так и биметаллические подшипники (их штам-
пуют из биметаллической полосы, состоящей из стальной полосы,
с нанесением при прокатке слоя алюминиевого сплава).
В последние годы для подшипников тяжело нагруженных
двигателей созданы алюминиево-оловянистые сплавы (до 30%
Sn), обладающие повышенной задиростойкостью даже в услови-
ях ухудшения смазки.
Цинковые сплавы, издавна используемые в качестве антифрик-
ционных материалов, хотя и не получили достаточно широкого
распространения, в то же время обладают рядом ценных свойств,
которые позволяют использовать их во многих случаях взамен
бронз и баббитов. Сплавы на цинковой основе (ЦАМ 9-1,5, ЦАМ
10-5) характеризуются низкой температурой плавления (»400°С),
в большей степени, чем у бронз и алюминиевых сплавов, размяг-
чением при нагревании и, таким образом, хорошей прирабаты-
ваемостью. Благодаря эффекту снижения абразивной активности
свободных абразивных частиц путем их утапливания в мягком
поверхностном слое подшипники из цинковых сплавов меньше
82
изнашивают сопряженные детали даже в условиях попадания
абразивных частиц. Цирковые сплавы технологичны при изготов-
лении как монометаллических, так и биметаллических трущихся
деталей. Легко достигается соединение цинкового сплава со
сталью как литьем,. так и прокаткой. Цинковые сплавы имеют
высокую пластичность и хорошую усталостную прочность. Из
цинковых сплавов изготавливают цельные и штампованные из
ленты втулки, которые находят применение, например, на желез-
нодорожном транспорте и др.
5.2.4. Пористые антифрикционные материалы
Пористые антифрикционные детали 'изготавливают прессова-
нием и последующим спеканием порошков на железной и медной
основах. В качестве обязательных добавок к ним применяют са-
мосмазывающиеся порошки графита, дисульфида молибдена,
нитрида бора и др. Обычно пористые антифрикционные материа-
лы перед установкой в 'злы трения пропитывают смазочным ма-
териалом и используют в условиях недостатка смазки или недо-
пустимости применения системы смазывания. В процессе работы
пары трения с повышением температуры масло автоматически
выделяется из пор и поступает в зону фактического контакта.
Эти детали устойчиво работают и в условиях обильной смазки.
Спеченные из порошков пористые антифрикционные детали обла-
дают хорошими прочностными и антифрикционными свойствами
и находят широкое применение.
Железнографитовые спеченные материалы (ЖГр-1, ЖГр-3 и
др.) используют при удельных давлениях до 15 МПа и темпера-
туре до 150°С; меднографитовые спеченные материалы — при
давлениях не более 6—8 МПа и температуре до 80°С.
5.2.5. Материалы на основе полимеров
Полимеры (термопласты и термореактивные материалы) мо-
гут использоваться в качестве антифрикционных материалов как
в чистом виде, так и в виде композиций с различными наполните-
лями. Из полимеров изготавливают зубчатые колеса, шкивы, тру-
щиеся элементы подшипников скольжения, кулачковых механиз-
мов, направляющих, уплотнений, сепараторы шарикоподшипников,
крепежные детали и т. д.
Антифрикционные материалы на основе термопластов отличает
высокая технологичность, низкая себестоимость, хорошие демп-
фирующие свойства. Трущиеся детали из термопластов изготавли-
вают высокопроизводительными способами — литьем под давле-
нием и экструзией, крупногабаритные детали — центробежным
литьем, ротационным формованием, анионной полимеризацией
83
мономера непосредственно в форме, нанесением антифрикционных
покрытий из расплавов, порошков, дисперсий.
Термореактивные материалы, перерабатываемые преимущест-
венно методами компрессионного и литьевого прессования, более
термостойки и прочны. Порошкообразные термореактивные ком-
позиции наносят в виде тонкослойных покрытий.
Из термопластов в качестве антифрикционных материалов
наиболее широко используют полиамиды (капрон, П-68, капролон
и др.), обладающие низким коэффициентом трения и высокой из-
носостойкостью, работающие при температуре от —40°С до
+ 80°С. Недостатком полиамидов является их относительно высо-
кое масло- и водопоглощение. Деталям из полиамидов свойствен-
на хорошая сопротивляемость воздействию циклических и удар-
ных нагрузок, возможность работы без смазки в паре с закален-
ной сталью, незначительная изнашиваемость. Коэффициент трения
полиамидов по стали без смазки 0,1—0,2, со смазкой маслом
0,05—0,1.
Для улучшения прочностных характеристик полиамиды арми-
руют, а для повышения антифрикционных свойств — наполняют
твердыми смазочными материалами. В качестве твердых смазоч-
ных материалов применяют графит, дисульфид молибдена и тальк,
а в качестве армирующего наполнителя — мелконарубленное
стеклянное волокно.
Температурный коэффициент линейного расширения и водо-
поглощение наполненных и армированных полиамидов в 1,5—4
раза меньше, коэффициент трения без смазки в 1,2—2,0 раза боль-
ше, а интенсивность изнашивания в 2—5 раз ниже, чем у нена-
полненных полиамидов.
Полиамиды применяют в качестве тонкослойных покрытий.
Такие покрытия получают из растворов, суспензий, паст, распла-
вов и плакированием, а также из порошкообразных полиамидов
(капрона и капролона В). Свойства покрытия зависят от его тол-
щины, конструкции узла трения и условий эксплуатации. Толщина
покрытия выбирается с учетом физико-механических свойств по-
лимера и шероховатости контртела. Так, для капрона оптималь-
ной считается толщина покрытия, примерно равная 0,3 мм. С
уменьшением толщины покрытия снижается его демпфирующая
способность, увеличиваются нагрузки. При толщине, превышающей
оптимальную, коэффициент трения возрастает, уменьшается из-
носостойкость вследствие ухудшения теплоотвода и роста тепло-
вой напряженности в узле трения.
В машиностроении для изготовления антифрикционных дета-
лей применяют фторопласты и композиции на их основе. Фторо-
пласты обладают высокой химической стойкостью и высокой
температуростойкостью (до +300°С). На них оказывают влияние
' 84
расплавленные щелочные металлы и их комплексы, а также трех-
хлористый и элементарный фтор при повышенных температурах
и практически не действуют кислоты, окислители, щелочи, раст-
ворители. При температурах свыше + 350°С фторопласты реаги-
руют с некоторыми металлами и окислами. Коэффициент трения
многих из них, в особенности фторопласта-4, при трении по ме-
таллу очень низок; не превышает обычных коэффициентов трения
смазываемых металлических пар трения.
Несмотря на низкий коэффициент трения применение фторо-
пластов в чистом виде ограничено из-за низкой прочности и не-
удовлетворительных технологических характеристик. Используют-
ся в основном различные комбинации фторопластов с другими
материалами. Введение различных наполнителей (кокс, графити-
зированный кокс, искусственный графит, дисульфид молибдена,
стекловолокно, металлические порошки) в количестве 15—30% от
объема позволяет значительно повысить износостойкость фторо-
пластов. Использование фторопластов в виде лаков, паст, суспен-
зий для изготовления антифрикционных материалов и в качестве
антифрикционных наполнителей в различных композициях на ос-
нове термопластичных и термореактивных полимеров уменьшает
коэффициент трения и снижает интенсивность изнашивания мно-
гих узлов трения.
В последнее время в качестве антифрикционных материалов
применяют полиолефины (полиэтилен высокого давления, поли-
этилен низкого давления, полиэтилен среднего давления, поли-
пропилен и др.) как в чистом виде, так и в композициях с напол-
нителями. Полиолефины стойки к действию большинства кислот,
щелочей, при температуре 20°С не растворяются в органических
растворителях. Однако сильные окислители (азотная кислота и
др.), хлор, фтор их разрушают и при повышенных температурах
они растворяются во многих органических растворителях.
На основе полиолефинов получают многочисленные компози-
ции, вводя различные добавки и наполнители (сажу, каучук,
стекловолокно, древесные опилки и т. д.), что позволяет создавать
материалы с высокой износостойкостью и коэффициентом трения
0,1—0,15.
К недостаткам полиолефинов относится низкая теплостой-
кость (детали трения из полиолефинов могут длительно эксплуа-
тироваться при температуре не выше 60°С, кратковременно — до
80°С). Все это снижает возможность применения полиолефинов в
машиностроении.
Для изготовления ряда машиностроительных деталей повы-
шенной точности (шестерен, манжет, уплотнительных колец и
т. д.) применяют пентапласт. Он обладает высокой химической
стойкостью, малым водопоглощением. Изделия из пентапласта
85
I
можно длительно эксплуатировать при температуре 120—Г30°С,
а кратковременно — при 135—150°С. Пентапласт перерабатывают
всеми методами на оборудовании, применяемом для термоплас-
тов. Коэффициент трения при 20°С и давлении 5 МПа для пары
трения пентапласт — пентапласт — 0,14, для пары пентапласт —
сталь — 0,12. Чтобы улучшить физико-механические и антифрик-
ционные свойства, в пентапласт вводят минеральные наполнители
(графит, слюда, стекловолокно, окись хрома и др.).
Для изготовления ряда машиностроительных деталей (шес-
терен, втулок, муфт сцепления и т. д.) применяют и полифор-
мальдегид. Он имеет высокую стойкость по отношению к органи-
ческим растворителям, к действию горячей воды, растворов солей,
морской воды, щелочей, растворов органических кислот. Изделия
из полиформальдегида обладают высокой жесткостью, стабиль-
ностью размеров, высокой износостойкостью, стойкостью к старе-
нию; их можно эксплуатировать при температуре до 120°С. Коэф-
фициент трения ненаполненного формальдегида по стали без
смазки 0,30—0,35. Чтобы повысить износостойкость и снизить ко-
эффициент трения, полиформальдегид наполняют стекловолокном,
фторопластом, дисульфидом молибдена, сажей. Так, введение в
сополимер полиформальдегида 15—20% фторопласта снижает из-
нос в 3—4 раза и коэффициент трения — в 1,5—2 раза.
Поликарбонат находит применение в машиностроении и при-
боростроении, в радио- и электротехнической промышленности
для изготовления деталей точных станков, приборов, вычисли-
тельных машин и т. д. Поликарбонат стоек к атмосферным воз-
действиям (пригоден для использования в тропических условиях),
к действию воды, водных растворов минеральных кислот и солей,
окислителей, масел, в то же время он растворяется в ряде раст-
ворителей (ацетон, толуол и др.) и набухает в бензине.
Поликарбонат перспективен для использования в условиях
низких и сверхнизких температур, при работе в среде газообраз-
ного и жидкого азота, водорода и гелия при температурах до
—253°С. Он обладает высокой ударной прочностью и стабиль-
ностью размеров изделий, малой ползучестью. Однако он плохо
сопротивляется циклическим воздействиям и имеет низкую уста-
лостную прочность.
Промышленностью выпускаются поликарбонаты дифлон и на-
полненный 25% по массе стекловолокном дифлон СТН. Введение
•наполнителей повышает эксплуатационные свойства поликарбона-
та. Так, в результате введения в него 15—20% фторопласта в
2—3 раза снижается коэффициент трения и в 10—30 раз возрас-
тает износостойкость. Освоено производство и так называемого
антифрикционного поликарбоната, представляющего собой диф-
лон, модифицированный фторопластом-4. У этого материала со-
86
храняются высокие физико-химические, физико-механические и
диэлектрические свойства поликарбоната и одновременно в 1,5—
2 раза улучшаются антифрикционные свойства. Антифрикционный
поликарбонат перерабатывают литьем под давлением и экструзи-
ей и применяют в узлах трения без смазки.
Полиарилаты — термопластичные полимеры, из которых лить-
ем под давлением или литьевым прессованием изготавливают де-
тали узлов трения. Полиарилаты отличаются высокой теплостой-
костью (детали из них могут работать длительное время при тем-
пературе 160—180°С, а кратковременно -— при температуре
230°С), сопротивляемостью ионизирующим излучениям, имеют хо-
рошие диэлектрические свойства, плавятся при температуре 255—
285°С, морозостойки (могут работать при температуре до
— 100°С), достаточно химически стойки.
Для улучшения антифрикционных свойств полиарилаты напол-
няют твердыми смазочными материалами.
Полиарилаты — перспективный полимерный материал.
Другими сравнительно новыми и перспективными полимерны-
ми материалами являются полиимиды. Это теплостойкие терморе-
активные полимеры, применяющиеся в качестве связующего для
изготовления антифрикционных композиций. На основе полиими-
дов выпускают композиции, наполненные дисульфидом молибдена
и графитом, для которых характерна высокая радиационная и хи-
мическая стойкость.
Детали узлов трения из полиимидных композиций могут дли-
тельное время эксплуатироваться при температуре 220—260°С.
Изделия из таких композиций получают в основном компрес-
сионным прессованием.
Разработан новый антифрикционный полиимидный композици-
онный материал, предназначенный для изготовления конструкци-
онных антифрикционных деталей, подверженных значительным
вибрационным нагрузкам.
Ароматические полиамиды применяют для изготовления дета-
лей узлов трения в ненаполненном и наполненном (фтороплас-
том, графитом, дисульфидом молибдена и другими твердыми
смазочными материалами) виде. Детали из ароматических поли-
амидов отличаются высокой прочностью и теплостойкостью; их
изготавливают методами компрессионного и литьевого прессова-
ния. Выпускаемые промышленностью ароматические полиамиды
под названием фенилон стойки против многих химических веществ,
масел, бензина. В воде фенилон ведет себя подобно полиамидам
и может поглотить до 10% влаги, при этом размеры деталей из
него увеличиваются до 2%.
Детали из фенилона можно эксплуатировать при температуре
от — 50 до +200°С. Наполнение фенилона твердыми смазочными
87
материалами намного улучшает его антифрикционные свойства.
Фенилон применяют для изготовления подшипников скольже-
ния, уплотнений, подпятников, кулачков, зубчатых колес, сепара-
торов шарикоподшипников, деталей клапанов и т. д.
Из эпоксидных и фурановых полимеров компрессионным или
литьевым прессованием изготавливают антифрикционные детали
только с наполнителями — графитом и дисульфидом молибдена.
Коэффициент трения композиций на основе эпоксидных и фу-
рановых полимеров без смазки по стали 0,15—0,25, при смазке
может достигать 0,05. Детали из этих материалов хорошо рабо-
тают в вакууме; выдерживают температуру от—100 до +150°С
(эпоксидные полимеры) и от —100 до +200°С (фурановые поли-
меры).
Антифрикционные пластики АМАН представляют собой много-
компонентные системы, в которых в качестве связующего исполь-
зованы специальные термо- и теплостойкие полимеры. Детали из
этих материалов бензо-, масло- и влагостойки, вибропрочны, стой-
ки к радиационному облучению. Из материалов типа АМАН, пе-
реработанных методами литьевого или компрессионного прессова-
ния, изготовляют детали, которые применяются в узлах сухого
трения в высоком вакууме при температуре от —200°С до
4-300°С, а также сепараторы высокоскоростных подшипников, зуб-
чатые колеса и другие детали.
Материалы на основе древесины применяют для изготовления
деталей узлов трения (подшипников, направляющих скольжения
и т. д.). Древесина — природный полимерный материал, имеющий
характерное строение: высокопрочные волокна целлюлозы связа-
ны лигнином в жесткую и прочную капиллярно-пористую струк-
туру. Это представляет широкие возможности для улучшения
свойств древесины путем направленного ее наполнения и рацио-
нального сочетания с другими материалами. Среди новых путей
решения этой проблемы — сочетание прессования с наполнением
различными активными наполнителями (полимерами, соедине-
ниями металлов и т. д.). Из наполненных древесных материалов
изготавливают подшипники скольжения, работающие в условиях
повышенной запыленности (в литейных цехах, на строительных и
сельскохозяйственных транспортерах).
5.2.6. Ленточные (слоистые) материалы
Ленточные материалы состоят из твердой (стальной) основы,
переходного (слой меди) и антифрикционного слоя. В качестве
антифрикционного слоя обычно используют спекаемый на сталь-
ной основе пористый бронзовый слой из сферического бронзового
порошка (диаметр частиц 0,063—0,16 мкм), пропитанный соста-
вом, содержащим 75% фторопласта-4 и 25% дисульфида молиб-
88
дена. Из полученной таким образом металлофторопластовой лен-
ты штампуют подшипники, втулки, упорные кольца, шарниры,,
вкладыши и другие детали.
Металлофторопласт способен работать без смазки и при тем-
пературе от—200 до +280°С, имеет низкий коэффициент трения,
со сталью (0,02—0,25), обладает высокой прочностью, теплопро-
водностью и химической стойкостью.
Металлофторопластовые подшипники применяют без смазки
при высоких удельных нагрузках и малых скоростях скольжения,
(в авиационной, автомобильной, текстильной промышленности, в-
приборостроении и др.).
5.2.7. Углеграфитовые материалы
Различают следующие основные типы антифрикционных мате-
риалов на основе углерода:
— углеродные обожженные материалы;
— углеродные графитированные (без пропитки и пропитанные)!
материалы;
— графитопластовые материалы;
— графитофторопластовые материалы.
Углеграфитовые материалы, отличающиеся хорошими анти-
фрикционными свойствами, высокой теплостойкостью, высокой
удельной теплоемкостью, легкостью механической обработки, ши-
роко применяются в узлах трения.
Антифрикционные углеродные обожженные материалы имеют
повышенную твердость и прочность, коэффициент трения их с ме-
таллами равен 0,05—0,10. Эти материалы химически стойки. С
повышением температуры прочность их повышается, а коэффици-
ент трения снижается.
Работоспособность углеграфитовых материалов зависит от сос-
тава и влажности газовой среды, в которой они эксплуатируются..
При наличии на поверхности трения пленок или капель влаги,
износ и коэффициент трения углеродных антифрикционных мате-
риалов возрастают примерно в 10 раз, у материалов, пропитан-
ных металлами, — в 2 раза. После пропитки металлом углерод-
ные материалы становятся непроницаемыми для жидкостей и
газов при высоком давлении, повышается их прочность, а в отдель-
ных случаях — улучшаются антифрикционные свойства.
Графитофторопластовые материалы менее прочны по сравне-
нию с углеродными, но более упруги, плотны и непроницаемы для
жидкостей и газов, обладают высокими антифрикционными свой-
ствами.
Для изготовления деталей узлов трения, работающих без смаз-
ки, а также в воде, керосине, масле, жидком кислороде, применя-
ют антифрикционные графитопластовые самосмазывающиеся
89
Рис. 5.6. Примерная схема выбора материала для трущихся деталей.
$0
материалы, которые представляют собой высоконаполненные ком-
позиции на основе порошковых углеродных твердых смазочных
материалов, связанных смолами повышенной термостойкости
(эпоксидными, кремнийорганическими и др.). Термостойкость этих
материалов при длительной эксплуатации достигает 180—200°С.
Углеграфитовые материалы применяют в торцевых уплотнени-
ях, поршневых кольцах, сальниках кислородных насосов и др.
5.3. МЕТОДИКА ПОДБОРА МАТЕРИАЛОВ ПАР ТРЕНИЯ
Триботехника к настоящему времени накопила большой опыт,
позволяющий сформулировать общие принципы и методику под-
бора материалов для пар трения. На рис. 5.6 представлена схема
выбора материала для трущихся деталей.
Рассмотрим подробнее отдельные этапы этой методики.
Анализ условий эксплуатации
А. Условия нагружейия и характеристика окружающей среды:
— нагрузка и место ее приложения;
— • частота вращения (скорость скольжения);
— режим нагружения (статический, динамический и т. д.);
— ускорение;
— атмосферные условия (влажность и т. д.);
— температура;
— вид рабочей среды и ее концентрация;
— электрические воздействия;
— возможность попадания инородных частиц (абразив и т. д.).
Б. Геометрические и конструктивные требования:
— габариты узла;
— требуемая точность;
— особые требования к конструкции узла (взаимодействие с
другими узлами и т. д.).
В. Эксплуатационные требования:
— показатели надежности;
— срок службы;
— необходимость и возможность контроля за работой узла;
— энергоемкость;
— коэффициент трения;
— шум;
— демпфирование;
— токсичность;
— ионизирующие излучения;
— тазовыделение;
— условия хранения.
Г. Экономические и технологические требования:
— объем производства;
91
— стоимость готового изделия;
— затраты энергии на производство;
— производительность оборудования;
— масса изделия;
— внешний вид и отделка;
— другие сведения.
На основе анализа условий эксплуатации составляется техни-
ческое задание на проектирование узла трения (детали).
Предварительный выбор материала
Вначале выбирают группу материалов (черные металлы, баб-
биты, бронзы, полимеры и т. д.), наиболее подходящую для изго-
товления деталей узла трения. Затем с учетом справочных дан-
ных производят предварительный отбор материала для каждой
из деталей узла трения.
Р а с ч е т н о-к инструктивная оценка
р а б о т о сп о с о б и ос т и узла трения
Прежде всего определяют оптимальные габариты узла трения
и его конструкцию. Важным элементом геометрического расчета
является установление зазоров в сопряжениях. Следует помнить,
что повышенные требования к точности связаны с опасностью
заклинивания при нагреве. Далее определяют нагрузочную спо-
собность детали (рассчитывают на прочность и деформативность),
а затем оценивают фрикционные характеристики сопряжения
(рассчитывают коэффициенты трения, определяют тепловую на-
пряженность). И в последнюю очередь производят проверку узла
трения на долговечность (рассчитывают интенсивность изнашива-
ния). По результатам расчетов ведется конструктивная коррек-
тировка и доработка узла трения.
Окончательный выбор материала
Отобранные в результате предварительных оценок и расчетов
материалы деталей пары трения необходимо экспериментально
исследовать. Вначале проводят лабораторную оценку материалов
на образцах, основывающуюся на применении по возможности
стандартизированных методик и оборудования, выборе схем взаи-
модействия образцов и режимов трения, близких к эксплуатаци-
онным, в соответствии с методами моделирования. Следующий
этап — испытание натурных образцов в условиях, наиболее близ-
ко имитирующих эксплуатационные. На основании испытаний
натурных образцов решается вопрос о проведении опытно-про-
мышленной проверки.
Опытно-промышленная проверка служит основным критерием
окончательного выбора материала для деталей узла трения.
92
5.4. ПРИМЕР ПОДБОРА МАТЕРИАЛОВ ПАР ТРЕНИЯ
Пусть, например, необходимо подобрать материал для пары
уплотнительных колец 1 и 2 торцевого уплотнения опорного кат-
ка гусеничного трактора, показанного на рис. 8.2, поскольку су-
ществующие аналогичные торцевые уплотнения, в которых уплот-
нительные кольца 1 и 2 изготовлены из стали ШХ-15 (HRC
56-60), не удовлетворяют условиям эксплуатации. Недостатком
названных торцевых уплотнений является высокая интенсивность
изнашивания в условиях абразивного изнашивания, в результате
чего снижается рабочее усилие, развиваемое пружиной сжатия 3,
увеличивается утечка жидкого смазочного материала из уплот-
няемого узла, ухудшаются условия работы подшипника 10. Вслед-
ствие преждевременной утечки масла из узла подшипник 10 быст-
ро выходит из строя, рассыпается.
5.4.1 Анализ условий эксплуатации
Анализ условий эксплуатации удобно вести в форме таблицы,
л которой отражаются сведения по существующему узлу (прото-
типу) и по проектируемому узлу (табл. 5.3).
Табл. 5.3 является по существу техническим заданием на про-
ектирование узла трения, так как она содержит все основные све-
дения, необходимые для разработки конструкции узла.
Таблица 5.3
Анализ условий эксплуатации узла
Параметры Существующий узел (прототип) Проектируемый узел
1 2 3
А. Условия нагружения и л 1. Нагрузка (кПа) и место ее i приложения 2. Частота вращения, с-1 3. Скорость скольжения, м/с 4. Режим нагружения 5. Атмосферные условия 6. Температура, °C 7. Вид рабочей среды 8. Возможность попадания ино- родных частиц арактеристика окружающей среды 70—80 три номинальных размерах колец; приложена по торцу колец 2,3 —3,7 0,5 —0,8 Динамический Работа на открытом воздухе в любую погоду круглый год: сильная запыленность От — 20 до + 60 Масло АК-10 Неизбежно попадание абразивных частиц (пыли) 93
Продолжение
1 2 1 3
Б. Геометрические и конструктивные требования
9. Габариты узла Диаметр колец 100 мм; толщина 6 мм
10. Требуемая точность изго- товления колец: по диаметру по толщине 11. Основные требования к конструкции узла ± 0,05 мм ±0,1 мм Узел должен обеспечить минимальную утечку масла; в промежутках между двумя ТО (240 моточасов) в уплотняемом узле должно остаться не менее 50% заливае- мого масла.
В. Эксплуатационные требования
12. Показатели надежности: вероятность безотказной работы через:
1000 моточасов 1500 2000 3000 13. Срок службы, моточасов 14. Необходимость и возмож- ность контроля работы узла 15. Коэффициент трения 16. Шум 17. Токсичность 18. Ионизирующие излучения 19. Условия хранения 0,650 0,400 0,150 0,001 1800 Контроль работы у. во время техническо гласно инструкциг 0,15-0,2 При хранении в ус- ловиях повышенной влажности наблюда- ется коррозия | 0,8 0,6 0,3 ОД 3200 :ла осуществляется го обслуживания со- ло эксплуатации 0,1—0,15 Обеспечить умень- шение коррозии.при хранении
Г. Экономические и технологические требования
20. Объем производства 21. Стоимость готового изде- лия, руб. 22. Производительность шт/ч на единицу оборудования 23. Масса изделия, кг 24. Внешний вид и отделка 25. Другие сведения Масс 0,58 200 0,450 Особых требований На поверхности тре колец имеются три з разивного износа, зо лидеформирования, з носа) и зона очагов видом изнашивания я эвое 0,35 — 0,40 300 До 0,350 нет ния уплотнительных эны износа (зона аб- :ia пластического по- она усталостного из- коррозии. Ведущим вляется абразивное
94
5.4.2. Предварительный выбор материала
На основе анализа существующих аналогичных конструкций
торцевых уплотнений устанавливаем, что в качестве уплотнитель-
ных колец применяют следующие сочетания материалов: закален-
ная сталь — закаленная сталь; углеграфитовый материал — за-
каленная сталь; полимерный материал — закаленная сталь.
Пара трения закаленная сталь — закаленная сталь, применяе-
мая в прототипе, показала неудовлетворительную работоспособ-
ность: малый срок службы, низкую износостойкость, значитель-
ную утечку масла. Пара трения углеграфитовый материал —
закаленная сталь по предварительным оценкам имеет ряд сущест-
венных недостатков: относительно высокая стоимость и трудоем-
кость изготовления углеграфитового кольца, слабая стойкость при
абразивном изнашивании.
Поэтому в качестве материалов пары трения предварительно:
назначаем сочетание материалов полимерный материал — зака-
ленная сталь. Такое сочетание материалов уплотнительных колец
может иметь достаточно хорошие антифрикционные и антикорро-
зионные свойства. Кроме того, сближение трущихся поверхно-
стей колец под одной и той же нагрузкой для пары полимер — ме-
талл больше, чем для пары металл — металл, а следовательно, гер-
метизирующая щель (зазор) для утечки масла между кольцами
для пары полимер — металл должна быть меньше, что очень важно*
для торцевого уплотнения.
Предварительный выбор пары полимер — металл также эко-
номически выгоден, поскольку из большинства освоенных промыш-
ленностью полимерных материалов изготовить кольцо будет де-
шевле, чем из стали ШХ-15.
5.4.3. Расчетно-конструктивная оценка
работоспособности узла трения
В нашем примере габариты узла трения и его принципиальная
конструкция заданы, поэтому геометрических расчетов узла тре-
ния нет надобности производить. Оценку нагрузочной способнос-
ти уплотнительных колец можно дать без расчетов, так как удель-
ные нагрузки (70—80 кПа) в паре трения очень малы. Можно
с уверенностью утверждать, что уплотнительные кольца при дан-
ных нагрузках будут достаточно прочны, а деформация будет
практически отсутствовать.
Для определения коэффициента трения в паре уплотнительных,
колец воспользуемся методикой, изложенной в разделе 2.4. В ре-
зультате расчетов устанавливаем, что величина коэффициента
трения для пары полимер — металл имеет удовлетворительное
95
значение (например, для пары капролон В — сталь ШХ-15 рас-
четный коэффициент трения /=0,085—0,090).
Чтобы оценить долговечность пары трения, необходимо рас-
считать интенсивность изнашивания по формулам (4.23, 4.24) с
учетом того, что нагрузка ,в паре трения (создаваемая пружиной
сжатия) является величиной переменной: она линейно уменьшает-
ся в зависимости от величины износа пары трения.
Расчеты показывают, что интенсивность изнашивания пары
полимер — металл значительно ниже, чем пары металл — металл, а
долговечность пары полимер — металл до достижения предельного
износа (определяемого величиной предельной утечки масла) сос-
тавляет 3000—3200 часов (а для пары металл — металл 1800—2000
часов). По результатам расчетов производим конструктивную кор-
ректировку узла. В данном случае целесообразно изменить кон-
струкцию пружины, прижимающей кольца друг к другу, с целью
придания ей более пологой нагрузочной характеристики.
5.4.4. Окончательный выбор материалов
По результатам предварительных оценок и расчетов для одно-
го из уплотнительных колец в качестве материала назначаем по-
Таблица 5.4
Ряд износостойкости пластмасс при усталостном изнашивании (трение
по стали без смазки; нагрузка Руд = 230 кПа, скорость скольжения
"О = 1 м/с)
Материал Скорость изнаши- вания, мкм/ч
Фторопласт - 4 Капролон+5% графита Капролон В Поликарбонат Капролон + 10% графита Текстолит Полиамид П- 68 Капролон + 20% графита Капрон первичный Капролон у 5% талька Полиэтилен среднего давления Полиамид АК - 80/20 Полиамид АК - 7 Полиамид АК - 60/40 Капролон + 1% двуокиси титана Полиэтилен низкого давления (н. д.) + 1,5% сажи Полиэтилен н. д. , Стекловолокнит АГ - 4В Волокнит 5,1 6,5 7,9 8,6 8,9 9,6 9,8 10,3 10,5 10,7 10,8 12,9 13,1 13,6 14,1 15,5 17,5 19,2 22,8
.96
Т а б л иц a 5. 5
Ряд износостойкости пластмасс при абразивном изнашивании (трение
по абразивной шкурке)
Материал Показатель истирания при абразивном изна- шивании, мм3 /м
Капролон В 8,12
Капролон + 5% графита 8,33
Капролон + 5% талька 8,37
Капролон + 10% графита 8,38
Капролон + 1% двуокиси титана 8,95
Капролон + 20% графита 9,58
Полимид П - 68 9,72
Полиамид АК-80/20 10,00
Полиамид АК - 60/40 10,22
Полиамид АК - 7 10,61
Капрон первичный 11,00
Полиэтилен среднего давления 11,08
Полиэт илен низкого давления (н.д.) 11,62
Полиэтилен н.д. -t 1,5% сажи 11,91
Текстолит 17,87
Волокнит 25,42
Поликарбонат 25,63
Фторопласт - 4 29,20
Стекловолокнит АГ - 4В 37,75
лимер, а для другого — закаленную сталь. Затем из большого
количества применяемых полимерных материалов выбираем ма-
териал, стойкий к абразивному и усталостному изнашиванию. С
этой целью проводим лабораторные исследования сравнительной
износостойкости различных полимеров (в основном наиболее
распространенных и технологичных пластических масс) при уста-
лостном и абразивном изнашивании, в процессе которых получа-
ем два ряда износостойкости (табл. 5.4, 5.5).
Материалами, наиболее износостойкими при обоих видах изна-
шивания, оказались: капролон +5% графита, капролон В и кап-
ролон +10% графита. Эти материалы выбираются для дальней-
ших лабораторных испытаний.
Далее проводим лабораторные стендовые испытания торцевых
уплотнений с уплотнительными кольцами, изготовленными из трех
выбранных полимерных материалов, и сопряженным кольцом —
из стали ШХ-15, в ходе которых производим физическое модели-
рование условий эксплуатации, подбираем схемы взаимодействия
уплотнений и режимы трения, близкие к эксплуатационным, оце-
ниваем износостойкость и герметичность торцевых уплотнений.
Результаты стендовых испытаний показали, что наименьшей
7—796
97
утечкой масла и наибольшей износостойкостью обладают уплот-
нительные кольца, изготовленные из капролона, наполненного
5% графита, в паре с кольцами из стали ШХ-15. Это сочетание,
материалов пары трения и должно быть назначено для натурных
испытаний.
После натурных испытаний изготавливаем и испытываем опыт-
но-промышленную партию узлов трения, а затем по результатам
испытания принимаем окончательное решение по выбору материа-
лов деталей пары трения.
5.5. ФРИКЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ
5.5.1. Особенности фрикционных динамических устройств
Фрикционные материалы применяются для изготовления пар
трения фрикционных динамических устройств. Во фрикционной
паре при помощи сил трения кинетическая энергия движущихся
масс превращается в тепловую. Силы трения совершают опреде-
ленную работу, которая оказывает воздействие на фрикционные
материалы, в результате чего повышается температура этих ма-
териалов и в рабочем (поверхностном) слое происходят изме-
нения.
Фрикционные устройства применяются для разгона и передачи
движения (муфты сцепления) и остановки (тормозные устройст-
ва) транспортных средств, для передачи и изменения направле-
ния движения в приводах технологического оборудования (всевоз-
можные муфты и фрикционные регуляторы). Наиболее распрост-
раненными фрикционными устройствами являются тормозные:
ленточные (рис. 5.7), колодочные (рис. 5.8), камерные (рис. 5.9),
однодисковые (рис. 5.10) и многодисковые (рис. 5.11) конструк-
ции тормозов. Муфты бывают также дисковые (одно- и многодис-
ковые) и колодочные.
Каждая конструкция состоит из ведущей и ведомой частей.
В тормозах в отличие от муфт ведомая часть всегда неподвижна.
В ленточных и колодочных конструкциях контакт ведомой и ве-
дущей частей осуществляется путем прижатия фрикционного эле-
мента, закрепленного на гибкой ленте, или жесткой колодки к
вращающемуся барабану (валу). Трение здесь всегда возникает
только со стороны одной (внутренней) или внешней поверхности
касания. В дисковых конструкциях применяют обычно двухсто-
роннее трение, благодаря чему лучше используется объем конст-
рукции и увеличивается энергоемкость фрикционного узла. В
многодисковых конструкциях, работающих в масляной ванне или
в условиях трения без смазки, момент трения складывается из
суммы моментов, создаваемых каждой парой дисков (неподвиж-
ного и подвижного). Это наиболее компактная конструкция.
98
Рис. 5.8. Колодочный тормоз:
1 — барабан (вращается); 2 — колодки.
Рис. 5-7. Ленточный
тормоз:
/ — барабан (вращается);
2 — лента с колодками.
Рис. 5.9. Камерный тор-
моз:
Рис. 5.10. Однодисковый
тормоз:
7 — диск (вращается); 2—ко-
лодки.
7—барабан (вращается); 2 —
камера; 3—корпус; 4—ко-
лодка.
Рис. 5.11. Многодисковый тормоз:
/ — диски (вращаются); 2~ корпус, соединенный
с невращающим ися дискам и.
99
Для фрикционной пары важным показателем является кон-
тактная жесткость, которая зависит от шероховатости и волнис-
тости поверхности ее элементов, податливости материала (в на-
правлении приложения силы) и конструкции, на которой закреп-
лен материал. Чем больше податливость фрикционного элемента
в нормальном и тангенциальном направлении, тем равномернее
распределение фактических нагрузок на контакте, тем выше и
стабильнее значения коэффициента трения, что снижает темпера-
туру контакта и температурные напряжения в деталях. Податли-
вость фрикционного контакта обеспечивается введением подслоя
(например губчатой резины), увеличением числа независимо дей-
ствующих элементов, созданием прорезей в каркасах и т. п.
Важной эксплуатационной характеристикой фрикционных муфт
является инерционность tK фрикционного контакта—время нараста-
ния момента трения Л1Т после приложения нагрузки и время умень-
шения 7ИТ до нулевого значения после ее снятия. При работе в
масляной ванне уменьшению /и способствуют канавки на поверх-
ностях трения, благодаря которым улучшается также отвод тепла
и продуктов износа.
Режим работы фрикционного узла оценивают по важному для
подбора пар трения показателю—продолжительности скольжения
— кратковременное скольжение. . .
— длительное скольжение...........
— квазистационариый режим . . . .
— стационарный режим..............
/т < 60 с;
60 с < /т<300 с;
300 с </т < 1000 с;
> 1000 с.
На нормальную .работу фрикционного узла существенное влия-
ние оказывает внешнее энергетическое воздействие, приводящее
к изменению коэффициента трения скольжения в паре и интен-
сивности изнашивания (табл. 5.6).
Таблица 5. 6
Влияние внешних энергетических воздействий на коэффициент трения
и интенсивность изнашивания фрикционной пары
Вид энергии Способ воздействия Изменение коэффи- циента трения скольжения Изменение интенсив- ности изнашивания
Тепловая Электри- ческая Электро- магнитная Ядерная Нагрев или охлаждение окружающей среды Прохождение электриче- ского тока через пару трения Трение в сильном маг- нитном поле Предварительное облуче- ние поверхностей треиия Уменьшается (увеличивается) в 2—3 раза Уменьшается (увеличивается) в 2—5 раз Увеличивается на 40—50% Уменьшается в сотни раз Изменяется в 5—10 раз Увеличивается в 5—10 раз Увеличивается на 40—50%
100
Применяют воздушное, жидкостное, эмульсионное и химиче-
ское охлаждение фрикционных устройств. Воздушное охлаждение
осуществляется либо естественной конвекцией, либо обдувом
струей воздуха от вентилятора или компрессора. Жидкостное ох-
лаждение производится водяными теплообменниками, выполняе-
мыми в виде металлических фрикционных элементов с большим
числом каналов, по которым циркулирует вода. Эмульсионное ох-
лаждение происходит путем подачи <на поверхности трения через
сопло воздушно-жидкостной эмульсии. Правильный подбор соот-
ношения компонентов смеси и регулирование ее расхода по вре-
мени срабатывания позволяют избежать снижения коэффициента
трения.
Понижение температуры фрикционной пары достигается
наполнением фрикционных элементов химически активными реа-
гентами, между которыми при нагреве в результате рассеяния
энергии торможения, а затем естественного охлаждения происхо-
дят обратимые реакции. Искусственное охлаждение в ряде слу-
чаев позволяет снизить температуру в зоне трения на 40—50%,
уменьшить массу тормозного устройства, повысить его долго-
вечность.
5.5.2. Требования к фрикционным материалам
При торможении в рабочем слое фрикционных материалов
возникают следующие явления:
— меняется микрорельеф поверхности;
— происходят фазовые и структурные изменения;
— осуществляются диффузионные и химические процессы;
— возникают напряжения сжатия и растяжения;
— понижаются механические свойства материалов;
— развиваются процессы схватывания;
— изменяется коэффициент трения.
В результате работы трения в поверхностном слое фрикцион-
ных материалов возникают и остаточные явления:
— необратимые изменения микрорельефа;
— фиксированные фазовые превращения и структурные изме-
нения;
— изменения химического состава;
— остаточные напряжения в поверхностном слое;
— устойчивое изменение механических свойств (упрочнение
или разупрочнение);
— неравномерный по поверхности трения износ;
— коробление, усадка, трещины.
Рассмотрим условия, в которых работают фрикционные мате-
риалы, и требования, предъявляемые в соответствии с этим к ним.
Скорость начала скольжения современных фрик-
101
ционных устройств изменяется в широком диапазоне — от 2—3 см/с
до 50 м/с и выше. Скорость, при которой происходит размыка-
ние у муфт, на несколько процентов ниже, чем скорость начала
скольжения, а у большинства тормозов размыкание происходит
при нулевой скорости. Скорость существенно влияет на мощ-
ность, работу трения и, следовательно, на температуру.
Нагрузка на узел трения также изменяется в широком
диапазоне — от десятков граммов до десятков тонн. При боль-
ших нагрузках применяют многодисковые конструкции. Различ-
ные фрикционные устройства работают при удельных нагрузках
0,8—7 МПа, однако в особо тяжелых условиях удельные нагруз-
ки, воспринимаемые фрикционными материалами, могу г дости-
гать значительных величин (до 15 МПа).
Коэффициент трения фрикционной пары должен быть
достаточным, чтобы обеспечить нужную силу трения при рабочих
нагрузках на фрикционный узел. Обычно в применяемых фрикци-
онных парах коэффициент трения 0,2 :=:/«=; 0,5. Значение f зави-
сит от нагрузки, температуры, конструктивного оформления и
качества поверхности, а также от материалов фрикционной пары.
Для обеспечения долговечности фрикционной пары контакт
поверхностей трения должен быть упругим или упруго-пластич-
ным. В связи с этим, чтобы добиться высокой долговечности, не-
обходимо либо создавать конструкцию с развитой поверхностью и
сравнительно небольшими нагрузками на нее, либо применять
фрикционные материалы с высокой износостойкостью.
Фрикционный материал должен иметь устойчивое значение
коэффициента трения в процессе работы узла. Это очень важный
фактор. Если с увеличением скорости (температуры) коэффициент
трения будет уменьшаться, не будет обеспечиваться и эффектив-
ная работа фрикционного узла. Происходит так называемое увя-
дание, иногда проявляющееся в тормозах, когда при длительном
и повторном торможении эффективность торможения снижается.
Материалы, которые необратимо теряют фрикционно-износные
свойства после нагревания, нельзя использовать в качестве
фрикционных.
Важной характеристикой условий эксплуатации фрикционной
пары является продолжительность скольжения /т. Следует учиты-
вать также и температурные характеристики.
Фрикционные материалы часто работают продолжительное
время при объемных температурах до +600°С. При этом темпера-
тура на поверхностях трения особо тяжело нагруженных фрик-
ционных узлов может кратковременно достигать даже +1200°С.
Для снижения температуры фрикционного узла большое значение
имеет температуропроводность фрикционных материалов. Обыч<
но один или оба элемента фрикционной пары выполняют из ма-
102
териалов с высокой температуропроводностью (металлы, сплавы,
графитовые композиции), что обеспечивает интенсивный отвод
тепла от зоны трения.
Высокие требования предъявляются к износостойкости совре-
менных фрикционных .материалов, работающих в условиях много-
кратных нагревов и охлаждений. Возникающие при этом темпе-
ратурные напряжения значительно выше механических напряже-
ний. Поэтому при выборе материалов фрикционной пары следует
учитывать их сопротивляемость тепловой усталости (обычно ин-
Таблица 5. 7
Рекомендуемые области применения фрикционных пар
Условия работы Удельная нагрузка кПа Материал Ориентиро- вочные значения коэффици- ента тре- ния Температурный диа- пазон применения, °C
фрикционного элемента I фрикцион- ного эле- мента II
поверхнос- тная тем- пература объемная темпера- ту ра
1 2 3 4 5 6 1 7
Легкие условия работы, без смазк и 800—1000 Асбокаучуковый материал; спечен- ный материал на основе меди; спе- ченный материал на основе алюми- ния; кожа, древе- сина Сталь 0,30 — 0,35 60—200 120
Средние условия работы, без смазки 1500 Асбофрикцион- ный материал на комбинированном связующем; спе- ченный материал на основе меди; спеченный мате- риал на основе железа Сталь, чугун 0,25— 0,28 400 (450) 250
Утяже- лены ые условия работы, без смазки 6000 Спеченные мате- риалы на желез- ной основе; ас- босмоляной материал; угле- графит Сталь чугун 0,22 — 0,25 1200 600 (800)
103
Продолжение
1 2 3 4 5 1 6 7
Легкие условия работы, со смазкой 3500 Спечен ный мате- риал на основе меди; спеченный матер иал на ос- нове алюминия; асбос моляной матер иал Сталь, чугун, бронза, молиб- ден 0,12 100 (120) 100
Утяже- ленные условия работы, со смаз- кой 6000- 7000 Спеченный мате- риал на основе железа Сталь, титан, молиб- ден 0,1 120 (150) 1С0
Особо тяжелые услови я работы 150000 Сталь; титановый сплав; спеченные материалы Сталь 0,22— 0,25 -60 . . . + 50 -40 . . . + 40'
Примечание. В скобках указаны кратковременно допускаемые зна-
чения температуры.
тенсивность изнашивания элементов фрикционной пары не долж-
на превышать 10~6—10~7).
Материалы фрикционной пары должны иметь быструю прира-
батываемостъ (при первом торможении тормозной момент должен
быть не менее 80% расчетной величины), хорошее сопротивление
схватыванию в холодном и горячем состоянии, высокую влаго- и
маслостойкость. Они не должны быть огнеопасными и иметь
склонности к писку, наволакиванию н намазыванию.
Все фрикционные материалы делят на две группы: металличе-
ские и неметаллические.
К металлическим фрикционным материалам относятся: конст-
рукционные стали (стали 10, 45); чугуны (серые); легированные
стали (30 ХГСА, 65Г); нержавеющие стали (12Х18Н9Т); бронзы
(БрАЖМц 10-3-1,5); спеченные фрикционные материалы (на же-
лезной, медной и алюминиевой основе); хром, титан, бериллий,
молибден.
К основным неметаллическим фрикционным материалам отно-
сятся: асбофрикционный формовочный материал (на каучуковом,
смоляном, комбинированном связующем); асбофрикционный элас-
104
тичный материал; картонно-латексный материал; картонно-баке-
литовый материал; тканебакелитовый материал; углеграфит; при-
родные полимеры (кожа, древесина).
В табл. 5.7 приведены рекомендуемые области применение
фрикционных пар в зависимости от условий эксплуатации.
5.5.3. Методика подбора фрикционных материалов
Рассмотрим основные этапы методики, применяемой при под-
боре материалов фрикционной пары.
Анализ условий эксплуатации фрикционного
узла и требований к нему:
— скорость начала и конца замыкания при вкл очении;
— нагрузка на фрикционный узел;
— предполагаемая удельная нагрузка;
— среднее, значение коэффициента трения;
— стабильность коэффициента трения;
— продолжительность скольжения;
— объемная температура элементов фрикционной пары;
— средняя температура элементов фрикционной пары;
— средняя температура поверхности трения;
— число включений в час;
• — момент инерции маховых масс ведомой и ведущей част»
привода;
— коэффициент температуропроводности;
— средняя мощность трения и закон ее изменения;
— среднее значение работы трения и закон ее изменения;
— требование к интенсивности изнашивания;
— требование к надежности узла;
— прочие требования (огнебезопасность, влаго- и маслостой-
кость, сопротивление схватыванию, отсутствие склонности к на-
мазыванию и др.).
На основе анализа условий эксплуатации и требований к фрик-
ционному узлу составляется задание на проектирование фрикци-
онного узла.
Предварительный выбор материала
По справочным данным вначале подбирают наиболее подхо-
дящий для конкретных условий материал контртела, обращая
внимание прежде всего на его износостойкость. Затем подбирают
материал сопряженной фрикционной детали, пользуясь приводи-
мыми в справочниках кривыми фрикционной усталости, значения-
ми коэффициента трения и интенсивности изнашивания и их за-
висимостями от температуры.
105
Расчетно-конструктивная оценка
работоспособности фрикционного узла
Вначале назначают конструкцию фрикционного устройства,
коэффициент взаимного перекрытия и размеры элементов фрик-
ционной пары, способ охлаждения. Далее составляют и решают
уравнения тепловой динамики трения. Решение позволяет для
конкретного фрикционного узла получить зависимости изменения
силы трения, скорости и температуры от времени. В тех случаях,
когда в готовой конструкции фрикционная пара не удовлетворяет
техническим условиям или разрабатывается новая конструкция,
при отборе ряда опытных материалов применяется моделирова-
ние. Затем фрикционный узел рассчитывают на долговечность.
По результатам расчетов дорабатывается и корректируется
предварительно выбранная конструкция фрикционного узла.
Окончательный выбор материалов
Отобранные в результате предварительных оценок и расчетов
материалы деталей фрикционной пары подвергают эксперимен-
тальным исследованиям. Вначале проводят лабораторные исследо-
вания фрикционных характеристик выбранных материалов на
серийных испытательных машинах по стандартизованным методи-
кам. Затем испытывают изолированный узел трения на стенде в
лабораторных условиях с обязательной регистрацией фрикцион-
но-износных и температурных характеристик. Натурные фрикци-
онные узлы испытывают на машинах при опытной эксплуатации
в условиях, максимально приближающихся к условиям рядовой
(обычной) эксплуатации. Последним этапом является испытание
опытно-промышленной партии, по результатам которого делают
окончательные заключения о пригодности материалов фрикцион-
ной пары.
ГЛАВА 6
ТРЕНИЕ И ИЗНАШИВАНИЕ В СПЕЦИФИЧЕСКИХ УСЛОВИЯХ
6.1 Трение и изнашивание при высоких скоростях скольжения
Высокие скорости скольжения (свыше 50 м/с) встречаются в
авиации, ракетной технике, турбостроении, приборостроении, в
огнестрельном оружии, артиллерии и т. д. В большинстве случаев
высокоскоростное трение характеризуется малой продолжитель-
ностью процесса взаимодействия трущихся тел (от 10~5 цо 1 с,
реже до 10—20 с).
106
В процессе высокоскоростного -трения интенсивно выделяется
тепло в зоне трения. Интенсивность тепловыделения q в единицу
времени на единице номинальной площади контакта определяется
по формуле
Я = fPav, (6-1)
где /—коэффициент трения скольжения; ра — номинальное давле-
ние; v — скорость скольжения.
Материалы контактирующих пар при высоких скоростях сколь-
жения не успевают прогреться на всю глубину, и в теплопогло-
щении участвует тонкий поверхностный слой, толщина которого
б определяется так:
8=1,94/аГ, (6.2)
где а — температуропроводность; t — продолжительность контакта.
Интенсивность теплового потока, малая глубина слоя, участ-
вующего в теплопоглощении, ведут к тепловому удару с большим
температурным градиентом в зоне контакта. Высокая температу-
ра на поверхности трения может вызвать оплавление поверхност-
ного слоя одного из контактирующих тел. На рис. 6.1 показана
Рис. 6.1. Модель оплавления твердого
тела в области контакта при высоко-
скоростном трении;,
1—расплавленный слой; 2 — область прогревания;
3 — область с начальной температурой.
(6.3)
модель оплавления твердого тела при высокоскоростном трении.
Время начала оплавления определяют из выражения
, Я № (>пл — ч0)2
Гпл = 4 ' aqx
где X — теплопроводность; упл—температура плавления; v0—началь
ная температура тела; а — коэффициент; q}—тепловой поток.
Наличие оплавленного слоя в зоне трения при высоких ско-
ростях скольжения ведет к значительному уменьшению коэффици-
ента трения и может явиться причиной возникновения гидродина-
мического трения.
Зависимость коэффициентов трения пули в канале ружейного ство-
ла /р и снаряда в стволе орудия /0 от скорости скольжения сле-
дующая:
107
При скорости скольжения, м/с
О 85
/р...0,30 0,070
/о- -.0,27 0,052
340 720 930
0,054 0,051 —
0,031 0,022 0,021
С увеличением давления коэффициент трения уменьшается
(рис. 6.2). Однако с увеличением скорости скольжения и давления
интенсивность изнашивания возрастает (рис. 6.3).
Рис. 6.3. Зависимость интенсивности
изнашивания от скорости и давления
(медь по стали).
Рис. 6.2. . Зависимость коэффициента
трения от скорости и давления (для
стали 10).
По износостойкости при высоких скоростях скольжения мате-
риалы можно расположить в такой ряд (в порядке убывания):
вольфрам, молибден, тантал, армко-железо, сталь, чугун, медь,
алюминий, цинк, висмут, олово, свинец.
6.2. ТРЕНИЕ И ИЗНАШИВАНИЕ В АГРЕССИВНЫХ СРЕДАХ
В агрессивных средах разрушение поверхности тела происхо-
дит под действием двух одновременно протекающих явлений: кор-
розии (в результате химического или электрохимического взаимо-
действия материала со средой) и механического изнашивания.
Химическое взаимодействие происходит при контакте материалов
с сухими газами или с неэлектропроводными агрессивными жид-
костями; электрохимическая коррозия — при контакте металлов
108
с электролитами (водные растворы кислот, щелочей, солей, рас-
плавы солей и т. д.). При этом наблюдаются два процесса: анод-
ный (непосредственный переход атомов металла в раствор в виде
ионов) и катодный (ассимиляция избыточных электронов атома-
ми или ионами раствора). В зоне трения возникает электриче-
ский ток.
На обнажающихся при трении поверхностях образуются плен-
ки, обладающие иными свойствами, чем пленки, образующиеся
при трении вне агрессивной среды. Если образующаяся пленка
легко удаляется, может возникнуть схватывание, если пленка но-
сит защитный характер, интенсивность изнашивания снижается.
Поведение поверхностей при трении в агрессивных средах
можно характеризовать изменением электродных потенциалов.
Обычно сравнивают электродный потенциал поверхностей при
трении <?тр с их потенциалом после зачистки от пленок ср3. Если
<ртр як ср3, то это свидетельствует об удалении образующейся
пленки в процессе трения и возможности возникновения схваты-
вания. Увеличение разности между сртр и <р3 объясняется тем, что
пленка в процессе трения не удаляется, а носит защитный харак-
тер, снижая интенсивность изнашивания.
Коррозионно-механическому изнашиванию подвергаются сле-
дующие детали машин и механизмов: уплотнительные кольца
торцевых уплотнений реакторов, центрифуг, сепараторов, подшип-
ники скольжения реакторов, насосов, плунжеры насосов, распы-
ливающие диски центробежных сушилок, мешалки реакторов, ко-
леса и корпуса центробежных насосов, шнеки, втулки смесителей
и грануляторов, гребные винты судов (здесь главную роль игра-
ет кавитация) и др.
Материалы, которые применяются для пар трения, работаю-
щих в агрессивных средах, должны обладать высокой коррозион-
ной стойкостью в сочетании с хорошими антифрикционными свой-
ствами и износостойкостью, обеспечивающей заданный ресурс, не
должны проявлять схватывания и заедания при работе. Скорость
изнашивания материалов при трении в коррозионно-активных сре-
дах обусловливается скоростями образования поверхностных сло-
ев и их разрушения в процессе трения, а также скоростью изна-
шивания в результате механического воздействия.
Следует помнить, что коррозионная стойкость материалов,
определенная в лабораторных условиях, в ряде случаев значитель-
но отличается от коррозионной стойкости тех же материалов в
условиях промышленной эксплуатации. Поэтому при выборе изно-
состойких материалов для конкретных условий эксплуатации не-
обходимо воспроизводить реальные виды взаимодействия трущих-
ся поверхностей и скорости протекания коррозионных процессов
на поверхностях трения.
109
свойств материалов, а также ухудшением теплоотвода от узла
трения (отсутствует конвективный теплоотвод). Все эти процес-
сы происходят с разной эффективностью в зависимости от степе-
ни вакуума. Критерием для разграничения степени вакуума слу-
жит отношение k/d, где X — средняя длина свободного пути моле-
кулы газа между двумя столкновениями с другими молекулами,
с? — линейный размер, существенный для рассматриваемого про-
цесса.
В зависимости от X/d различают четыре степени вакуума, ко-
торым соответствуют определенные области давлений:
Низкая Средняя Высокая Сверхвысокая
Степень вакуума.... X/<Z<1 X/rf«l X/rf>l
Область давлений, Па ... > 100 100—10-1 Ю-1—10-3 <10-5
Различают также «масляный» (при наличии в составе остаточ-
ных газов углеводородных соединений) и «безмасляный» вакуум
(при отсутствии этих соединений).
Следует отметить, что получение и поддержание вакуума, осо-
бенно высокого и сверхвысокого, довольно сложно, а вакуумные
насосы и аппаратура довольно дороги. Различают вакуум косми-
ческого пространства (характеризуется неограниченной быстротой
-«откачки», различного рода излучениями, сверхнизкими или вы-
сокими температурами и т. д.) и вакуум, создаваемый вакуумны-
ми насосами в герметизированных объемах вакуумного оборудо-
вания (характеризуется ограниченной быстротой «откачки», слож-
ностью получения и поддержания вакуума, высокой стоимостью
•оборудования и аппаратуры и т. д.).
6.3.1. Требования к узлам, работающим в условиях вакуума
Требования к узлам трения, работающим в вакууме, подразде-
ляют на следующие виды: требования к материалам, к конструк-
ции и вакуумной гигиене.
Требования к материалам. Материалы, используемые
ъ узлах трения, работающих в вакууме, должны обладать мини-
мальным газовыделением и пористостью, низкой скоростью испа-
рения, термостойкостью и коррозионной стойкостью.
Материалы и изделия в вакууме выделяют газы, находящиеся
на поверхности их стенок и внутри. Количество газа, выделяю-
щееся с единицы поверхности или массы тёла в единицу времени,
называют скоростью удельного газовыделения.
Общий поток газовыделения Q с поверхности узла трения равен
Q = ЧА, (6.4)
где q—скорость удельного газовыделения; А — величина поверх-
ности, обращенной в вакуум.
412
Если пара трения изготовлена из разных материалов, то об-
щий поток газовыделения узла будет
Q = Qi + Q2,
(6.5)
где Qi и О2 — потоки газовыделения с поверхности каждой детали.
Жидкие и консистентные смазочные материалы в вакууме
имеют очень высокую скорость газовыделения (испарения) и по-
тому непригодны для использования в вакууме. В вакууме обыч-
но используют твердые смазочные материалы, имеющие малую
скорость газовыделения даже при повышенных температурах в
условиях высокого и сверхвысокого вакуума. К числу твердых
смазочных материалов, применяемых в вакууме, относят фторо-
пласт, графит, дисульфид молибдена MoS2, дисульфид вольфрама
WS2 и некоторые другие (WSe2, NBSe2). Однако следует иметь в
виду, что с повышением температуры скорость газовыделения в
вакууме резко возрастает и для этих материалов
Рис. 6.4. Характеристика газовыделения
некоторых твердых смазочных материалов
в вакууме 10—‘ Па.
трения (табл. 6.1) и интенсивность
газовыделения и изнашивания несколько снижается и стабилизи-
(рис. 6.4).
При трении в условиях ва-
куума наблюдается повышен-
ное газовыделение. Б началь-
ный период трения происходит
постепенное изнашивание за-
щитных окисных пленок на по-
верхностях трения и газовы-
деление относительно невелико,
также невелики в этот период
значения коэффициента трения
и интенсивности изнашивания.
После износа и разрушения
защитных пленок на поверх-
ностях трения газовыделение
скачкообразно возрастает, так-
же увеличивается коэффициент
изнашивания. Затем процесс
руется.
Все газы, выделяющиеся при трении в вакууме, повышают
давление в замкнутом вакуумном объеме и меняют состав оста-
точной газовой среды в нем.
Пористость материалов отрицательно сказывается на их рабо-
тоспособности в вакууме, так как пористые материалы поглощают
жидкости, обычно содержащие загрязнители. Эти загрязнители,
как и сами жидкости, являются источниками сильного газовыде-
ления в вакууме. Кроме того, пористые материалы поглощают в
большом количестве газы при атмосферном давлении и потому
8—796
113
имеют высокую скорость удельного газовыделения .в вакууме.
Применять пористые материалы в вакууме не рекомендуется.
Кроме газовыделения, в вакууме (особенно при высоких темпе-
ратурах) с большой скоростью происходит испарение многих ма-
териалов (прежде всего это относится к таким металлам, как
Таблица 6. 1
Сравнительные данные коэффициентов трения скольжения для
некоторых пар материалов на воздухе и в вакууме
Материалы пары трения Нагрузка, Коэффициент трения
Пуск Через 10 мин Через 60 мин
на воз- духе в ваку- уме на воз- духе в~ваку- ywej и а воз— ДУхе в ваку- уме
Алюминий — алюми- ний 31 0,50 1,10 0,58 1,57 0,78 ’1,57
Бронза — бронза 33 0,46 0,71 0,57 0,87 0,58 г 1,10
Латунь — латунь Нерж, сталь — нерж. 33 0,31 0,43 0,31 0,50 0,31 0,70
сталь Нерж, сталь — алю- 65 0,29 0,32 0,47 0,62 0,51 0,93
МИНИН 33 0,29 0,38 0,39 0,39 0,40 0,34
Нерж, сталь—латунь 65 0,21 0,32 0,32 0,67j 0,39 0,84
кадмий, цинк, магний, висмут). Возможно также испарение ме-
таллов и сплавов (так, например, при длительном нагреве в вы- '
соком вакууме из латуни испаряется весь цинк). Пары металлов,
конденсирующиеся на стенках элементов вакуумного оборудова-
ния, выводят из строя электрические изоляторы, смотровые стек-
ла, отражатели и другие детали. Скорость испарения металлов в
вакууме часто зависит от давления их паров при максимальной
температуре эксплуатации:
W = 5,833 • 10-2р )/у- , (6.6) i
где р — давление пара; М— молекулярная масса; t — темпера- .
тУРа- j
Для того чтобы материалы можно было использовать в ваку- 1
уме, давление его паров должно быть на 2/3 порядка ниже пре- |
дельного остаточного давления вакуумной установки. |
Материалы, предназначенные для работы в вакууме, должны I
обладать высокой термостойкостью и коррозионной стойкостью. |
Обычно такие материалы имеют и меньшее газовыделение. 1
Если материалы используют в космическом вакууме, то, кро-
ме перечисленных требований, они должны быть устойчивы к Я
114
различным видам радиационного облучения, воздействию метеор-
ных частиц и другим факторам космического пространства.
Требования к конструкции узла трения, работаю-
щего в вакууме:
— легкость монтажа и демонтажа узла, а также,доступность
к отдельным деталям для их очистки от загрязнений;
— отсутствие труднооткачиваемых «карманов», соединенных с
основным вакуумным объемом каналами малой проходимости;
— высокая надежность в работе;
— состав газов в общем потоке газовыделения должен удов-
летворять требованиям к составу остаточных газов рабочего
объема вакуумной установки.
Требования вакуумной гигиены:
— помещения, в которых производится изготовление и сборка
узлов трения, не должны содержать в воздухе взвешенных час-
тиц (пыли, копоти и др.), а также паров масел, кислот, щелочей
и других химических веществ;
— все детали перед сборкой необходимо тщательно очистить
от всех видов загрязнений (стружки, краски, масел, окисных пле-
нок и др.); обезжирить бензином и высушить в сушильном шка-
фу при 80—100°С;
— сборку деталей следует производить в перчатках из невор-
систых материалов;
— время от момента окончания сборки до монтажа должно
быть минимальным.
6.3.2. Исследование трения в вакууме
В последние годы, особенно в связи с развитием космической
техники, исследование трения в вакууме привлекло большое вни-
мание ученых. Скольжение в вакууме без смазки характеризует-
ся высоким коэффициентом трения, сопровождается схватывани-
ем поверхностей, повышенным износом и, как правило, заклини-
ванием узла трения. В качестве примера приведем значения
коэффициента трения скольжения пары нержавеющая сталь —
нержавеющая сталь без смазки в зависимости от остаточного дав-
ления в вакуумной камере:
При остаточном давлении в 100 (на 10,5-10~7 0,18'10~8 1-10~9
камере, кПа...........(воздухе)
Коэффициент трения /- 0,47 1,22 2,47 2,94
При трении одноименных пар металлов в вакууме коэффи-
циент трения уменьшается с увеличением твердости (рис. 6.5).
Для улучшения антифрикционных свойств узлов трения приме-
няют самосмазывающиеся материалы (например, АМАН), твер-
дые смазочные материалы (фторопласт, графит, M0S2, WS2
и др.).
115
Рис. 6.5. Влияние твердости на коэф-
фициент трения одноименных пар
металлов: ’
7 —вакуум 10 Па; 2 — вакуум 3-10““4 Па.
6.6), в соответствии с которым
Материал АМАН имеет доста-
точную стабильность и низкий
коэффициент трения в паре со
сталью в вакууме (/ = 0,1—0,15)
и может успешно работать при
давлениях до 5—15 МПа и ско-
ростях скольжения 1—4 м/с.
Хорошо зарекомендовали себя
при трении в вакууме и твердые
смазочные материалы. Эффектив-
ность и долговечность работы
узлов трения в вакууме с твердым
смазочным материалом может
быть обеспечена применением ро-
тапринтного метода смазки (рис.
смазочный материал наносится на
трушиеся поверхности вала 4 и втулки 1 за счет переноса его с
намазывающих вставок 2. Намазывающие вставки 2 могут свобод-
но перемещаться радиально под действием центробежной силы в
пазах вала 4, совпадающих с окнами во внутренней втулке <3, за-
крепленной на валу 4. Намазывающие вставки 2 под действием
центробежной силы прижимаются к поверхности втулки 1 и сма-
зывают ее.
Рис. 6.6. Схема ротапринтного
метода смазки.
4-4
В последние годы большое значение придается созданию под-
шипников качения для узлов, работающих в вакууме. Для нор-
мальной работы таких подшипников без смазки сепараторы их
изготавливают из самосмазывающихся материалов (например, из
АМАН-24). Для придания прочности таким сепараторам их ар-
мируют металлом. В некоторых подшипниках качения, работаю-
щих в вакууме, применяют твердые смазочные материалы (нано-
сят на дорожки дисульфид молибдена) или тонкие пленки дисе-
ленидов тугоплавких металлов (WSe2, NbSes, МоЭег), которые на-
носятся на поверхности трения.
116
6.4. ТРЕНИЕ И ИЗНАШИВАНИЕ В УСЛОВИЯХ НИЗКИХ ТЕМПЕРАТУР
Температуры от 0° до —150°С называют низкими, от
— 150°С до —272,85°С — криогенными, а ниже —272,85°С —
сверхнизкими.
С развитием криогенной техники число узлов трения, работаю-
щих в условиях низких температур, постоянно увеличивается. Это
торцевые и радиальные уплотнения валов насосов для криоген-
ных жидкостей, уплотнения электрических генераторов со сверх-
проводящими роторами, поршневые уплотнения гелиевых холо-
дильных газовых машин, опоры скольжения узлов, работающих
при низких температурах. В этих условиях многие углеродистые
стали и металлы с объемноцентрированной кубической решеткой
(Fe, Сг, Мо, Та, W) подвергаются хрупкому разрушению (хладо-
ломкости) и не могут применяться. При низких температурах ре-
комендуется использовать металлы с гранецентрированной куби-
ческой решеткой (Al, Ni, Pb, Си, Aq) или гексагональной плотно-
упакованной решеткой (Ti, Zn, Mq, Со). Кроме того, до—45°С
могут работать все стали с мелкозернистой структурой; до
— 100°С —• закаленные и отпущенные низколегированные феррит-
ные стали с мелкозернистой мартенситной структурой; до
—200°С — нержавеющие стали с аустенитной структурой; до
—240°С — никелевые стали со стареющим мартенситом. При низких
температурах применяются также медные, никелевые, магниевые,
титановые и алюминиевые сплавы.
Для изготовления пар трения, работающих в условиях низких
температур, обычно используют нержавеющую сталь (40Х, Г13Л,
12Х18Н9Т) и углеграфит. Графит, кроме того, используют в па-
рах графит — графит и в качестве наполнителя некоторых пласт-
масс (на основе нейлона или фторопласта), работающих в средах
жидкого азота и жидкого водорода. Из него изготавливают сепа-
раторы шарикоподшипников для работы в условиях очень низких
температур. Фторопласты и композиции на их основе находят
применение в качестве антифрикционных материалов для узлов
трения. Чтобы повысить износостойкость, прочность и теплопро-
водность фторопласта, в него вводят наполнители в виде мелко-
дисперсных порошков твердых смазок (M0S2). Материалом для
изготовления подшипников скольжения, работающих в условиях
низких температур, служит текстолит, полиамиды П-68, АК-80,
капрон, стеклонаполненный капрон, а также их композиции с ди-
сульфидом молибдена.
В узлах трения при низких температурах используют специаль-
ные жидкие смазочные материалы — кремнийорганическую смаз-
ку № 3 (до —100°С), углеводородную смазку ЦИАТИМ-205 (до
—50°С) и консистентную смазку ЦИАТИМ-221 (до —100°С). При
117
температурах от —45°С до —185°С хорошо зарекомендовали се-
бя смазочные материалы на основе жидких фтористых полиэ-
фиров.
При трении в условиях криогенных температур (в жидком
азоте и водороде) на поверхностях трения окисные пленки быст-
ро. удаляются, вследствие чего поверхности металлов приобрета-
ют склонность к схватыванию и интенсивному изнашиванию. Ко-
эффициент трения в этих условиях для разных пар трения приве-
ден в табл. 6.2. В среде жидкого кислорода тренйе металлов
сопровождается сильной коррозией поверхности. Другая особен-
ность трения в криогенных жидкостях — их низкая вязкость, кото-
рая может явиться причиной возникновения задиров, и значитель-
ное тепловыделение. Возможно также образование газообразной
фазы, что приводит к кавитации и разрушению поверхностей тре-
ния.
Таблица 6. 2
Коэффициенты трения некоторых материалов при трении в среде
криогенных жидкостей
Материалы пар трения Коэффициент трения в среде
жидкого азота жидкого водорода
Графит (15%) + фторопласт (85%) по нерж, стали Графит (5%) + нейлои (95%) по нерж, стали Алюминий по стали ЗОХМЮА Титаи по стали ЗОХМЮА Вольфрам по стали ЗОХМЮА Сталь ЗОХМЮА по стали ЗОХМЮА Алюминий по алюминию Текстолит по стали 45 Фторопласт- 4 по стали 45 0,090 0,060 0,853 0,734 1,068 0,897 0,718 0,310—0,340 0,090—0,100 0,160 0,150
Материалы на основе фторопластов, например ФН-202 (фторо-
пласт-4 — 84%, никель—10%, дисульфид молибдена— 3%),
при трении в среде низкотемпературных газов имеют коэффициент
трения 0,1—0,3 (в жидком гелии).
Особенно тяжелые условия эксплуатации пар трения возника-
ют в условиях одновременного действия низкой температуры и
вакуума.
6.5. ФРЕТТИНГ-КОРРОЗИЯ
Фреттинг-коррозия (от английского слова fret — разъедать,
подтачивать) — коррозионно-механическое изнашивание поверх-
118
I
ностей трения при малых колебательных относительных перемеще-
ниях. Фреттинг-коррозия имеет следующие отличия от обычного
изнашивания поверхностей трения:
— скорости относительных перемещений контактирующих по-
верхностей довольно низки (так, при амплитуде скольжения
0,025 мм и частоте колебаний 30Гц средняя скорость скольжения
3 мм/с);
— продуктами износа являются в основном окислы металлов;
— повреждения поверхностей трения сильно локализованы на
площадках фактического контакта;
— вследствие малой амплитуды смещений удаление продуктов
износа из зоны трения затруднено.
Необходимое условие возникновения фреттинг-коррозии — на-
личие проскальзывания между сопряженными поверхностями.
Фреттинг-коррозия наблюдается при различных прессовых посад-
ках, в шлицевых, шпоночных, болтовых и заклепочных соедине-
ниях, в канатах, муфтовых соединениях, в контактных поверхнос-
тях рессор и пружин, предохранительных клапанах и регуляторах,
в кулачковых и шарнирных механизмах и т. д.
Повреждения от фреттинг-коррозии проявляются в виде нати-
ров, налипаний металла, вырывов и раковин, часто заполненных
порошкообразными продуктами износа. На поверхностях возни-
кают схватывание, микрорезание или усталостное разрушение
микрообъемов, сопровождающиеся окислением и коррозией (ус-
талостно-коррозионные процессы). Обычно ведущим является
один из перечисленных процессов разрушения поверхности, а ос-
тальные — сопутствующими.
В результате фреттинг-коррозии у детали изменяются конст-
руктивные размеры, нарушаются зазоры, ослабляются натяги,
возникает заедание и заклинивание (что особенно опасно в слу-
чаях, когда контайтирующие детали при работе должны время
от времени разъединяться, например в предохранительных клапа-
нах и регуляторах), значительно ухудшается качество поверх-
ности — повышается шероховатость, появляются микротрещины,
значительно снижается усталостная прочность деталей.
6.5.1. Факторы, влияющие на развитие фреттинг-коррозии
Амплитуда относительного скольжения. Для на-
чала процесса фреттинг-коррозии достаточна очень малая ампли-
туда относительного перемещения поверхностей (8-10~7 мм), при
которой частицы продуктов износа начинают перекатываться
между поверхностями трения. Это затрудняет схватывание поверх-
ностей и снижает интенсивность изнашивания. С увеличением ам-
плитуды интенсивность изнашивания возрастает. Например, для
119
стали износ особенно возрастает при амплитуде 0,10—0,15 мм,
когда начинают существенно проявляться процессы схватывания
(рис. 6.7).
Рис. 6.7. Зависимость
объемного износа Uv от
амплитуды скольжения
ах низкоуглеродной ста-
ли по дюралюминию при
нагрузке W = 190 Н и
числе циклов Пц = 106.
Рис. 6.8. Характер зависимости
интенсивности изнашивания
при фреттинг-коррозии от
удельного давления;
/—наиболее типичный вариант зави-
симости; 2 — возможный вариант за-
висимости (при недостаточной жест-
кости контакта и очень малых ампли-
тудах).
Удельная нагрузка. Заметные повреждения от фреттинг-
коррозии 'могут возникнуть при самых незначительных давлени-
ях. Оценить влияние нагрузки на развитие фреттинг-коррбфии
довольно сложно, поскольку в процессе работы сопряжения фак-
тическое давление не остается постоянным, что связано с измене-
нием исходного микрорельефа поверхностей и образованием
прослойки из продуктов износа. Зависимость интенсивности изна-
шивания при фреттинг-коррозии от удельной нагрузки изображе-
на на рис. 6.8.
Обычно .интенсивность изнашивания растет с увеличением
удельного давления (кривая 1). Зависимость иного типа (кри-
вая 2) наблюдается при недостаточной жесткости контакта, когда
с увеличением нагрузки уменьшается амплитуда относительного
перемещения. Кроме того, с повышением нагрузки происходит
перераспределение роли основных процессов, типичных для фрет-
тинг-коррозии. При нагрузках, соответствующих восходящей ветви
кривой 2, на поверхностях контакта протекают наиболее типичные
для фреттинг-коррозии усталостно-коррозионные процессы, чему
способствует относительно легкое поступление кислорода в зону
трения. Уменьшение износа при нагрузках выше критических
(нисходящая ветвь кривой 2) может быть вызвано снижением
120
Рис. 6.9. Влияние частоты
колебаний на износ стали 15
(ра = 50 МПа, а- =
= 0,524 мм):
интенсивности усталостно-коррозионных процессов и интенсифика-
цией процессов схватывания и взаимного переноса металла. Не-
смотря на то, что при этом общий износ уменьшается, глубина
локальных повреждений увеличивается.
Частота колебаний. Обыч-
но с повышением частоты колебаний
интенсивность изнашивания при фрет-
тинг-коррозии убывает до определен-
ного значения, а затем намечается тен-
денция к ее стабилизации (рис. 6.9).
Объясняется это снижением устало-
стной долговечности металлов с умень-
шением частоты нагружения.
Число циклов нагруже-
ния. С увеличением числа циклов
нагружения (продолжительности ис-
пытания) износ при фреттинг-корро-
зии возрастает по следующему зако- •
ну (рис. 6.10). Вначале (период при-
работки) скорость изнашивания вели-
ка, а затем она уменьшается (стано-
вится близкой к постоянной, износ
1 — лц — 103550; 2 — лц = 70850;
3 - Лц = 38150; 4 - п ц 16350;
5 — Лц = 10900 ; 6 - Лц == 5450;
7 - Лц = 2725.
Внешняя среда.
изменяется линейно). Если при фрет-
тинг-коррозии продукты износа очень
твердые (например, для алюминия и
его сплавов), то износ с самого начала
возрастает линейно, что свидетельст-
вует о чисто абразивном изнашивании
(микрорезании).
Интенсивность фреттинг-коррозии зави-
сит от коррозионной активности внешней среды. В среде кислорода
все металлы повреждаются фреттинг-коррозией интенсивнее, чем
на воздухе. Износ же на воздухе больше, чем в вакууме, азоте,.
водороде. В жидких средах (воде,
растворе NaOH и др.) износ в несколь-
ко раз меньше, чем на воздухе. Это
объясняется следующими причинами:
большей скоростью образования за-
щитных окисных пленок на поверх-
ностях трения в жидкой среде; в жид-
кости продукты износа имеют мень-
шую твердость, а также частично вы-
мываются из зоны контакта, что сни-
жает интенсивность абразивного из-
нашивания. С увеличением влажности
Рис. 6.10. Зависимость износа-
при > фреттинг-коррозии от
числа циклов нагружения.
121
воздуха интенсивность фреттинг-коррозии по тем же причинам
снижается.
Смазка. Для уменьшения фреттинг-коррозии применяют
жидкие, консистентные и твердые смазочные материалы.
Жидкие смазочные материалы оказывают большой эффект
при полном погружении в них трущихся поверхностей, при кото-
ром смазочный материал надежно поступает в зону трения и по-
верхности изолируются от кислорода воздуха. При фреттинг-кор-
розии следует применять смазочные материалы, которые плохо
растворяют кислород, обладают высоким сопротивлением окисле-
нию, выдерживают высокие давления, имеют хорошую смазываю-
щую способность и стабильность свойств во времени.
Маловязкие нефтяные .масла (веретенное, трансформаторное)
обладают слабой способностью предотвращать фреттинг-коррозию
и потому не применяются. В основном используют синтетические
диэфирные масла с фосфорорганическими присадками типа три-
крезилфосфата (например, ВНИИ НП-50-1-4Ф), а также прибор-
ные синтетические смазки ВНИИ НП-6 и др.
Недостаток всех жидких смазочных материалов, употребляе-
мых при фреттинг-коррозии, — сложность их удержания на по-
верхностях трения. Поэтому иногда применяют пластичные (кон-
систентные) смазочные материалы, предварительно разбавленные
до менее вязкой консистенции с целью повысить их проникающую
способность в зону трения.
Положительные результаты дает использование смазочного
материала на основе кальциевого мыла с противозадирными при-
садками. Для уменьшения интенсивности фреттинг-коррозии иног-
да применяют твердые металлические (свинец, индий) и неметал-
лические (графит, дисульфид молибдена) смазочные материалы.
Температура поверхностей трения. При фреттинг-
коррозии в результате вибрационного контактного взаимодействия
в точках фактического контакта возникают высокие мгновенные
температуры (до 700—800°С), могут повыситься и средние значе-
ния температур на поверхностях трения. Эти тепловые явления
существенно меняют структуру поверхностного слоя и активизи-
руют процессы схватывания. Установлено, что износ сталей при
фреттинг-коррозии с увеличением температуры окружающей сре-
ды от +50°С до +150°С практически не меняется, а с ее умень-
шением (до —140°С) — возрастает. Это объясняется тем, что при
низких температурах увеличивается хрупкость (и снижается проч-
ность) металлов, а также возрастает адсорбция газов, что может
сказаться на скорости течения химических реакций.
Фреттинго стойкость различных материалов.
Повреждению при фреттинг-коррозии в той или иной степени (в
зависимости от коррозионной стойкости, упруговязких свойств,
122
усталостной прочности, абразивной способности продуктов износа,
величины и полярности электрического потенциала в зоне трения)
подвержены все металлы и неметаллы в любом сочетании пар
трения. Однако установлены некоторые комбинации материалов
пар трения, менее подверженные (при прочих равных условиях)
фреттинг-коррозии. Приведем некоторые фреттингостойкне соче-
тания материалов пар трения:
— чугун по чугуну со смазкой дисульфидом молибдена;
— чугун по нержавеющей стали со смазкой дисульфидом мо-
либдена;
— закаленная инструментальная сталь по инструментальной
стали;
— опескоструенная сталь со свинцовым покрытием по стали;
— сталь по стали с нейлоновой прокладкой толщиной 1,6 мм;
— свинец по стали;
— сталь с фосфатным покрытием по стали;
— серебряное покрытие по стали;
— серебряное покрытие по алюминию.
Очень низкой фреттингостойкостью обладает алюминий и его
сплавы в паре трения практически с любым материалом — нике-
лем, хромом, магнием, цинком.
В условиях сухого трения фреттинг-коррозия стали имеет три
стадии развития. На первой стадии происходит упрочнение по-
верхностей трения при пластическом характере взаимодействия
и разрушение окисных пленок, в результате которого возникают
микрорезание и отделение металлических микрообъемов, быстро
окисляющихся.
На второй стадии фреттинг-коррозии, называемой инкубацион-
ной, в прилегающих к поверхности трения слоях накапливаются
усталостные повреждения. На самой поверхности трения вслед-
ствие адсорбции кислорода и влаги образуются новые окисные
пленки взамен разрушенных. Процесс носит преимущественно
равновесный коррозионно-механический характер, изнашивание
имеет невысокую интенсивность — скорости разрушения и возник-
новения окисных пленок уравновешиваются. В этот период наря-
ду с накоплением усталостных повреждений в прилегающих к
поверхности трения слоях начинает формироваться электролити-
ческая среда на поверхностях трения, причем продукты износа
играют роль катализаторов.
Третья стадия — это стадия интенсивного коррозионно-уста-
лостного разрушения зон повреждаемости, предварительно раз-
рыхленных усталостными и коррозионными процессами: разупроч-
ненные и поврежденные слои металла отделяются, интенсивность
процесса нарастает и достигает максимума.
123
6.5.2. Защита от фреттинг-коррозии
Конструктивно-технологические методы защиты от
фреттинг-коррозии:
— увеличение натяга в случае прессовых посадок;
— создание дополнительных демпфирующих устройств для
гашения вибраций в соединениях;
— улучшение системы подвода смазки;
— снижение концентрации напряжений;
— повышение точности изготовления, уменьшение искажений
геометрической формы поверхностей;
— применение сферических посадочных поверхностей вместо
цилиндрических;
— замена подшипников скольжения подшипниками качения;
— плотная пригонка шпонок;
— упрочнение контактирующих поверхностей (химическая и
химико-термическая обработка, пластическое деформирование).
Методы защиты от ведущих процессов:
— применение материалов и их сочетаний, устойчивых к
фреттинг-коррозии;
— применение жидких, пластичных и твердых смазочных ма-
териалов;
— механическое, термическое и химико-термическое упроч-
нение поверхностей;
— гальваническое покрытие поверхностей;
— нанесение на поверхности полимерных пленок и покрытий;
— введение анодных ингибиторов в коррозионную среду для
снижения ее активности.
6.6. ВЛИЯНИЕ КОЛЕБАНИЙ НА ТРЕНИЕ И ИЗНАШИВАНИЕ
Между трением и колебаниями существует тесная связь: тре-
ние способно порождать колебания, а колебания влияют на
трение.
Рассмотрим механизм возникновения контактных колебаний
при трении несмазанных поверхностей и при граничной смазке.
В процессе трения скольжения микронеровности движущегося те-
ла (назовем его ползуном) вступают в контакт с микронеровнос-
тями неподвижной поверхности трения. Каждый контакт двух
микронеровностей представляет собой микроимпульс. Таким обра-
зом, можно сказать, что в процессе трения микронеровности пол-
зуна испытывают микроимпульсы со стороны микронеровностей
неподвижной поверхности трения. В первом приближении ползун
может быть моделирован как идеально жесткое тело, покоящееся
124
на микропружинках, моделирующих микронеровности. Любой слу-
чайный нормальный импульс, подействовавший на ползун, приве-
дет его в свободные колебания нормального направления. Несмот-
ря на беспорядочность микроимпульсов, испытываемых микроне-
ровностями ползуна в процессе трения, совокупность их
нормальных составляющих непрерывно возбуждает и поддержи-
вает незатухающие колебания ползуна в нормальном к поверхнос-
ти трения направлении. Амплитуда этих колебаний очень мала
(доли мкм), а частота определяется по формуле
' (б-?)
где к — коэффициент контактной жесткости; т — масса ползуна.
В силу указанных асимметричных колебаний ползун припод-
нимается, площадь фактического контакта уменьшается и снижа-
ется сила трения, причем, чем больше скорость скольжения, тем
больше амплитуда этих колебаний и тем меньше сила трения.
Таким образом, при трении скольжения несмазанных поверх-
ностей или при граничной смазке сила трения скольжения
всегда несколько снижена контактными колебаниями, возбуждае-
мыми самим трением.
Теперь рассмотрим влияние вынужденных колебаний на силу
трения при скольжении. В технике вынужденные колебания, как
нормально направленные, так и тангенциальные, применяют для
снижения силы трения. Вынужденные колебания в зависимости
от массы ползуна создаются вибрационными устройствами раз-
личного типа (электродинамическими, электрическими или пьезо-
керамическими). Наивыгоднейшая частота нормально направлен-
ных вынужденных колебаний, обеспечивающая максимальное
снижение силы трения, должна находиться вблизи значений, опре-
деляемых по формуле (6.7), т. е. вблизи резонансной частоты.
Для максимального снижения силы трения наложением тан-
генциальных вынужденных колебаний (как продольных, так и
поперечных) эти колебания должны иметь частоту, близкую к
частоте, определяемой по формуле
Механизм действия тангенциальных вынужденных колебаний
связан с возбуждением в паре нормально направленных контакт-
ных колебаний.
Большое внимание в технике уделяют фрикционным автоколе-
баниям, возникающим при трении. Установлено, что в условиях
трения твердых тел при постоянной силе тяги возникает неплав-
ность скольжения, которая сопровождается (но может и не со-
125
провождаться) более или менее периодическими остановками.
Эту неплавность называют фрикционными автоколебаниями.
Одно из объяснений этого явления таково. В условиях средних
и значительных нагрузок при увеличении скорости скольжения
величина коэффициента трения проходит через максимум, т. е.
после достижения определенной скорости дальнейшее ее увеличе-
ние ведет к падению величины коэффициента трения. В процессе
трения скольжения может возникнуть случайное ускорение сколь-
жения, которое (при наличии падающей скоростной характерис-
тики силы трения) снижает силу трения и ведет к дальнейшему
ускорению до тех пор, пока ползун не проскочит по инерции впе-
ред в положение, при котором внешние упругие связи разовьют
возвращающую силу, вызывающую замедление.
В некоторых случаях вследствие увеличения силы трения при
замедлении может возникнуть остановка, во время которой дви-
жущая сила растет до момента срыва ползуна. Процесс периоди-
чески повторяется, ползун движется скачками (фрикционные ав-
токолебания). Этому изменению силы трения способствуют и
колебания в нормальном направлении.
Фрикционные автоколебания во многих случаях являются
вредными. Так, нарушение плавности движения суппортов с ре-
жущим инструментом по направляющим ведет к появлению по-
грешностей при обработке.
Для повышения плавности перемещений применяют демпфиро-
вание ползуна в нормальном направлении для устранения колеба-
ний, увеличивают жесткость привода, уменьшают коэффициент
трения, предотвращают схватывание поверхностей трения, исполь-
зуют качественную смазку, желательно гидродинамическую или
гидростатическую и т. д.
Вопрос о влиянии вынужденных колебаний на интенсивность
изнашивания еще недостаточно изучен. Тангенциальные и нор-
мальные вибрации с частотами 5—50 Гц вызывают повышенный
износ фрикционных элементов сцеплений и тормозов. Влияние
тангенциальных вынужденных колебаний на интенсивность изна-
шивания в некотором приближении может быть оценено по ана-
логии с -осциллирующими движениями при фреттинг-коррозии.
6.7. ИЗБИРАТЕЛЬНЫЙ ПЕРЕНОС ПРИ ТРЕНИИ
Избирательный перенос возникает в результате протекания на
поверхностях трения химических и физико-химических процессов,
приводящих к образованию автокомпенсации износа и снижению
силы трения.
Впервые это явление обнаружено И. В. Крагельским и Д. Н.
Гаркуновым при трении медных сплавов о сталь в условиях гра-
126
ничной смазки глицерином (для исключения окисления меди).
Медь переносится из твердого раствора медного сплава на сталь
и обратно, при этом резво снижаются коэффициент трения и
интенсивность изнашивания (речь идет даже о «безызносном»
трении).
Последующие исследования избирательного переноса показали
возможность получения на поверхностях трения защитных пленок
различными способами, главным образом путем применения спе-
циальных смазочных материалов.
В условиях режима избирательного переноса могут самопро-
извольно возникать различные системы снижения износа и трения:
— снижение давлений в результате избирательного растворе-
ния выступов шероховатости под нагрузкой и образования плас-
тичной поверхностной пленки (процесс аналогичен приработке);
— облегчение сдвига и уменьшение износа в результате так
называемого диффузионпо-вакансионного механизма деформации
поверхностной пленки, исключающего деформацию основного ма-
териала;
— предохранение поверхностей трения от окисления благодаря
восстановительной смазочной среде;
— улавливание диспергированных частиц металла электричес-
ким полем двойного электрического слоя и осаждение их в зоне
контакта, что существенно снижает интенсивность износа в при-
сутствии смазочного материала;
— образование на контактных поверхностях полимерных пле-
нок из продуктов деструкции смазочного материала, уменьшаю-
щих трение ,и усиливающих защиту от износа.
Для получения явления избирательного переноса в парах
трения бронза — сталь применяют так называемый плазмообразую-
щий смазочный материал, который, подвергаясь трибодеструкции
(разложению при трении) на поверхностях контакта, образует
поверхностно-активные вещества (ПАВ), растворяющие избира-
тельно легирующие элементы в тонком поверхностном слое брон-
зы. Поверхность трения при этом обогащается медью. Плазмооб-
разующий смазочный материал (глицерин), действуя как слабая
кислота, протравливает поверхность меди и предохраняет ее от
окисления. Протравленная медь схватывается со сталью на пят-
нах фактического контакта и переносится на поверхность стали.
После покрытия стали сплошной пленкой меди устанавливается
трение меди по меди. В парах сталь — сталь, чугун — сталь с этой
же целью используют так называемый металлоплакирующий сма-
зочный материал, содержащий порошки бронзы или латуни, ко-
торые при трении осаждаются на поверхностях трущихся деталей
и способствуют избирательному переносу.
Для создания явления избирательного переноса применяется
127
также ионная смазка, основанная на свойстве возникающих в
электрохимическом процессе ионов металла втягиваться в зазор
и разряжаться в зоне фрикционного взаимодействия. В результа-
те разряда ионов образуется защитная металлическая пленка
(дйвидальная пленка). Ионы металла могут извлекаться также
из содержащего их раствора смазочной среды в готовом виде и
осаждаться в зоне контакта. Обычно дивидальная пленка образу-
ется из растворов солей меди, находящихся в зазоре сопряже-
ния. И, наконец, избирательный перенос может осуществляться в
условиях траверсивной смазки — смазки продуктами трибодест-
рукции пластмасс, совмещенной с ионной смазкой. Траверсивная
смазка применяется для получения явления избирательного пе-
реноса в морской воде.
Приведем несколько примеров использования избирательного
переноса в узлах трения.
Металлоплакирующий смазочный материал с добавлением по-
рошка меди используется в ступицах колес автомобилей ЗИЛ-130,
что позволяет резко уменьшить износ ступиц и увеличить пробег
между заменами смазочного материала в них, в парах гайка — хо-
довой винт металлорежущих станков. Автоматизированные систе-
мы подачи 'металлоплакирующего смазочного материала устанав-
ливают на технологическом оборудовании (прессах, литейных ма-
шинах и др.), что дает возможность снизить расход смазочных
материалов на 25—30%, электроэнергии — на 10—15% и повысить
срок службы оборудования в 1,5—2 раза.
Для торцевых уплотнений электробуров применяют покрытия
из смеси зерен литого карбида вольфрама и меди. В среде воды,
где работают электробуры, осуществляется избирательный пере-
нос. Избирательный перенос используют для снижения износа ин-
струмента в процессах резания стальных заготовок. В зоне кон-
такта инструмента с заготовкой создают условия для проявления
эффекта избирательного переноса, который выражается в образо-
вании на рабочих поверхностях инструмента тонкой медной плен-
ки, имеющей значительную механическую прочность на сжатие и
низкое сопротивление тангенциальному сдвигу. Такая смазываю-
щая пленка может быть получена в результате взаимодействия
некоторых медьсодержащих веществ (например СиБОД, введен-
ных в зону трения, с ПАВ (глицерином, спиртоглицериновой
смесью, олеиновой кислотой) и поверхностями трения. Если во
время работы инструмента в зону контакта его с заготовкой по-
дать указанные компоненты, тонкая медная пленка образуется и
сохраняется на рабочих поверхностях инструмента в течение всего
процесса резания. Наличие пленки понижает температуру в зоне
резания, уменьшает коэффициент трения и износ инструмента.
Еще один пример применения избирательного переноса —
128
фрикционное латунирование, бронзирование и меднение стальных
поверхностей. Стальные детали для предохранения их от схваты-
вания при приработке и уменьшения износа при последующей
работе перед сборкой фрикционным способом покрывают тонкими
слоями латуни, меди или бронзы, благодаря "которым возникает
избирательный перенос при работе детали. Фрикционное покрытие
производят с помощью специального приспособления (рис. 6.11),
Рис. 6.11. Приспособление для фрикционного латунирования.
корпус 1 которого устанавливается в резцедержателе токарного
станка. Латунный, бронзовый или медный пруток 4 вводят в отвер-
стия плунжера 3 и пробки 6 и фиксируют винтом 5. Усилие при-
жатия прутка к поверхности покрываемой детали, установленной
в центрах станка, задают с помощью пружины 2, поджимаемой
пробкой 6. Поперечная подача прутка на покрываемую деталь
осуществляется движением каретки поперечной подачи.
Фрикционное покрытие производят в среде глицерина, наноси-
мого кистью на предварительно обезжиренную и зачищенную
шкуркой (для удаления пленок окислов) поверхность стальной
детали. Фрикционные покрытия применяют в шарнирно-болтовых
соединениях шасси самолетов, для деталей топливной аппаратуры
и других.
6.8. ВОДОРОДНЫЙ ИЗНОС
Проблема водородного износа возникла сравнительно недавно.
Было обнаружено, что в узлах трения агрегатов авиационной
техники, смазываемых керосином, пары трения закаленная сталь —
бронза разрушаются путем переноса частиц очень твердой стали
на бронзу, который происходит при наводороживании стальной
поверхности в процессе трения.
Водородный износ является причиной снижения надежности
тормозных устройств в результате так называемого намазывания —
переноса в процессе трения частичек чугуна или стали, из ко-
торых выполнен тормозной барабан, на полимерный фрикционный
материал тормозной колодки. Здесь также более твердый матери-
9—796 129
ал переносится на более мягкий. Причиной намазывания, как вы-
яснилось, является наводороживание стальной или чугунной по-
верхности и ее быстрое разрушение с переносом частиц износа на
фрикционную пластмассу.
Влияние водородного износа было обнаружено и в парах тре-
ния, смазываемых водой (например, некоторые узлы трения су-
дов), и при трении деталей из титана и его сплавов в условиях
смазки минеральным маслом и в некоторых других случаях.
Рассмотрим механизм водородного изнашивания. В процессе
трения водород может выделяться из смазочного материала топ-
лива, воды или пластмассы, что связано с каталитическими, дест-
руктивными и электрохимическими процессами. Выделившийся
водород адсорбируется на поверхности металла в количестве, за-
висящем от ее заполнения другими веществами, а также от сте-
пени деформирования, обусловливающей диффузию и температу-
ру в поверхностном слое. Водород поглощается поверхностным
слоем металла и проникает в металл.
Различают два вида водородного износа при трении: посте-
пенный износ и мгновенное разрушение. Постепенный водородный s
износ проявляется как сравнительно интенсивный износ наводо- 1
роженного металла, мгновенный водородный износ — как мгновен- |
ное разрушение наводороженного слоя глубиной 1—2 мм. Прояв- \
ление того или иного вида водородного износа определяется j
многими факторами, в первую очередь степенью насыщения водо- ’
родом поверхностного слоя металла. '
Склонность к водородному износу обусловливается также тем ,
водородом, который остался в металле после его выплавки или .
после гальванического покрытия (так называемый биографиче-
ский водород). В процессе трения, особенно при трении в вакуу- j
ме, биографический водород диффундирует из глубинных слоев
металла в поверхностные слои, а затем частично выделяется в 1
зону трения. Этим объясняется тот факт, что водородный износ .
наблюдается и в том случае, когда трение не сопровождается
образованием водорода в результате термических, каталитических !
или деструкционных процессов в зоне трения.
При выборе материалов узлов трения необходимо учитывать ‘
степень их наводороживания. Введение в сталь хром’а, титана, J
ванадия снижает проникновение водорода, наклеп стали увеличи- '
вает его поглощение. Ферритные стали лучше поглощают водо-.
род, чем аустенитные. Пластмассы, способные к быстрому разло- \
жению и выделению водорода, по возможности следует исклю- ;
чить из узлов трения. Для узлов трения, где имеется вероятность>
водородного износа, следует применять смазочные материалы,
которые в меньшей степени подвержены дегидрогенизации (от- J
щеплению водорода от химических соединений). В качестве при-;
130 «
садок к смазочным материалам рекомендуется применять крем-
нийорганические соединения (силаны), содержащие атомы хлора,
которые легко соединяются с выделившимся водородом. В неко-
торых случаях в смазочные материалы вводят ингибиторы (по-
лярные органические соединения), тормозящие проникновение во-
дорода в металлы. '
Водородный износ в узлах трения можно уменьшить сниже-
нием температуры, скорости скольжения и удельных давлений.
Одни из способов снижения наводороживания стальной по-
верхности в процессе трения — введение в зону трения порошка
CaFj. Выделяющийся в зоне трения водород вступает в реакцию
со фтором, вследствие чего образуется соединение HF, которое
является устойчивым при температуре до 4000°К и прекращает
термодиффузию водорода в сталь или чугун. Разработана также
фрикционная пластмасса, отличающаяся высокой стойкостью про-
тив намазывания на нее контртела. Наиболее эффективным спо-
собом подавления водородного износа является введение в фрик-
ционные пластмассы соединений, способных предотвратить про-
цесс деструкции макромолекул, сопровождающийся выделением
водорода.
ГЛАВА 7
методика исследования процессов трения
И ИЗНАШИВАНИЯ и ОБОРУДОВАНИЕ
7.1. МЕТОДЫ ИЗМЕРЕНИЯ ИЗНОСА
Измерение величины износа производят различными метода-
ми, в основе которых лежит требование минимальной затраты
времени, возможности улавливания износа за короткий промежу-
ток времени, минимального количества разборок и сборок сопря-
жений.
Рассмотрим некоторые из них.
Метод микрометража заключается в измерении микрометрами,
индикаторами и другим мерительным инструментом линейного
износа.
Преимущества этого метода: простота, доступность, возмож-
ность дифференцировать износ по разным точкам поверхности.
Недостатки метода: относительно большая погрешность при-
боров, которая, если величина износа невелика, может оказаться
соизмеримой с величиной износа; необходимость разборки сопря-
жения для каждого измерения, что приводит к нарушению про-
цесса изнашивания.
Методом взвешивания измеряют суммарный износ (суммар-
ную потерю массы) по поверхности трения.
131
Преимущества этого метода: простота, доступность, относи-
тельно высокая точность.
Недостатки метода: невозможность дифференцирования износа
по разным точкам поверхности; необходимость разборки сопря-
жения для каждого взвешивания; неприменимость данного мето-
да к материалам, шаржируемым продуктами износа или посто-
ронними частицами, а также к материалам, поглощающим влагу
или масло.
Метод обнаружения продуктов износа в масле. Суть его за-
ключается в том, что периодически отбирают пробы масла и по
количеству находящихся в нем продуктов износа судят о степени
износа. Количество продуктов износа в масле определяют хими-
ческим или спектральным анализом.
Преимущества этого метода: возможность измерения износа
без разборки сопряжения; высокая чувствительность.
Недостатки метода: невозможность определения износа каж-
дой детали в отдельности (метод позволяет измерить суммарный
износ всего сопряжения); сложность.
Методом радиоактивных индикаторов определяют износ детали
по интенсивности радиоактивного излучения изотопов, удаляемых
с поверхности трения вместе с продуктами износа. Материал из-
нашиваемых деталей предварительно активируется, т. е. в него
вводится определенный радиоактивный изотоп одним из следую-
щих методов:
а) введение радиоактивного изотопа в металл при плавке;
б) нанесение радиоактивного электролитического покрытия;
в) введение радиоактивного изотопа методом диффузии;
г) установка радиоактивных вставок;
д) облучение детали нейтронами.
По мере износа детали вместе с продуктами износа в масло
попадает пропорциональное им количество атомов радиоактивно-
го изотопа. По интенсивности излучения этого изотопа в пробах
масла можно судить о величине износа.
Преимущества этого метода: возможность измерения износа
без разборки сопряжения, непрерывного и периодического измере-
ния износа, раздельного (дифференцированного) измерения изно-
са деталей сопряжения.
Недостатки метода: сложность; необходимость специального
оборудования, помещения, защитных и очистных устройств и т. д.
Методом встроенных датчиков определяют износ детали по
изменению линейных размеров (или положения) этой детали,
фиксируемому датчиком, встроенным в сопряжение. В качестве
датчиков применяют различные датчики перемещений (индукци-
онные, пневматические, тензометрические и др.), сигнал от кото-
рых записывают при помощи самописца, осциллографа и т. д.
132
Преимущества метода: относительно высокая точность; воз-
можность измерения износа без разборки сопряжения, а также
непрерывного или периодического измерения износа.
Недостатки: сложность метода, потребность в специальном
оборудовании; затруднительное, а в отдельных случаях и невоз-
можное раздельное измерение
износа деталей сопряжения.
Метод искусственных баз.
Этим методом величину износа
определяет по изменению разме-
ров суживающегося углубления
(профиль которого известен), вы-
полненного на изнашивающейся
поверхности. Такими углубления-
ми могут быть высверленное
коническое отверстие, отпечатки
в форме конуса или пирамиды,
вырезанная лунка.
Величину линейного износа
квадратной пирамиды на плоской
Рис. 7.1. Схема измерения износа
методом вырезанных лунок.
при использовании отпечатка
поверхности вычисляют по формуле
ДА = h- -i- (af, - af2),
(7.1)
где ДА — линейный износ в месте отпечатка; h, А5 — глубина отпе-
чатка до и после изнашивания; сЦ и tZ2— длина диагонали отпе-
чатка до и после изнашивания; m — коэффициент пропорциональ-
ности (при угле пирамиды а=136° пг—7).
Величину износа плоской поверхности методом вырезанных
лунок (рис. 7.1 ) определяют по формуле
/2 — Z2
ДА=А-А1«-^, (7.2)
где дополнительно I и Л —длина лунки до и после изнашивания;
г — радиус, описываемый вершиной резца.
Износ цилиндрических поверхностей при лунке, расположен-
ной перпендикулярно образующей цилиндра, вычисляют по фор-
муле
ДА=А-А, =0,125 (Z2—Zf) (-J- ± -£) » (7.3)
где R — радиус кривизны поверхности трения в месте нанесения
лунки.
В формуле (7.3) принимают: плюс—для выпуклых, минус —
для вогнутых поверхностей.
133
Преимущества метода искусственных баз: высокая точность;
возможность определения износа в разных точках.
Недостатки, метода: местное вспучивание и искажение формы
лунок; высокая трудоемкость; необходимость разборки узла; на-
личие специальных приборов для нанесения отпечатков и лунок
и измерения их величины.
7.2. МЕТОДЫ ИЗМЕРЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ ШЕРОХОВАТОСТИ
Параметры шероховатости поверхности определяют щуповыми
и оптическими приборами. Для оценки шероховатости поверхно-
стей по параметру Rz применяют двойной оптический микроскоп
МИС-11. В нем микронеровности освещаются световой полосой,
направляемой из осветительного тубуса под некоторым углом к
поверхности. Линия пересечения световой полосы и микронеров-
ностей наблюдается в увеличенном виде в визуальном тубусе.
Микронеровности (для значений Rz от 80 до 2 мкм) измеряются
окулярным микрометром или фотографируются с помощью фото-
насадки. Сменными объективами достигается увеличение до 517
раз. Недостатком этого метода является высокая трудоемкость.
Наибольшее распространение получили методы определения
параметров шероховатости при помощи щуповых профилометров
и профилографов. Действие профилометра основано на принципе
Ощупывания исследуемой поверхности алмазной иглой с малым
радиусом закругления и преобразования индуктивным методом ее
колебаний в колебания напряжения. На шкале показывающего
прибора профилометра оценка шероховатости дается по Ra.
Для записи микропрофиля поверхностей в виде профилограмм
применяют профилографы. На рис. 7.2 представлена блок-схема
Рис. 7.2. Блок-схема щупо-
вого профилографа-профи-
лометра.
щупового профилографа-профилометра модели 201 завода «Ка-
либр». Электрическая часть прибора включает в себя датчик,
электронный блок 5 с показывающим прибором 6 и записываю-
134
щий прибор 7. Магнитная система датчика состоит из сердечника
9 с двумя катушками 2. Катушка датчика и две половины пер-
вичной обмотки трансформатора 4 образуют балансовый мост,
питающийся от генератора 3. При перемещении датчика по иссле-
дуемой поверхности алмазная игла 1, ощупывая неровности
поверхности, совершает колебания, приводя в колебательное дви-
жение относительно оси 8 якорь 10. Колебания якоря меняют воз-
душные зазоры между якорем и сердечником и тем самым изме-
няют напряжение на выходе трансформатора 4. Полученные из-
менения напряжения усиливаются электронным блоком, на выход
которого подключается записывающий или показывающий при-
боры.
В качестве показывающего прибора используется отградуиро-
ванный по параметру Raiмикроамперметр постоянного тока.
На записывающем приборе, представляющем собой магнито-
электрический миллиамперметр постоянного тока, запись произ-
водится электротермическим способом на электротермической
диаграммной бумаге. Общий вид профилографа-профилометра по-
казан на рис. 7.3.
Рис. 7.3. Общий вид профилографа-профилометра:
1 — стойка с кареткой; 2 — универсальный столик; 3 — датчик; 4 — мото-
привод; 5 — электронный блок с показывающим прибором; 6 — записываю-
щий прибор.
Техническая характеристика профилографа - профилометра
Пределы измерения Ra ..................
Вертикальные увеличения ...............
Горизонтальные увеличения .............
Измерительное усилие ощупывающей иглы .
Радиус ощупывающей иглы................
Наибольшая рабочая длина трассы ощупы-
вания при записи ......................
Скорость трассирования профилографа . . .
от 2,5 до 0,020.
1000, 2000, 4000, 10000,
20000, 40000, 100000 и
200000.
от 2 до 4000 (18 ступеней),
не более 0,001 Н.
0,002 мм.
40 мм.
0,2; 1,0^и 10 мм/мин.
135
Измерение волнистости поверхности производят на профило-
графах, снабженных специальным приспособлением, а также спе-
циальными приборами для измерения волнистости.
7.3. МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ ПОВЕРХНОСТЕЙ ТРЕНИЯ
Для исследования состояния поверхностей трения и структуры
поверхностных слоев в настоящее время применяют различные
физические методы.
С помощью оптической металлографии исследования проводят
на оптических микроскопах (увеличение 100—2000 крат) в свет-
лом и темном поле с целью качественного определения фазового
и структурного состава сплавов, а также количественного содер-
жания фаз, размера, формы и распределения структурных со-
ставляющих. Примейяют этот метод и для оценки состояния по-
верхностей трения (наличие повреждений, царапин, очагов корро-
зии, следов усталостного изнашивания и т. д.).
Измерение микротвердости. Этот метод в дополнение к опти-
ческой металлографии служит для идентификации различных фаз
и структурных образований в сплаве, для определения степени
упрочнения каждой фазы в исследуемой системе, степени упроч-
нения (или разупрочнения) отдельных участков поверхностей
трения и прилегающих к поверхностям слоев материала.
Рентгеноструктурный анализ позволяет определять фазовый
состав сплавов, исследовать тонкую структуру металла, степень
совершенства кристаллической решетки, ориентировку кристалли-
тов, структурные изменения, протекающие в поверхностных слоях
сплавов при термической и механической обработке и при треиии.
Электронная микроскопия, обладающая высокой разрешающей
способностью, позволяет наблюдать изменение структур материа-
лов на уровне, близком к атомарному, характер и даже протека-
ние процессов разрушения поверхностного слоя, изучение струк-
тур границ зерен. Электронный микроскоп дает увеличение в
100000 раз и более.
Рентгеноспектральный микроанализ позволяет с разрешающей
способностью, достигающей нескольких микрометров, исследовать
распределение различных химических элементов в материале, что
очень важно для решения многих металловедческих задач, а так-
же для изучения и идентификации различных включений и выде-
лений на поверхностях трения.
Метод непрырывного рентгенографирования представляет
собой разновидность метода рентгеноструктурного анализа и ис-
пользуется для исследования трущихся поверхностей. При прове-
дении исследований оборудование можно приблизить к поверхнос-
ти трения и фиксировать состояние металла в момент, непосредст-
136
венно следующий за моментом выхода данной точки рабочей по-
верхности из контакта. С помощью этого метода фиксируется
(фотометодом или ионизационным счетчиком) структура материа-
ла в состоянии, близком к тому, в каком он находился непосред-
ственно в процессе трения и перед началом интенсивного охлаж-
дения при выходе из контакта.
Метод масс-спектрометрии позволяет использовать газовыде-
ление в качестве индикатора процессов, происходящих во фрик-
ционном контакте.
7.4. МАШИНЫ ДЛЯ ИСПЫТАНИЯ МАТЕРИАЛОВ НА ТРЕНИЕ И ИЗНОС
Машины для испытания на трение и износ довольно разнооб-
разны по принципам действия и конструкции. Обычно они обес-
печивают достаточно большой диапазон варьирования рабочих
режимов, так как испытание на трение и износ требует учета
большого количества факторов, влияющих на результаты. Фрик-
ционные свойства зависят не только от материала испытываемой
пары, но и от конструкции узла трения. Обычно на практике при-
меняют многоступенчатую схему испытаний, включающую четыре-
этапа (табл. 7.1). В зависимости от решаемой задачи отдельные
этапы могут опускаться.
Таблица 7. 1
Этапы испытаний на трение и износ
Этапы Вид испытаний Цель испытаний
1 Физико- механические лабо- раторные испытания матери- алов Получение физико - механических характеристик материалов и прогнози- рование по ним фрикционных свойств
2 Испытание материалов на трение и износ на лаборатор- ных установках Оценка влияния физико-механических свойств и режимов трения на фрикци- онные свойства материалов
3 Стендовые испытания узлов трения Оценка влияния конструктивных особенностей узла трения
4 Натурные испытания Оценка взаимного влияния различных узлов механизма, надежности и долго- вечности работы механизма в целом
Классификация машин для испытания материалов на трение и.
износ приведена на рис. 7.4. Конкретные модели машин снабже-
ны устройствами, обеспечивающими возможность соответствую-
щего вида испытаний (устройства для получения дополнительных,
схем трения, создания дополнительных движений образца или
контртела, создания ударов и вибраций, для температурных испы-
137
Тип машины Схемы трения Машины, относя- щиеся-'к данно- му типу
1.1 1= ,Р 1Ч х* р < У2 МИ-1М (схемы а,б), СМЦ-2 (схемы а,б,в)
1.5 |р СКД-1
1.5 1р мпи-1, мпи-г
: 2.1 о .6> ША Р1 Г> -ЙД <у JCLJ МДП-1 (схема а), МФТИ (схема б), МД СТ-1 (схема вД ЧШМ-3 (схема в),
а 5
2.2 и Я— 1 у, МПТ-1
2.3 р PW71 МЗТ, И МАШ
i 2.4 —с' СВП-1, МИГ-1
’ 2-5 1" ХЧ-Б, ИМАШ
2.6 МИРТ-1
Рис. 7.4. Типы машин для испытания материалов на трение и износ.
138
таний, для испытаний в различных средах, для измерения и ре-
гистрации силы трения, температуры, износа, для автоматизации
процесса испытаний и т. д.).
Рассмотрим, какие машины применяются для испытания мате-
риалов на трение и износ.
Машина трения СМЦ-2 предназначена для изучения процессов
трения и износа при трении качения с проскальзыванием, при
трении качения без проскальзывания и при трении скольжения
в условиях смазки или без нее. На рис. 7.5 дана принципиальная
схема машины СМЦ-2 при испытании пары диск — диск.
Нижний испытуемый образец 10 приводится во вращение от
электродвигателя 12 через клиноременную передачу 1 со сменны-
ми шкивами и шестерни Zo—Верхний образец 9 приводится1
во вращение через шестерни Zo—Z2 и сменную пару Z3—Z4, с по-
мощью которой устанавливается заданный коэффициент проскаль-
зывания
(7.4).
где щ и V2 — линейные скорости соответственно нижнего и верх-
него образцов.
Верхний образец прижимается к нижнему путем поворота
уравновешенной каретки 5 вокруг оси Z2—Z3 пружинным меха-
низмом 6. Нагрузка отсчитывается по шкале 7, снабженной регу-
лировочным устройством 8. Момент трения измеряется бескон-
тактным индуктивным моментомером 11, а частота вращения об-
разца — электрическим счетчиком 3. При испытании пар трения
диск — колодка и вал — втулка каретка 5 расцепляется с муфтой
4 и снимается с машины, а на ее место устанавливается соответ-
ствующее сменное приспособление. Для испытаний в смазке и в
присутствии абразива машина снабжена съемными камерами. За-
щита машины от перегрузок осуществляется предохранительной
муфтой 2.
Момент трения может записываться на диаграммной ленте
электронного потенциометра, размещенного вместе со счетчиком
частоты оборотов в специальном настольном пульте. При работе
по схеме диск по диску на машине могут проводиться также ис-
пытания образцов на контактную усталость, необходимые для
моделирования работы зубчатых передач, колес и рельсов желез-
нодорожного транспорта, подшипников качения и т. д.
Техническая характеристика машины, трения СМЦ-2
Виды испытываемых пар трения................ диск — диск; диск —
колодка; вал—втулка.
Частота вращения ведущего образца, с"1...... 5; 8,33; 16,66.
Коэффициент проскальзывания, %.............. 0; 10; 15; 20; 100.
139
6
Рис. 7.5. Машина СМЦ-2:
а — принципиальная схема; б — пары трения.
Наибольшая нагрузка на образцы, Н:
при замкнутой схеме (трение качения)........ 100 — 2000;
при незамкнутой схеме (тренне скольжения) . . . 200 — 5000.
Погрешность измерения нагрузки, %................ ±5.
Максимальный момент трения, Н-м................ 15.
Погрешность измерения момента трения, %........ ±5.
Тип моментомера ............................... электрический.
Испытание в средах............................. смазка, абразив.
Машина МФТ-1 предназначена для определения фрикционной
теплостойкости материалов, а также износа и коэффициентов
трения различных материалов при коэффициенте взаимного пе-
рекрытия образцов, равном 1.
Кольцевой испытуемый образец 10 (рис. 7.6) установлен в са-
моустанавливающемся зажиме 11, закрепленном на шпинделе
12, который приводится во вращение от двигателя 15 постоянного
тока с плавным регулированием скорости через двухступенчатую
коробку скоростей 14 и 1клиноременную передачу 13. Переключе-
нием блока шестерни 16, 18 с помощью рукоятки 17 устанавли-
141
вается нужный диапазон рабочих скоростей. Кольцевой контробра-
зец 9 установлен в зажиме 8, соединенном с валом 20. Вал мо-
жет поворачиваться в подшипниках 23 подвижного корпуса
22, который, в свою очередь, может без поворота по шариковым
направляющим 21 вращением рукоятки 24 перемещаться относи-
тельно каретки 19. Образцы прижимаются пневматическим мемб-
ранным приводом 1, питающимся от сети сжатого воздуха или
баллона, через шарик 2. Такая конструкция позволяет макси-
мально устранить влияние осевой нагрузки на измеряемый момент
трения. Момент трения через рычаг 3 и регулируемый по высоте-
ползун 4 воспринимается тарированным упругим элементом 6 с
индуктивным преобразователем 5, жестко закрепленным в корпу-
се. Линейный суммарный износ образцов (сближение зажимов-
8 и И) измеряется индуктивным датчиком 7. Для измерения
температуры предусмотрены термопары, которые впаиваются в
образец 9. Корпус шпинделя и вал охлаждаются проточной водой.
Машина МФТ-1 устанавливается на фундаменте и снабжается
камерой, позволяющей вести испытания в жидких средах.
В процессе испытаний можно измерять и записывать на диаг-
рамме момент трения, температуру и суммарный линейный износ
образцов, а также измерять скорость вращения образца й сум-
марную наработку.
В машине предусмотрен также режим притирки образцов.
Техническая характеристика машины приведена ниже.
Машина дисковая МДП-1 предназначена для определения
коэффициентов трения и интенсивности изнашивания различных
материалов при коэффициенте взаимного перекрытия, близком к
нулю.
Истирающая поверхность 9 (металлический диск, сетка и
т. п.) крепится к диску 10 (рис. 7.7), который приводится во
вращение от электродвигателя 14 постоянного тока с плавным
регулированием скорости через клиноременную передачу 13 и
двухступенчатую коробку скоростей 16. Переключением муфты 11
рукояткой 15 устанавливают нужный диапазон рабочих скорос-
тей. При этом прямой передаче, минуя червячное зацепление 12,
соответствует диапазон минимальных моментов трения. Три паль-
чиковых образца 8 крепятся под углом 120°С друг к другу в цан-
говых захватах 7, которые с помощью винтовой 6 и конической
18 передач можно перемещать на различные радиусы трения.
Диск 17 с захватами 7 установлен на шарикоподшипниках вала
20 в подвижном корпусе 21, перемещающемся поступательно от-
носительно каретки 22 по шариковым направляющим 19. Враще-
нием рукоятки 24 каретка приближается или удаляется от диска
10. В процессе испытаний образцы прижимаются пневматическим^
мембранным приводом 1 через упорный шарикоподшипник 23.
142 J
Возникающий момент трения с помощью рычага <3 и регулируе-
мого устройства 2 воспринимается тарированным упругим элемен-
том 4, жестко закрепленным на корпусе. Для измерения линей-
ного износа служит индуктивный датчик 5, а для измерения
температуры в зоне трения машина позволяет подключать шесть,
термопар. Пульт машины МДП-1 унифицирован, содержит ту же-
аппаратуру и обеспечивает те же возможности, что и на машине.-
МФТ-1.
Рис." 7.7. Принципиальная схема машины МДП-1.
Технические характеристики машин трения
МФТ- 1 МДП- Г
Количество одновременно испытываемых
образцов ..................................
Коэффициент взаимного перекрытия образцов .
Частота вращения подвижного контробразца, с-1
Диапазон регулирования частоты вращения . .
Усилие прижима образцов, Н.................
Погрешность^измереиия усилия, %............
Предельно^допустимый момент трения, Н-м . .
Погрешность измерения момента трения, % .
Мощность привода, кВт......................
Радиус трения, мм..........................
1
1
0,17 . . . 100
1 ... 600
75 ... 3000
±2,5
9
±5
14
24
3
0
0,15... 50
1 ... 333
100... 4500
±2,5
330
±5
11,8
60 ... 150
Машина МПТ-1 предназначена для изучения процессов трения
материалов при нормальных и повышенных температурах. Основ-
ным узлом машины является ползун 10 (рис. 7.8), на котором-
крепится нижний образец 9, имеющий форму пластины. Ползун
совершает возвратно-поступательное движение, передаваемое от
электродвигателя постоянного тока 17 через двухскоростной ре-
143
дуктор 18 и винтовую передачу 15 со скоростью 0,0001—-0,01 м/с.
Три верхних контробразца 8 крепятся в державке 5, жестко за-
крепленной в седле 6. Нагрузка на образцы ,в пределах 15—200
создается сменными грузами 7, устанавливаемыми на седло 6.
Седло 6 с верхними образцами неподвижно относительно машины
и соединено двумя тягами 4 при помощи призм 2 со сменным
упругим элементом 1 (в виде кольца), на котором наклеены тен- '
зодатчики. Сила трения, возникающая при движении ползуна,
деформирует упругий элемент. Эта деформация через усилитель
передается на показывающий прибор (миллиамперметр) или за-
писывается осциллографом. Поступательная скорость ползуна,
плавно изменяемая в пределах 1...100 при помощи регулируемого
электропривода с магнитными усилителями ПМУ-1 и коробки
•скоростей, контролируется тахогенератором 16.
Предусмотрено два режима работы машины: непрерывный и
периодический. Величина возвратно-поступательного движения t
ползуна задается настройкой подвижных упоров 12 и 13 в преде- |
л ах 30... 100 мм. Перед началом испытаний приводится тарировка ]
упругих элементов. Контробразцы 8 в державке притираются (для 1
-создания единой плоскости трения) на специальном приспособле- 1
нии, которое поставляется в комплекте с машиной. |
Машина комплектуется набором сменных упругих элементов, 1
держателей образцов, а также сменными грузами, снабжена тер* I
мокамерой // для испытания образцов при температуре до 200°с1
144
с нагревателем 3, нагревателем 14 на ползуне 10. Температура в
зоне трения измеряется с помощью термопары.
Машина МПТ-1 может быть использована для изучения фрик-
ционных автоколебаний при трении.
Машина для оценки антифрикционных свойств материалов
МАСТ-1 предназначена для испытаний на трение материалов со
смазкой и без нее, при нормальных и повышенных температурах,
для определения коэффициентов трения, критических температур
смазочной пленки на металле, а также для оценки износа тру-
щихся материалов.
Верхний образец 8 (рис. 7.9), представляющий собой шарик
диаметром 8 или 12 мм, закрепляется в съемной державке шпин-
деля 9, приводимого во вращение (с частотой 1/16 с-1) от элек-
тродвигателя 10 через ременную передачу. Три нижних образца
6 (шарики), зажатые в специальной обойме, или плоский образец
(шайба) крепятся на дне металлической ванночки 7, заполняемой
смазочным материалом. Поджим нижних образцов к верхнему
осуществляется через рычаг 1 с помощью грузов. Максимальная -
нагрузка — 110 Н. Для повышения чувствительности в механизме
нагружения применены специальные шариковые направляющие 2.
При вращении шпинделя верхний образец за счет сил трения
стремится увлечь ванночку, но ее повороту препятствует сменный
тарированный торсион 3, угол закручивания которого пропорцио-
нален моменту трения. С ванночкой жестко связана быстросъем-
10—796 145
ная стрелка 11 с пером 12, записывающая момент трения на бу-
мажной ленте, закрепленной на барабане самописца 13, приводи-
мого в движение с частотой 1/120 с -1 от электродвигателя 14.
Электропечь 5 позволяет производить испытания при температу-
рах 20—400°С. Автоматическое регулирование и измерение темпе-
ратуры в рабочем пространстве печи осуществляется электронным
потенциометром.
Работа на машине МАСТ-1 автоматизирована.
Машины для испытания пластмасс на износ МПИ-1 и МПИ-2
предназначены для испытания пластмасс на абразивный износ по
свежему следу. На рис. 7.10 показана принципиальная схема ма-
шины МПИ-2.
Рис. 7.10. Прин-
ципиальная схе-
ма машины
МПИ-2.
Образец 15 диаметром 10 мм (или прямоугольный 10X10 мм)
и высотой 10—20 мм закрепляется в специальной головке 17 и
выставляется из державки 16 на требуемую высоту. Для замены
образца головку откидывают, поворачивая вокруг шарнира 14.
Сверху на головку устанавливают сменные грузы, прижимающие
образец 15 к барабану 12, покрытому истирающей поверхностью
(шкуркой, тканью, бумагой и т. д.). Диапазон нагрузок 10—50Н.
Движение от электродвигателя 5 ременной передачей 6 через
червячную пару 8 передается на ходовой винт 2, а через червячную
пару 9— на барабан 12. Барабан 12 с помощью обгонной муфты
146
11 соединен с червячной парой 9, что позволяет вращать его вруч-
ную рукояткой 10 (это нужно при намотке на барабан истирающей
шкурки). При вращении барабана обеспечивается линейная ско-
рость 0,3 м/с, а ходовой винт перемещает поступательно суппорт
13 и связанную с ним шарнирно головку 17 по направляющим
3 и 4. Подача суппорта за 1 оборот барабана составляет 10 мм, при
этом образец истирается по винтовой линии, т. е. по свежему сле-
ду. Упоры 1 и 7 ограничивают крайние положения головки при
ходе суппорта до 400 мм.
Модель МПИ-1 отличается от МПИ-2 наличием силоизмери-
тельного устройства, устройства для подайи смазки и термокаме-
ры для нагрева образцов до 200°С.
ГЛАВА 8
МЕТОДЫ ПОВЫШЕНИЯ ИЗНОСОСТОЙКОСТИ ДЕТАЛЕЙ
МАШИН
8.1. КОНСТРУКТИВНЫЕ СПОСОБЫ ОБЕСПЕЧЕНИЯ ИЗНОСОСТОЙКОСТИ
ДЕТАЛЕЙ машин
Долговечность деталей машин, их высокая износостойкость
должны закладываться уже на первом этапе создания машин —
при конструировании (рис. 8.1). Достижения трибоники позволя-
ют применять расчетные методы для нахождения оптимальных
конструктивных решений, повышающих износостойкость узлов
трения. С помощью расчетных методов можно выбрать и обосно-
вать оптимальные конструктивные параметры деталей, обеспечи-
вающие минимальную скорость изнашивания; установить предель-
ные взносы деталей; типоразмеры унифицированных элементов
для применения в данной конструкции машин; обеспечить равно-
стойкость узла или детали с несколькими изнашивающимися по-
верхностями; подобрать износостойкие материалы и методы их
упрочнения;обосновать требования к физико-механическим свой-
ствам; произвести сравнительную оценку износостойкости нес-
кольких вариантов исполнения узлов и деталей; прогнозировать
сроки службы деталей.
Наряду с изложенными выше методами расчета интенсивности
изнашивания (см. 2.5.2, 4.2.7, 5.3) применяются и другие методы.
Так, хорошие результаты получены при использовании методов
расчета износа подвижных сопряжений, учитывающих перерас-
пределение давления на контакте при изменении взаимного распо-
ложения деталей в результате износа.
Итак, для того чтобы уже при конструировании заложить ос-
новы высокой износостойкости, нужно применять триботехничес-
147
ная стрелка 11 с пером 12, записывающая момент трения на бу-
мажной ленте, закрепленной на барабане самописца 13, приводи-
мого в движение с частотой 1/120 с -I от электродвигателя 14.
Электропечь 5 позволяет производить испытания при температу-
рах 20—400°С. Автоматическое регулирование и измерение темпе-
ратуры в рабочем пространстве печи осуществляется электронным
потенциометром.
Работа на машине МАСТ-1 автоматизирована.
Машины для испытания пластмасс на износ МПИ-1 и МПИ-2
предназначены для испытания пластмасс на абразивный износ по
свежему следу. На рис. 7.10 показана принципиальная схема ма-
шины МПИ-2.
Рис. 7.10. Прин-
ципиальная схе-
ма машины
МПИ-2.
Образец 15 диаметром 10 мм (или прямоугольный 10X10 мм)
и высотой 10—20 мм закрепляется в специальной головке 17 и
выставляется из державки 16 на требуемую высоту. Для замены
образца головку откидывают, поворачивая вокруг шарнира 14.
Сверху на головку устанавливают сменные грузы, прижимающие
образец 15 к барабану 12, покрытому истирающей поверхностью
(шкуркой, тканью, бумагой и т. д.). Диапазон нагрузок 10—50Н.
Движение от электродвигателя 5 ременной передачей 6 через
червячную пару 8 передается на ходовой винт 2, а через червячную
пару 9 — на барабан 12. Барабан 12 с помощью обгонной муфты
146
И соединен с червячной парой 9, что позволяет вращать его вруч-
ную рукояткой 10 (это нужно при намотке на барабан истирающей
шкурки). При вращении барабана обеспечивается линейная ско-
рость 0,3 м/с, а ходовой винт перемещает поступательно суппорт
13 и связанную с ним шарнирно головку 17 по направляющим
3 и 4. Подача суппорта за 1 оборот барабана составляет 10 мм, при
этом образец истирается по винтовой линии, т. е. по свежему сле-
ду. Упоры 1 и 7 ограничивают крайние положения головки при
ходе суппорта до 400 мм.
Модель МПИ-1 отличается от МПИ-2 наличием силоизмери-
тельного устройства, устройства для подачи смазки и термокаме-
ры для нагрева образцов до 200°С.
ГЛАВА 8
МЕТОДЫ ПОВЫШЕНИЯ ИЗНОСОСТОЙКОСТИ ДЕТАЛЕЙ
МАШИН
8.1. КОНСТРУКТИВНЫЕ СПОСОБЫ ОБЕСПЕЧЕНИЯ ИЗНОСОСТОЙКОСТИ '
ДЕТАЛЕЙ МАШИН
Долговечность деталей машин, их высокая износостойкость
должны закладываться уже на первом этапе создания машин —
при конструировании (рис. 8.1). Достижения трибоники позволя-
ют применять расчетные методы для нахождения оптимальных
конструктивных решений, повышающих износостойкость узлов
трения. С помощью расчетных методов можно выбрать и обосно-
вать оптимальные конструктивные параметры деталей, обеспечи-
вающие минимальную скорость изнашивания; установить предель-
ные износы деталей; типоразмеры унифицированных элементов
для применения в данной конструкции машин; обеспечить равно-
стойкость узла или детали с несколькими изнашивающимися по-
верхностями; подобрать износостойкие материалы и методы их
упрочнения;обосновать требования к физико-механическим свой-
ствам; произвести сравнительную оценку износостойкости нес-
кольких вариантов исполнения узлов и деталей; прогнозировать
сроки службы деталей.
Наряду с изложенными выше методами расчета интенсивности
изнашивания (см. 2.5.2, 4.2.7, 5.3) применяются и другие методы.
Так, хорошие результаты получены при использовании методов
расчета износа подвижных сопряжений, учитывающих перерас-
пределение давления на контакте при изменении взаимного распо-
ложения деталей в результате износа.
Итак, для того чтобы уже при конструировании заложить ос-
новы высокой износостойкости, нужно применять триботехничес-
I
147
QO Применение трибо- технических расчетов при конструировании Улучшение условий трения
1 1
Выбор и обоснование оптимальных кон- структивных пара- метров деталей Снижение контактной нагруженности
Устранение возможности
Установление пре- схватывания поверхностей
дельных износов Замена сухого трения
Подбор ИЗН0С0СТ0Й- граничным
киа мгпериалив И методов упрочнения Замена граничного трения режимом гидродинамичес-
Обоснование требо- ваний к физико-меха- кой или гидростатической смазки
ническим свойствам Уменьшение работы
трения
Улучшение температур- ного режима трения
Защита узлов трения от абразивных частиц
Защита узлов трения от химических агентов внешней среды
Обеспечение равностойкостн изнашиваю- щихся деталей Оптимизация формы деталей Компенса- ция износа деталей Резервиро- вание изно- состойкости
1 1 1 1
Исключение неравномернос- ти изнаши- вания Предотвраще- ние концентра- ции износа иа. отдельных участках-' * ИМ»» к "! -W-IJWW -Я» Предотвраще- ние опережаю- щего изнашива- ния одной из деталей Создание гео- метрических форм деталей, обеспечиваю- щих равномер- ность эпюр контактных давлений Создание уело- вий для вырав- нивания эпюр скоростей из- нашивания при приработке Ручная ком- пенсация Самоком- пенсация Создание дополни- тельных рабочих поверхнос- тей
Автомати- ческая ком- пенсация Создание возможнос- ти обработ- ки деталей под ремонт- ный размер
Рис. 8.1. Схема конструктивных методов повышения износостойкости.
кие расчетные методы. Кроме того, необходимо улучшать условия
трения, определяющие износостойкость материала в заданных
внешних условиях работы трущихся деталей и оказывающие
влияние на динамику изнашивания. Конструктивные возможности
улучшения условий трения крайне разнообразны. При поиске ра-
циональных конструктивных решений в каждом конкретном слу-
чае необходимо во избежание чрезмерного усложнения и удоро-
жания конструкции выявлять минимальное количество требова-
ний к условиям трения, достаточных для достижения заданного
ресурса деталей.
К числу наиболее эффективных конструктивных способов
улучшения условий трения можно отнести следующие:
— снижение контактной нагруженности;
— устранение возможности схватывания поверхностей;
— замена сухого трения граничным, граничного трения — ре-
жимом гидродинамического или гидростатического трения;
— уменьшение работы трения;
— улучшение температурного режима трения;
— защита узлов трения от абразивных частиц;
— защита узлов трения от химических агентов внешней среды.
Защита узлов трения от абразивных частиц осуществляется с
помощью различных систем масляных и воздушных фильтров,
которые обеспечивают очистку масла и воздуха, поступающих к
поверхностям трения.
Один из конструкторских способов повышения износостойкости
узлов трения — применение герметизирующих устройств. Герме-
тизирующее устройство (ГУ) — совокупность деталей, образую-
щих конструкцию, предназначенную для герметизации узла тре-
ния (предотвращения утечки смазки и защиты от проникновения
извне абразивных частиц).
Герметизирующие устройства делятся на подвижные и непод-
вижные, контактные и бесконтактные: манжеты; торцевые уплот-
нения; поршневые кольца; набивочные (сальниковые) уплотнения;
лабиринтовые уплотнения; (прокладочные герметизаторы различ-
ных типов и др.
На работоспособность любого ГУ оказывают влияние много-
численные и разнообразные по своей природе факторы, которые
часто взаимосвязаны между собой.
Так, на работоспособность герметизирующих устройств влияют:
— режим работы (ресурс, температура, нагрузка, скорость
скольжения, условия хранения и транспортировки, наличие виб-
раций конструкции, пульсаций рабочих параметров и др.);
— свойства герметизируемой среды (температуры замерзания
и кипения, теплофизические свойства, химическая активность,
796
149
вязкость и зависимость ее от температуры и давления, особен-
ности поведения в узких зазорах и т. д.);
— свойства материалов сопряженных деталей и их покрытий
(прочностные, усталостные, релаксационные, теплофизиче-
ские и др.);
— технология изготовления и сборки уплотнений (способ и
характер обработки поверхностей, точность изготовления и т. д.).
Некоторые представления об условиях работы герметизирую-
щих устройств дает табл. 8.1, где в обобщенном виде дана харак-
теристика некоторых влияющих факторов.
00
Рис. 8.2. Торцевое уплот-
нение опорного катка
гусеничного трактора.
150
Обобщенные характеристики условий работы герметизирующих устройств в
некоторых областях техники
Примеры исполь- зования ГУ Станки, редук- торы, электро- двигатели Узлы автомо- билей, тракто- ров, дорожных машин Насосы, компрессоры, реакторы Элементы двигателя, приборы
Особенности эксплуатации Возможны ОС- ' мотр, замена ГУ Возможен пе- риодический осмотр и замена ГУ Осмотр затруд- нен, замена возможна толь-< ко при пере- борках машины Осмотр затруд- нен, замена затруднена
Требуе- мый ре- сурс (ори- ентиро- вочно), ч 15000 О о о о Г—< О о о ю 1500
। Требуемая сте- । пень надежности Средняя, до- пустима не- большая утечка Средняя, до- пустима не- большая утечка Высокая, до- пустима незна- чительная утечка при ус- ловии сбора в замкнутую полость Очень высо- кая, утечка не допускается
Герметизируемая среда Неагрессивная, с температурой 0—35°С (вода, масло и др.)
Неагрессивная, с температурой от — 60 до + 1Ю°С (масло, керосин и др.) Агрессивная с температурой от —50 до +200°С (кис- лоты, щелочи и др.) Как агрессив- ная, так и не- агрессивная (масло, горю- чее и др.)
| Параметры режима работы ГУ ажа 3500 8000 50000 50000
м/с 2-10 5—10 1§ О 20— 100
РЖ> кПа 0—400 0—1000 0—45000 (возмо- жен вакуум) 0—20000
Область техники Машинострое- ние Транспорт, с/х и дорожные машины Химическое и нефтяное ма- шиностроение Авиационная техника
151
Продолжение
Область техники Параметры режима работы ГУ Герметизируемая среда Требуемая степень надежности Требуемый ресурс (ориенти- ровочно) , ч Особенности эксплуатации Примеры исполь- зования ГУ
₽Ж’ кПа V, м/с pxv
Атомная техника 5000— 20000 (возмо- жен вакуум 10—50 50000 Как агрессив- ная, так и не- агрессивная (вода, пар и ДР) Очень высо- кая, утечка не допуска- ется 1000 Замена при эксплуатации машины невозможна Насосы, АЭС, элементы систем
Космическая техника 0—20000 (возмо- жен вакуум) 20— 300 100000 Агрессивная (топливо) Очень высокая, утечка не допускается 100 Замена невозможна Насосы, приборы
Как видно из таблицы, при увеличении давления, герметизиру-
емой среды рж, скорости скольжения v и их произведения pMv
наблюдается тенденция к уменьшению требуемого ресурса.
На рис. 8.2 .показано торцевое уплотнение опорного катка 11
гусеничного трактора, включающее большое уплотнительное коль-
цо 6, которое через резиновое кольцо 7 и корпус уплотнения 10
соединено с корпусом каретки 4, и малое уплотнительное кольцо
8, которое связано со ступицей вращающегося катка 11. Кольцо 8
сидит на лысках ступицы катка 11 и относительно этой ступицы
имеет осевую подвижность. Кольцо 8 пружиной 2 постоянно при-
жимается к кольцу 6, образуя с пим пару трения. Резиновый силь-
фон 3 в сочетании с шайбами 1 служит для дополнительной гер-
метизации уплотнения. Все уплотнение в целом вместе с образую-
щим лабиринт колпаком 9 предназначено для предотвращения
утечки смазки из корпуса 4 и защиты подшипника 5 от попада-
ния абразивной пыли.
В паре уплотнительных колец 6 и 8 возникает трение в усло-
виях граничной смазки.
В механизмах, осуществляющих кинематические функции без
внешнего трения подвижных элементов, возможность изнашива-
ния деталей исключается, и долговечность таких механизмов за-
висит от выносливости гибких связей. Таково уплотнение шарнир-
ного соединения, показанное на рис. 8.3. Оно состоит из тонкой
резиновой мембраны 5, неподвижно
соединенной с осью 1 с помощью пру-
жинного кольца 6 и корпусом 3 — рас-
пирающей металлической крышки 4.
Уплотнение надежно защищает внут-
реннюю полость узла, допуская воз-
вратно-вращательное движение оси 1
относительно подшипника 2 при де-
формации мембраны 5.
Один из способов конструктивного
обеспечения износостойкости — созда-
ние конструкций с равностойкостью
изнашивающихся деталей. ' Термин
«равностойкость» для изнашивающих-
ся деталей имеет примерно такой же
смысл, как «тонятие «равнопрочность»
для силовых элементов машин. ного соединения.
Неравномерность изнашивания рабочих поверхностей деталей
(концентрация износа на каком-либо участке трущейся поверхно-
сти или опережающее изнашивание одной из деталей) приводит к
преждевременной потере работоспособности всего изделия при не-
полном использовании ресурса отдельных деталей, является од-
Рис. 8.3. Уплотнение шарнир-
153
ной из причин снижения их прочности вследствие образования
концентраторов напряжений. Для обеспечения равностойкости из-
нашивающихся деталей необходимо изучать эпюры износа дета-
лей, применять расчетные методы прогнозирования износа.
Рис. 8.4. Схема взаимодействия зуба
собачки с зубом храповика.
На рис. 8.4 дана схема взаи-
модействия зуба собачки с зубом
храповика подающего механизма
угольного комбайна. В резуль-
тате неравномерного износа зуба
собачки (эпюры износа 1) в мес-
те перехода к нерабочей части 2
поверхности зуба образуется
концентратор напряжений 4,
приводящий к поломке зуба со-
бачки. Во избежание поломок
зуба собачки было принято кон-
структивное решение — затыловать зуб по линии 3. Это позво-
лило исключить неравномерность износа и предупредить возмож-
ность возникновения концентратора напряжений.
Изыскание оптимальной формы деталей имеет большое значе-
ние при их конструировании. Оптимизация формы изнашиваю-
щихся деталей представляет собой один из важных приемов обес-
печения конструкционной износостойкости и сводится к выявле-
нию износа деталей в каждой точке их контакта, построению эпюр
контактных давлений и созданию геометрических форм деталей,
обеспечивающих максимальный срок службы. Оптимизация фор-
мы деталей может происходить также в процессе изнашивания в
результате выравнивания начальной эпюры скоростей изнашива-
ния при опережающем изнашивании отдельных участков трущей-
ся поверхности.
В современных машинах широко применяется и такой конст-
руктивный прием, как компенсация износа, позволяющий обеспе-
чивать постоянство показателей работоспособности изнашиваю-
щихся деталей несмотря на их износ (пружинные поршневые
кольца двигателей внутреннего сгорания и компрессоров, само-
поджимные уплотнения подшипников, контактные щетки электро-
двигателей и др.). Компенсация износа в машинах может осу-
ществляться тремя способами: вручную, путем самокомпеисации
и автоматической компенсации.
Ручная компенсация как регулировочная операция осущест-
вляется перемещением частично изношенной детали на величину,
износа следующими способами: перемещением клиньев, сменой
прокладок,' поворотом детали, перемещением детали в специаль-
ных пазах и т. д. Например, вручную компенсируют износ зубьев
червячного колеса (рис. 8.5). Колесо состоит из двух соосных
154
частей 1 и 2, смещаемых для уменьшения зазора в сопряжении с
червяком регулировочным винтом 3 и закрепляемых затем бол-
том 4.
Самокомпенсация износа происходит при перемещении детали
по мере изнашивания под действием упругого элемента, гравита-
ционной силы, гидравлического давления и т. д.
Рис. 8.5. Конструкция червяч-
ного колеса с устройством для
ручной компенсации износа
зубьев.
На рис. 8.6 приведены схемы сопряжения ходового винта ц
гайки металлорежущих станков. Износ нескомпенсированной сис-
темы (рис. 8.6, а) приводит к снижению точности обработки. Руч-
ная компенсация износа (рис. 8.6, б) осуществляется посредством
клина 3, раздвигающего части гайки 2 до полной выборки зазора
с витками резьбы ходового винта 1. Для этого же узла разрабо-
тана система самокомпенсации износа (рис. 8,6 в), в которой
гайки 5 и 7 соединены пологими торцевыми кулачками 6, допус-
Рис. 8.6. Узел ходовой винт—гайка металлорежущих станков:
а — без компенсации износа;! б — с ручной компенсацией £изиоса;1 e.,~jc
самокомпеисацией износа.
155
кающими относительное смещение гаек на величину зазора при
повороте одной из них под действием подпружиненной зубчатой
рейки 4.
I 2 Для устранения в шарикоподшип-
Рис. 87. Шарикоподшипник
с самокомпенсацией зазоров.
нике радиальных и осевых зазоров
применяют подвижное кольцо 1, само-
компенсирующее износ шариков под
давлением резиновой шайбы 2 (рис.
8.7).
На рис. 8.8 представлены две кон-
струкции шаровых шарниров с устрой-
ствами для самокомпенсации образующегося при изнашивании
зазора. В первой конструкции (рис. 8.8, а) сфера 1 шарнира удер-
живается с двух сторон вкладышами 2 и 3, расхождению которых
препятствует резиновое кольцо 4. Во второй конструкции (рис.
8.8, б) сфера 5 опирается на подушку 6, поджимаемую клином 7
под действием пружины 8.
Рис. 88. Ша-
ровые шарниры
с самокомпен-
сацией износа
деталей.
а
Автоматическая компенсация износа заключается в фиксиро-
вании износа (или его косвенного признака) каким-либо датчи-
ком, подающим команду исполнительному механизму для кор-
ректировки положения изнашивающихся деталей специальным
механизмом с собственным приводом. Так, в станкостроении при-
меняется система автоматической компенсации износа делитель-
ной пары точных зуборезных станков посредством дифракционных
дисков и фотоэлектрических датчиков, подающих сигнал для
включения серводвигателя дифференциала делительной цепи
станка, обеспечивающего коррекцию времени вращёния стола
станка с точностью до ±1с.
Эффективность использования изнашивающихся деталей мо-
жет быть намного увеличена конструктивными приемами, обеспе-
чивающими резервирование износостойкости путем создания на
детали дополнительных (резервных) рабочих поверхностей, по-
156
вишенного запаса на износ и легкосъемных элементов в местах
износа. В машиностроении широко применяется такой способ ре-
зервирования износостойкости, как создание возможностей для
получения дополнительных рабочих поверхностей путем обработ-
ки деталей под ремонтные размеры (цилиндры и коленчатые ва-
лы двигателей, направляющие металлорежущих станков и др.), а
также поочередное использование конструктивных элементов де-
талей. Так, молоток кормодробилки (рис. 8.9, а) имеет четыре
, рабочие поверхности 1—4, кото-
Рис. 8.9. Примеры резервирования
износостойкости.
рые по достижении предельного
износа поочередно используются
путем перестановки молотка.
Пластину (рис. 8.9, б) после из-
носа поверхности 1 поворачива-
ют на 180°, и в работу вступает
поверхность 2. Во всех изнаши-
вающихся деталях конструктор
предусматривает запас на износ,,
т. е. глубина упрочненного слоя
детали, подвергающейся изнаши-
ванию, всегда должна быть боль-
ше предельного износа. Целесо-
образность введения сменных элементов определяется не. только
возможностью подбора соответствующих материалов для разных
частей детали, но и полным исключением изнашивания основы
детали, что обеспечивает ее длительное использование при перио-
дических сравнительно простых ремонтах. Сменные элементы
применяют в основном в деталях дорогих и металлоемких, под-
вергающихся местному изнашиванию. Например, известны кон-
струкции плужных отвалов и лемехов с легко сменяемыми частя-
ми в местах наибольшего износа, ковшей экскаваторов со смен-
ными зубьями, сменных зубчатых венцов шестерен и звездочек,
гнезд клапанов, накладок на направяющих и т. д.
8.2. ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ ПОВЫШЕНИЯ ИЗНОСОСТОЙКОСТИ
Износостойкость деталей зависит от шероховатости и физико-
механических свойств поверхностей трения, а шероховатость по-
верхности и ее физико-механические свойства — от технологии
изготовления детали, в силу чего технология оказывается важ-
нейшим фактором, определяющим уже на стадии изготовления
детали ее износостойкость.
Рассмотрим наиболее распространенные технологические ме-
тоды повышения износостойкости деталей машин (рис. 8.10).
157
158
Обработка резанием Обработка поверхностей пластическим деформи- рованием
Создание при об- работке шерохо- ватостей, макси- мально прибли- женных к оптимальным Обработка дробью
Дробеабразивная обработка
Центробежная обработка
Создание при об- работке соответ- ствующего нап- равления неров- ностей
Накатывание роликами
Вибрационное накатывание
Накатывание шариками
Создание упроч- ненного (накле- панного) слоя с остаточными на- пряжениями сжа- тия
Поверхностное раскатывание
Упрочнение чеканкой
Виброударная обкатка
Голтовка
Вибрационная голтовка
Ультразвуковая упрочняющая обработка
Алмазное выглаживание
Электромеханическое упрочнение (ЭМУ)
Термическая и химико- термическая обработка Нанесение из- носостойких покрытий
Г ф
Поверхностная закалка Хромирование
Цементация Осталивание
Азотирование Износостойкое никелирование
Цианирование
Оксидирование
Борирование
Сульфидирование
Сульфоцианирование
Селенирование
Теллурированне
Обработка в иодисто- кадмиевой ванне
Наплавка
поверхностей
£
Газовая на-
плавка
Электродуговая
наплавка
Электрошлако-
вая наплавка
Вибродуговая
наплавка
Металлизация
(газовая,
электрическая,
плазменная)
Рис. 8.10. Схема технологических методов повышения износостойкости
8.2.1. Обработка деталей резанием
Влияние шероховатости поверхности сопряженных деталей на
износ начинает проявляться в процессе их приработки, в течение
которой происходит изменение размеров и формы неровностей, а
также их направления. Для сокращения срока приработки, а сле-
довательно, и величины износа деталей в процессе приработки
необходимо применять та1<ой метод обработки детали в процессе
ее изготовления, чтобы полученная при этом шероховатость была
максимально близкой к оптимальной шероховатости, устанавли-
вающейся при нормальной работе детали в узле трения. Наряду
с этим необходимо обеспечить соответствующее направление сле-
дов обработки (направление неровностей), так как от этого в
значительной степени зависит износостойкость деталей. В том
случае, если поверхности имеют относительно большие микроне-
ровности, наиболее выгодным считается расположение неровнос-
тей, параллельное направлению движения. При малых микроне-
ровностях во избежание схватывания рекомендуется направление
неровностей, перпендикулярное направлению движения.
При обработке резанием на 20—30% увеличивается твердость
обработанной поверхности в результате образования упрочненно-
го слоя глубиной 0,05—0,5 мм. Кроме того, в поверхностном слое
появляются остаточные напряжения сжатия величиной 3000—
7000 кПа, положительно влияющие на износостойкость деталей.
Рассмотрим влияние основных технологических факторов об-
работки резанием на качество поверхности и износостойкость де-
талей машин.
Скорость резания. С увеличением скорости резания до
25 м/мин (эта скорость способствует наростообразованию на ре-
жущей кромке резца) шероховатость поверхности возрастает, при
дальнейшем ее увеличении — снижается, что, в свою очередь,
повышает износостойкость и коррозионную стойкость обработан-
ных поверхностей. Одновременно увеличение скорости резания до
определенных пределов приводит к увеличению толщины накле-
панного слоя. При высоких скоростях (200—600 м/мин) возникает
разупрочнение, которое уменьшает глубину наклепа, снижает пре-
дел выносливости.
Подача. С увеличением подачи увеличивается шерохова-
тость поверхности, что отрицательно оказывается на износостой-
кости. С другой стороны, с увеличением подачи возрастают глуби-
на наклепа и остаточные напряжения сжатия, что повышает ус-
талостную прочность.
Глубина резания. С уменьшением глубины резания ше-
роховатость поверхности незначительно снижается, однако это не
оказывает существенного влияния на износостойкость.
159
Смазочно-охлаждающая жидкость улучшает отводу
тепла от зоны резания, уменьшает трение и налипаемость, что?
способствует снижению шероховатости и повышению износостой-i
кости поверхности. ?
Передний угол резца. Применение инструментов с от-’
рицательными передними углами от 15 до 45° способствует обра-.'
зованию в поверхностном слое остаточных напряжений сжатия,
что повышает предел выносливости.
Биение режущего инструмента вызывает волнистость и сни-
жает эксплуатационные свойства обработанных деталей.
Вибрация системы СПИД ведет к появлению волнистости и
повышению шероховатости, что может существенно снизить экс-
плуатационные свойства деталей.
8.2.2. Обработка деталей поверхностным пластическим
деформированием
Поверхностное пластическое деформирование способствует, как
правило, предварительному упрочнению (наклепу) металла по-
верхностного слоя, повышению его твердости и износостойкости.
Особенно сильное влияние наклепа на износостойкость наблюда-
ется у более пластичных и сравнительно мягких сталей, у которых
даже при незначительном повышении микротвердости существенно
повышается износостойкость. Кроме того, обработка давлением
вызывает особую форму микронеровностей, остающихся на по-
верхности.
Основные методы упрочнения поверхностей пластическим де-
формированием приведены в табл. 8.2.
Алмазное выглаживание применяют для обработки
сталей, цветных металлов и сплавов. Учитывая повышенную хруп-
кость алмаза, не следует обрабатывать выглаживанием прерывис-
тые поверхности.
Обкатывание и раскатывание поверхности применя-
ют для обработки цилиндрических поверхностей, галтелей, плоских
и фасонных поверхностей. Изменение размера шероховатости по-
верхности при обкатывании и раскатывании, точность обработки
зависят от конструкции детали, инструмента, режимов обработки.
Ви б р о о б к а т ы в а н и е м добиваются получения различных ;
видов рельефа на поверхностях, с помощью которых можно как *
увеличивать маслоемкость контакта при работе со смазкой, так nJ
уменьшать поверхность контакта при работе без смазки. У вибро- j
обкатанных деталей получаются большие радиусы закругления ]
вершин неровностей, почти одинаковая высота продольной и по-)
перечной шероховатостей. При одинаковой высоте шероховатости^
у виброобкатанных поверхностей величина опорной поверхности :
больше, чем у поверхностей, обработанных резанием или обычным -
160
Таблица 8.2
Влияние методов упрочнения поверхностей пластическим
деформированием на их свойства
Методы упрочнения Точность обработки (квалитет) Шероховатость поверхности Твердость об- работанной по- верхности Толщина уп- рочненного слоя, мм Величина и знак изменения остаточных напряжений, МПа
min max
Обработка дробью Сохраняется от предшествующей обработки /?г=160-ю /?а=2,5-0,62 Увелич. - на 20-40% 0,4 l,o Напряжения сжатия 4—8
Дробеабразивная обработка 7?г=20—10 Да=2,5—0,32 0,2 0,6
Центробежная обработка Увелич. на 1—2 класса Увелич. на 15—60% о.з 0,7 Напряжения сжатия 6—8
Накатывание роликами 7?а=1,25— 0,040 Увелич. на 20—50% 1,0 20,0
Вибрационное накатывание 1,0 35,0
Накатывание шариками Да=0,32- 0,040 0,3 5,0
Поверхностное раскатывание 5-9 0,3 5,0
Упрочнение чеканкой 14-16 Яг=160-20 0,5 35,0
Виброударная обработка Сохраняется от предшествующей обработки /?г=40—10 Да=2,5-0,63 Увелич. на 20—40% 0,1 0,7 Напряжения сжатия 3—6
Г олтовка
/?а = 0,63— 0,080 Увелич. на 10—15% 0,05 0,1 Напряжения сжатия 1—2
Вибрационная голтовка 7?а=0,16- 0,020 Увелич. на 10-15% 0,05 0,2 Напряжения сжатия 1—1,5
Ультразвуковая упрочняющая обработка Увелич. на 2—4 класса Увелич. на 53—90% 0,1 • 0,9 Напряжения сжатия 8-10
Алмазное выглаживание /?а=0,63— 0,040 Увелич. на 30 - 60% 0,01 0,2 Напряжения сжатия 3—7
Электромехани- ческое упрочне- ние (ЭМУ) /?а=0,63- 0,016 Увелич. в 1,5—2 раза 0,2 0,8 —
11—796
Ц1
обкатыванием. Это способствует уменьшению износа виброобка*
тайных поверхностей при приработке.
8.2.3. Повышение износостойкости термической и
химико-термической обработкой поверхностей
Для образования твердого износостойкого слоя на определен-
ных участках поверхности деталей, изготовленных из средне- и
высокоуглеродистых сталей, ковкого, серого и высокопрочного»
чугуна, применяют поверхностную закалку. Глубина закалки 1,5—
2,0 мм. Поверхностная закалка может вестись с нагревом газо-
вым пламенем и токами высокой частоты (ТВЧ). Закалка с на-
гревом газовым пламенем применяется для поверхностного упроч-
нения крупных стальных изделий — литых зубчатых колес,
червяков, прокатных валков и др. Закалка ТВЧ очень широко рас-
пространена. Она может осуществляться как единовременно (на-
гревают сразу всю поверхность, подлежащую закалке), так и не-
прерывно — последовательно (нагревают и охлаждают последо-
вательно один участок поверхности за другим). Достоинства
поверхностной закалки ТВЧ состоят в высокой производительности
и хорошем качестве, возможности автоматизации процесса за-
калки.
Химико-термическая обработка применяется для улучшения ан-
тифрикционных свойств металлов и повышения их износостойкос-
ти путем диффузионного насыщения или модифицирования их
соединениями химически активных элементов.
Химико-термическая обработка, производимая в твердых, жид-
ких и газовых средах, делится на две основные группы:
1) химико-термические виды обработки, применяемые для уве-
личения износостойкости повышением поверхностной твердости
деталей (цементация, азотирование, цианирование, борирование);’
2) химико-термические виды обработки, предназначенные в
основном для улучшения противозадирных свойств металлов пу-
тем создания тонких поверхностных слоев металлов, обогащен-
ных химическими соединениями с активными элементами, которые?
предотвращают схватывание и задир при трении (сульфидировав
ние, сулфоцианирование, селенирование, теллурирование, обра-
ботка в иодисто-кадмиевой соляной ванне). Действие этих видоГ
обработки заключается в снижении коэффициента трения и лока
лизации начинающегося задира (при этом твердость поверхносп
почти не меняется).
Цементацию применяют для низкоуглеродистой нелегиро
ванной и легированной стали с содержанием 0,08—0,30% углеро
да. Концентрация углерода в поверхностном слое толщиной 0,15—
2,0 мм после цементации обычно 0,8—1,0%. Поверхностная твер
162
дость после цементации с последующим низким отпуском состав-
ляет HRC 58-64.
После цементации и закалки детали из легированной стали
рекомендуется подвергать поверхностному наклепу, в результате
чего остаточный аустенит превращается в мартенсит.
После термообработки цементованный слой имеет структуру
игольчатого мартенсита с мелкими глобулями карбидов и неболь-
шим количеством остаточного мартенсита, для которой характер-
на высокая износостойкость.
Азотирование обогащает нитридами поверхностный слой
на глубину 0,25—0,7 мм, что повышает износостойкость, сопротив-
ляемость эрозии и кавитации. Азотируют обычно ответственные
детали из низколегированных и легированных сталей (детали тур-
бин, штоки клапанов, гильзы цилиндров ДВС, втулки, пальцы,,
валики, зубчатые колеса, клапаны, шатуны, болты, плунжеры,
втулки и др.).
Нитроцементация и цианирование. Эти процессы по
сравнению с газовой цементацией имеют преимущество в скорос-
ти насыщения. Поверхностный слой получается более износостой-
ким, чем при газовой цементации, благодаря наличию азота и
мелкозернистой структуре. Структура поверхностных слоев после
цианирования отличается наличием карбонитридной зоны. Нитро-
цементация осуществляется в газовой среде, глубина закаленного
слоя 0,15...1,0 мм, твердость после закалки HRC 52—60.
Цианирование проводят в расплавах солей, глубина
цианированного слоя 0,1—1,6 мм.
Борирование, применяемое преимущественно для средне-
углеродистых нелегированных сталей, проводят в твердой, жид-
кой или газообразной среде. Поверхностная твердость стали пос-
ле борирования достигает HV 1400—1500, что обеспечивает высо-
кую износостойкость. Глубина борированного слоя 0,12—0,85 мм.
Сульфидирование и сульфо цианирование. Суль-
фидирование, обычно проводимое в солевых ваннах, дает значи-
тельный противозадирный эффект и снижает коэффициент трения.
Износостойкость повышается в 2—5 раз.
При сульфоцианировании (одновременном насыщении поверх-
ностей нитридами и сульфидами) достигается повышение как про-
тивозадирных свойств поверхностей, так и их износостойкости.
Способы химико-термической обработки титановых сплавов.
Для повышения противозадирных свойств и износостойкости ти-
тановых сплавов, обладающих низкими антифрикционными свой-
ствами и высокой склонностью к задиру, применяют сульфидиро-
вание, азотирование, термическое оксидирование и обработку в
иодисто-кадмиевой соляной ванне.
16$
8.2.4. Нанесение износостойких покрытий
Для повышения износостойкости изделий применяют гальва-
нические покрытия — хромирование, осталивание, никелирование.
Хромирование. Хромовое покрытие, наносимое на поверх-
ность деталей гальваническим способом толщиной 0,1—0,2 мм,
имеет высокую твердость (НВ 1000—1100),' низкий коэффициент
трения, что значительно снижает тепловыделение при трении. Из-
носостойкость твердого гладкого хромового покрытия в 5—15 раз
выше, чем стальных деталей. '
Хромирование бывает двух видов: твердое гладкое и пористое.
Твердое гладкое хромовое покрытие имеет один существенный
недостаток: оно плохо смачивается смазочными маслами. Для
увеличения смачиваемости покрытия прибегают к созданию в нем
пор, углублений и каналов (пористое хромирование) путем анод-
ного травления твердого гладкого хромового покрытия. Порис-
тость покрытия может быть канальчатой (сечение каналов 0,05 X
0,05 мм) или точечной.
Точечная пористость обладает большей маслоемкостью, поэто-
му ее применяют для упрочнения деталей, работающих в особо
тяжелых условиях (например, для верхних компрессионных колец
двигателей). Она характеризуется быстрой прирабатываемостыо,
но ее износостойкость несколько ниже, чем у хромового покрытия
с канальчатой пористостью. Канальчатым хромом часто покрыва-
ют гильзы цилиндров. Износ пористо-хромированных гильз и
поршневых колец меньше нехромированных в 4—7 раз, причем
износ сопряженных стальных деталей также уменьшается в 3—
5 раз.
Хромирование деталей может проводиться с припуском под
последующую механическую обработку (шлифовку и притирку)
либо без припуска «в размер».
Хромированные детали хорошо работают в паре с баббитами,
мелкозернистым чугуном или с деталями из мягких и среднезака-
ленных сталей при наличии смазки и не слишком высоком давле-
нии. Не рекомендуется хромировать детали, работающие в паре
с титановыми сплавами. ,
Хромирование не заменяет закалку и цементацию. Более то-
го, для повышения износостойкости закаленных и цементованных
сталей их также хромируют.
Хромирование применяют также для восстановления изношен-
ных деталей.
Осталивание, широко используемое для восстановления
изношенных поверхностей стальных и чугунных деталей, в отли-
чие от хромирования более производительно (примерно в 10—15
раз), недорого, толщина покрытия достигает 3 мм; твердость
гальванически осталенной поверхности HV 600—650.
164
Осталивание может применяться также для создания подслоя
перед хромированием.
Износостойкое никелирование. Это покрытие имеет
меньшую твердость, чем хромовое, однако оно хорошо обрабаты-
вается и имеет большую вязкость при толщине слоя до 2 мм«
Кроме того, никелирование — менее дорогой и более производи-
тельный процесс, чем хромирование.
Хорошими антифрикционными свойствами обладают электро-
литические покрытия из твердого фосфористо-никелевого сплава.
Коэффициент трения подобного покрытия по чугуну на 30% ниже
коэффициента трения стали по хрому. При сухом трении износо-
стойкость такого покрытия в 2,5—3 раза выше, чем у закаленной
стали. Износ сопряженных деталей при работе по фосфористо-ни-
келевому покрытию в 4—5 раз меньше, чем при работе по стали,
и на 20—40% меньше, чем при работе по хрому.
Твердым никелированием упрочняют и восстанавливают такие
детали, как шпиндели металлорежущих станков, поршневые
пальцы, коленчатые валы, гильзы цилиндров и др.
Оксидирование — процесс получения оксидных пленок
толщиной более 60 мкм с высокой микротвердостью (4000—
4500 МПа) и износостойкостью — используется для повышения
износостойкости зубчатых колес, деталей двигателей, текстиль-
ных машин и других деталей из алюминия и его сплавав. Изно-
состойкость некоторых деталей после оксидирования при работе со
смазкой возрастает в 5 и более раз.
8.2.5. Наплавка поверхностей
Наплавка применяется как для упрочнения поверхностей из-
готавливаемых деталей, так и для восстановления и увеличения
срока службы изношенных деталей машин. При наплавке проис-
ходит сплавление нанесенного слоя с основным металлом, что
обеспечивает их хорошее сцепление. Наплавлять можно слои лю-
бой толщины, производительность процесса высокая. Существует
несколько видов наплавки.
Газовая наплавка используется для упрочнения деталей,
изготовленных из сталей 35, 40 и 45, а также из низко- и средне-
легированных сталей. Наиболее широко применяют газовую на-
плавку твердыми сплавами типа сормайт инструмента и деталей,
рабочие поверхности которых должны иметь большую твердость
и высокую износостойкость (детали дорожных, строительных,
сельскохозяйственных машин и др.). Толщина наплавленного слоя
в зависимости от условий работы деталей 0,25—5,0 мм.
Электроду г овая наплавка используется при восста-
новлении изношенных деталей. Она производится электродами
165
различных марок в средах защитных газов, под слоем флюса и
другими методами, позволяющими- получать высокое качество на-
плавленного слоя. Электродуговая наплавка бывает ручная, по-
луавтоматическая и автоматическая.
Кроме газовой и электродуговой наплавки применяют и другие
способы наплавки — электрошлаковую, вибродуговую и др. Из-
носостойкие покрытия наносят также газовой, электрической и
плазменной металлизацией. Особенно перспективна получившая
развитие в последние годы плазменная металлизация.
8.3. ПРЕДОТВРАЩЕНИЕ СВЕРХНОРМАТИВНЫХ ИЗНОСОВ
В УСЛОВИЯХ ЭКСПЛУАТАЦИИ
Характеристики любой машины закладываются при проекти-
ровании, формируются при изготовлении и реализуются в процес-
се эксплуатации. Поэтому важно знать условия эксплуатации и
степень их влияния на долговечность деталей.
В общем условия эксплуатации различных машин отличаются
большим многообразием. Однако имеются отдельные почвенно-
климатические регионы, где условия эксплуатации машин наибо-
лее тяжелые. В нашей стране одним из таких регионов является
зона жаркого сухого климата.
8.3.1. Особенности эксплуатации узлов трения
в условиях жаркого климата и высокой запыленности
Зона жаркого климата характеризуется обилием света и теп-
ла, высокой температурой и низкой влажностью воздуха, засуш-
ливостью, сильными ветрами, пыльными бурями и высокой запы-
ленностью окружающей среды. Температура летом в тени дости-
гает + 50°С, среднее изменение температуры за 8 ч составляет
25°С. Металлические изделия на солнце летом нагреваются до
+ 85°С. Количество жарких дней в году ПО—160.
Высокая температура и сухость воздуха вызывают пересыха-
ние почв. Даже при небольшом ветре возникают песчаные и
пыльные бури, во время которых концентрация пыли в 1 м3 воз-
духа превышает 6 г.
В рассматриваемой зоне особенно тяжелы условия эксплуа-
тации транспортных, сельскохозяйственных, дорожных, строитель-
ных и многих других машин,
работающих на
открытом
воздухе
При высокой температуре воздуха снижается его плотность,
вследствие чего ухудшается работа, двигателей внутреннего сго-
рания, уменьшается их мощность и топливная экономичность;
вышается температура масла в картере двигателя,
в картерах
трансмиссии и в других узлах и агрегатах, что отрицательно ска
зывается на смазывающих качествах масла. Нагретое масло вы
166
текает из узлов и агрегатов через сапуны, плоскости разъема,
сальниковые уплотнения и крышки подшипников. Увеличивается
скорость окисления и деструкции масел.
Ухудшение качества смазки, ее утечка ведут к резкому увели-
чению износа в трущихся сопряжениях.
Высокая запыленность воздуха сильно влияет на интенсив-
ность изнашивания всех узлов и агрегатов. В пыли содержится
до 82% кварца и коруида, которые обладают высокой твердостью
и вызывают абразивный износ трущихся деталей. В летнее время
запыленность воздуха на дорогах достигает 1500—2000 мг/м3 и
более. Размер частиц пыли колеблется в широких пределах — от
0,006 до 0,6 мм и более.
Абразивные частицы из воздуха и почвы попадают с топли-
вом, смазочным материалом и рабочей средой, а также через не-
плотности соединений деталей в топливные баки, картеры, цилинд-
ры и другие узлы, в емкости при хранении и перевозке топлива
и маеел и т. д.
При концентрации пыли в воздухе до 2,0 г/м3 в воздушном '
фильтре автомобиля в течение 10 ч работы задерживается до 5—
6 кг ее, следовательно, удалять пыль из фильтра необходимо че-
рез каждые 3—4 ч работы. При работе двигателя в условиях за-
пыленного воздуха зазор в подшипниках увеличивается в 9—10
раз быстрее, чем в условиях чистого воздуха. Установлено, что
только 7б часть пыли, попавшей в цилиндры, выбрасывается при
выхлопе, а остальная часть задерживается в двигателе. Твердые
частицы особенно отрицательно влияют на износ коренных и ша-
тунных шеек коленчатого вала двигателя, увеличивая его в 8—
10 раз.
Значительное количество пыли попадает в трансмиссии тракто-
ров и дорожных машин, вызывая преждевременный износ дета-
лей коробки передач и заднего моста. Износ деталей в коробках
передач, работающих на масле, загрязненном пылью (0,8—2,4%),
в 1,5—5,5 раза выше, чем при работе на чистом масле.
Из-за абразивного износа выходит из строя до 84% деталей
шестеренчатых гидронасосов. Наиболее значителен износ деталей
ходовой части, работающих в особенно тяжелых условиях. Иссле-
дование поверхностей трения большинства деталей машин, рабо-
тающих в условиях высокой запыленности окружающего возду-
ха и загрязненности топлива, масел и рабочих жидкостей, пока-
зало, что ведущим видом изнашивания является абразивное. В
качестве примера на рис. 8.11 показан характерный вид макро-
структуры, микроструктуры и дана электронная фотография изно-
шенной поверхности трения гильзы цилиндра дизеля. Как видно
уже при небольших увеличениях (рис. 8.11, а), на поверхности
трения имеются характерные для абразивного износа многочислен-
167
ные царапины (следы микрорезания) в направлении скольжения.
При больших увеличениях (рис. 8.11, б), на поверхности трения
кроме следов микрорезания можно увидеть и микротрещины, воз-
никшие в результате усталостных и температурных явлений, со-
а
Рис. 8.11. Макроструктура (а, Х100),
микроструктура (б, Х400) и элек-
тронная фотография (в, Х5000) из-
ношенной поверхности гильзы цилин-
дра дизеля.
Путствующих абразивному изнашиванию. Особенно ярко следы
микрорезания поверхности гильзы абразивными частицами видны
на электронной фотографии (рис. 8.11, в). Эксплуатация машин
168
в условиях жаркого климата показала, что интенсивность изна-
шивания деталей машин в этой зоне в 2—10 раз выше, чем в зо-
не умеренного климата.
8.3.2. Особенности износа некоторых деталей при эксплуатации
Износ деталей цилиндро-поршневой группы (ЦПГ) двигателей
Обычно детали цилиндро-поршневой группы являются лимити-
рующими, и их износ определяет ресурс двигателя до капиталь-
ного ремонта.
Для одноименных деталей цилиндро-поршневой группы в раз-
ных двигателях характерны большие колебания величин износа,
что обусловлено различным качеством их изготовления (техноло-
гический фактор) и различными условиями эксплуатации и об-
служивания (эксплуатационный фактор).
Детали ЦПГ подвергаются коррозионно-механическому и аб-
разивному изнашиванию, причем, согласно последним исследова-
ниям, ведущим видом изнашивания этих деталей является абра-
зивное. Наряду с абразивным и коррозионно-механическим
изнашиванием в местах, где нарушается непрерывная масляная
пленка (в верхней части цилиндра), возможно схватывание, а в от-
дельных случаях — даже появление задиров.
Коррозионно-механическое изнашивание деталей ЦПГ вызы-
вается наличием в зоне трения агрессивных веществ — газооб-
разных и жидких продуктов сгорания топлива и окисления масел,
что в сочетании с высокой температурой ведет к образованию не-
прочных пленок окислов и их последующему удалению. Коррозии
сопутствуют и электрохимические процессы.
Абразивное изнашивание деталей ЦПГ в основном вызывается
абразивными частицами минерального происхождения, проникаю-
щими в цилиндр с воздухом, топливом и смазочным материалом.
Цилиндры изнашиваются, неравномерно как по их образующей,
так и в поперечном сеченни.
Неравномерность износа цилиндров в поперечном сечении за-
висит от направления потока горючей смеси, ее загрязненности,
неравномерности температуры цилиндров по окружности, давления
поршневых колец, деформации цилиндра и т. д. Зона наи-
большего износа обычно расположена в стороне, противополож-
ной впускному каналу. В плоскости, перпендикулярной оси колен-'
чатого вала, износ обычно больше в 1,05—1,6 раза, чем в плос-
кости, параллельной оси коленчатого вала.
Максимальный износ по образующей цилиндра (гильзы) на-
блюдается в месте остановки первого компрессионного кольца
при положении поршня в верхней мертвой точке (в. м. т.).
Иногда для повышения износостойкости цилиндра в него за-
прессовывают вставку из нерезистового чугуна. В этом случае
796 169
профиль износа цилиндра имеет два пика: в месте остановки пер-
вого компрессионного кольца в в. м. т. и в зоне перехода материала
вставки в материал цилиндра.
Поршневые кольца изнашиваются в радиальном направлении
и по высоте. Наибольший износ в радиальном направлении име-
ют концы колец у стыка. По высоте кольца изнашиваются при-
мерно одинаково но всему периметру. Максимальный износ име-
ют первые компрессионные кольца, работающие в наиболее
тяжелых условиях (высокие давления и температуры, плохая смаз-
ка). Вторые и третьи компрессионные кольца, а также масло-
съемные кольца изнашиваются меньше.
В поршнях наиболее изнашиваемым элементом является ка-
навка под верхним компрессионным кольцом, остальные элемен-
ты поршня, в том числе юбка, изнашиваются незначительно. Из-
нашивание канавки поршня и кольца носит преимущественно
абразивный характер, однако действие окислительной среды отра-
ботавших газов и высокой температуры существенно повышает
интенсивность изнашивания. Особенно высока интенсивность аб-
разивного изнашивания канавки поршня и кольца при высокой за-
пыленности окружающего воздуха и неудовлетворительной очист-
ке его перед поступлением в цилиндр. В результате износа комп-
рессионных колец и канавок поршня уменьшается компрессия и
увеличивается прорыв газов из цилиндра в картер, что резко
ухудшает работу двигателя.
Износ поршневого пальца, отверстий в верхней головке шату-
на и в бобышке поршня в современных двигателях относительно
невелик, и долговечность этих сопряжений обычно не лимитирует
срок службы цилиндропоршневой группы.
Износ деталей кривошипно-шатунного механизма двигателей
Подшипники скольжения коленчатого вала работают в услови-
ях гидродинамической смазки. Однако при холодных пусках дви-
гателя из-за недостаточной смазки возникает режим граничной
смазки и даже сухого трения, что ведет >к интенсивному изнаши-
ванию. Кроме того, в подшипниках коленчатого вала из-за нали-
чия в масле абразивных частиц происходит абразивное изнаши-
вание.
У двигателей с рядным расположением цилиндров коренные
шейки обычно изнашиваются меньше (на 25—50%), чем шатун-
ные, у V-образных двигателей коренные шейки изнашиваются
больше, чем шатунные (в 1,5—2,0 раза).
У всех двигателей в шатунных подшипниках верхние вклады-
ши изнашиваются больше нижних, а в коренных подшипниках
наоборот.
По окружности шейки коленчатого вала и вкладыши изнаши-
170
ваются неравномерно, обычно максимальный износ шатунных ше-
ек и вкладышей наблюдается со стороны, обращенной к оси ко-
ленчатого вала, а коренных шеек и вкладышей — со стороны
противовесов.
Неравномерность износа подшипников скольжения кривошип-
но-шатунного механизма снижает их долговечность и может явить-
ся фактором, лимитирующим долговечность всего двигателя.
Износ деталей газораспределительного механизма двигателей
В газораспределительном механизме изнашиваются следую-
щие сопряжения: кулачок — толкатель, клапан — седло, стержень
клапана — направляющая втулка, шейка распределительного ва-
ла— подшипник. Наибольший износ имеют первые две пары.
Пара кулачок — толкатель характеризуется высокими удельны-
ми давлениями и относительно высокими скоростями скольжения.
Изнашивание этого сопряжения носит преимущественно усталост-
ный характер, однако может происходить и задир поверхностей,,
а также абразивное изнашивание частицами, поступающими с
маслом. На износ пары кулачок — толкатель очень сильно влияет
сорт и качество масла, а также надежность системы смазки.
Износ пары клапан — седло определяется высокими температу-
рами, высокими давлениями и ударным характером приложения
нагрузки. Обычно на изношенных поверхностях этого сопряжения
наблюдается усталостное выкрашивание и прогорание клапана.
Износ прецизионных деталей топливной аппаратуры дизелей
Прецизионные детали (плунжер и втулка, игла и корпус рас-
пылителя, нагнетательный клапан и седло) являются наиболее из-
нашиваемыми и наименее долговечными деталями топливной ап-
паратуры автотракторных дизелей.
Основной вид изнашивания плунжерной пары — абразивное.
Сопутствующими видами изнашивания являются схватывание и
задир поверхностей трения, гидроабразивное и кавитационное из-
нашивание. Абразивное изнашивание деталей плунжерной пары
вызывается твердыми посторонними частицами, содержащимися в
топливе. При этом, как правило, износ плунжера (подвижная де-
таль сопряжения) существенно больше износа втулки (неподвиж-
ная деталь), что объясняется вышеизложенными теоретическими
соображениями о механизме абразивного изнашивания (см. 4.2).
Нагнетательный клапан изнашивается по запорному конусу,
разгрузочному пояску и направляющему хвостовику, седло кла-
пана — по отверстию. Для этой пары основным видом изнашива-
ния является абразивное.
Аналогичный характер изнашивания имеют игла и корпус рас-
171
пылителя, причем у этой пары абразивное изнашивание в отдель-
ных случаях сопровождается схватыванием поверхностей.
В результате износа прецизионных деталей топливной аппа-
ратуры увеличиваются зазоры, изменяются параметры топливопо-
дачи, которые в свою очередь влияют на снижение характеристик
работы всего дизельного двигателя.
Износ деталей трансмиссии дорожных машин
В трансмиссии срок службы обычно лимитируется наиболее
изнашиваемыми деталями коробки передач, бортового балансира
и заднего моста — шестернями, валами и муфтами. Из всех ука-
занных деталей наибольший износ имеют зубчатые колеса.
Поверхности зубьев зубчатых колес работают в условиях тре-
ния качения с проскальзыванием, причем существенную роль в
процессе изнашивания зубьев играют минеральные абразивные
частицы, проникающие практически во все узлы трансмиссии до-
рожных машин. Попадание абразивных частиц на поверхность
трения зубьев в конечном итоге является наиболее решающим
фактором, который определяет характер изнашивания зубьев. В
подавляющем большинстве случаев ведущий вид изнашивания
зубьев шестерен трансмиссии — абразивное, сопутствующими ви-
дами являются усталостное изнашивание и в отдельных случаях —
схватывание.
Валы, муфты и другие детали трансмиссии работают преиму-
щественно при наличии в сопряжениях свободных абразивных
частиц, и ведущим видом изнашивания этих деталей является
абразивное. От износа деталей трансмиссии во многих случаях
зависит долговечность дорожных машин.
Износ деталей ходовой части дорожных машин
Ходовая часть дорожных машин работает в наиболее тяжелых
условиях — при больших нагрузках, высокой запыленности ок-
ружающего воздуха, высокой загрязненности и часто при плохой
смазке. Поэтому ведущим видом изнашивания ходовой части этих
машин является, как правило, абразивное изнашивание.
Укажем наиболее изнашивающиеся детали ходовой части до-
рожных машин. Для гусеничных машин — это опорные катки,
поддерживающие ролики, ведущие и ведомые звездочки, звенья
гусеницы, уплотнительные кольца торцевых уплотнений, подшип-
ники качения и скольжения, шейки осей и валов; для колесных
машин — трущиеся сопряжения осей, подшипники качения, про-
тектор пневматических шин.
172
Износ деталей гидравлической системы
Надежность и долговечность гидросистемы во многом опреде-
ляет надежность и производительность гидрофицнрованных до-
рожных машин. Детали гидросистемы работают в условиях высо-
ких давлений (до 10—11 МПа и выше) и температур (темпера-
тура рабочей жидкости может достигать 80—100°С). Рабочая
жидкость гидросистемы загрязняется внешними абразивными час-
тицами, продуктами износа деталей и окисления рабочей жид-
кости.
Ведущим видом изнашивания большинства деталей гидросис-
темы дорожных машин является абразивное, в качестве сопутст-
вующих видов встречаются гидроабразивное и кавитационное.
В гидравлических насосах наиболее изнашивающиеся детали —
ведущая и ведомая шестерни (по зубьям и цапфам), втулки
(по внутреннему диаметру и торцевой поверхности), корпусы на-
сосов (по поверхности колодцев со стороны всасывания).
В тидрораопределителях изнашиваются золотники и отверстия '
под золотники, а также детали перепускного клапана (клапан,
гнездо, направляющие).
В гидроцилиндрах наиболее изнашивающимися являются внут-
ренние поверхности цилиндров.
Износ рабочих органов дорожных машин
Рабочие органы землеройных и других дорожных машин под-
вергаются интенсивному изнашиванию. Механизм изнашивания
рабочих органов соответствует механизму изнашивания о закреп-
ленный абразив (ковши экскаваторов) или в абразивной массе
(ковши экскаваторов и канавокопателей, отвалы бульдозеров, ра-
бочие органы автогрейдеров, скреперов и т. д.).
8.3.3. Способы обеспечения износостойкости в условиях
эксплуатации
Износостойкость, заложенная в узлах и деталях машины на
стадии ее проектирования и изготовления, должна обеспечивать-
ся и в период эксплуатации (рис. 8.12).
Кривая износа большинства сопряженных подвижных деталей
в период эксплуатации имеет три участка (рис. 8.13), соответст-
вующих периодам работы детали. Начальный криволинейный
участок 1 характеризует процесс приработки нового сопряжения;
близкий к прямолинейному участок II, наибольший по протяжен-
ности, соответствует промежутку времени нормальной работы
сопряжения; криволинейный участок III соответствует промежут-
ку времени разрушения сопряжения вследствие износа его сверх
допустимого предела.
173
Рис. 8. 12. Схема снижения износа в условиях эксплуатации.
Рис. 8 13. Типовая
кривая износа
деталей.
Наиболее интенсивное изнашивание происходит в период при-
работки. Это связано с тем, что в процессе механической обработ-
ки (при изготовлении деталей) невозможно получить поверхности
трения, полностью подготовленные к восприятию эксплуатацион-
ных нагрузок. На поверхностях трения после обработки имеется
значительная волнистость, а шероховатость этих поверхностей,
174
как правило, отличается от оптимальной. Кроме того, поверхнос-
ти трения могут иметь погрешности формы, а сопряжения — по-
грешности, возникшие в процессе их сборки. Площадь фактичес-
кого контакта новых деталей небольшая, что ведет к значитель-
ному тепловыделению в зоне трения, которое, в свою очередь,
может вызвать перегрев и заклинивание сопряжения.
Поэтому важнейшей задачей в первый период эксплуатации
является правильное проведение и соблюдение режимов прира-
ботки машин, которые обеспечивают минимальный износ сопря-
жений .во время приработки.
Приработка состоит из двух этапов:
а) микрогеометрическая приработка, во время которой проис-
ходит процесс выравнивания (оптимизации) шероховатостей и
упрочнение поверхности;
б) макрогеометрическая приработка (исправление волнистости
и нарушений геометрической формы поверхностей).
При микрогеометрической приработке шероховатость, остав-
шаяся после механической обработки, изменяется и разрушает-
ся, микрогеометрия поверхностей улучшается, становится опти-
мальной и в последующем (при стабильных режимах трения) не
меняется. Для лучшей микрогеометрической приработки жела-
тельно, чтобы после механической обработки шероховатость по-
верхностей деталей была близка к оптимальной. В этом случае
процесс приработки будет менее продолжительным, а износ.при
приработке — минимальным. Если шероховатость поверхностей
перед приработкой слишком велика, то при приработке возника-
ют большие удельные давления в точках фактического контакта и
возможно появление задиров и преждевременный износ сопряже-
ний. С другой стороны, слишком малая шероховатость связана с
затратой излишней трудоемкости в процессе механической обра-
ботки.
Во время микрогеометрической приработки происходит также
упрочнение поверхностного слоя металла в результате образова-
ния мелкозернистой микроструктуры.
В процессе макрогеометрической приработки происходит ис-
правление волнистости и геометрии сопряженных поверхностей, а
также выравнивание и перераспределение внутренних остаточных
напряжений, возникших в деталях при механической обработке.
Макрогеометрическая приработка обычно занимает более дли-
тельный период времени, чем микрогеометрическая.
Очень важен для скорости и качества приработки деталей
правильный выбор масел. При обкатке обычно применяют масла
малой вязкости, что способствует усиленному удалению продуктов
износа и абразивных частиц с поверхностей трения. В масла вво-
дятся специальные присадки, ускоряющие период приработки,
175
повышающие прочность масляной пленки, понижающие вязкость,
температуру застывания масел, улучшающие их подвижность при
низких температурах, противодействующие окислению масел.
В период нормальной работы сопряжений в ходе эксплуата-
ции по мере увеличения износа деталей зазоры в подвижных сСг^
пряжениях увеличиваются, вызывая дополнительные динамиче-
ские нагрузки и ухудшение условий смазки трущихся поверхнос-
тей. По достижении некоторой величины износа динамические
нагрузки резко возрастают и наступает период, который характери-
зуется увеличением износа, приводящего к недопустимым зазорам
в сопряжениях, резким ухудшением условий смазки, увеличением
тепловыделения, появлением заеданий, вследствие чего сопряже-
ние становится неработоспособным.
Во избежание интенсивного нарастания износов и возможно-
го появления отказов в процессе эксплуатации выполняется комп-
лекс профилактических мероприятий, направленных на преду-
преждение сверхнормативного износа деталей и сопряжений путем
своевременного проведения регулировочных работ, смазки сопря-
жений, выявления и устранения возникающих дефектов. К таким
мероприятиям относятся ежесменные, периодические и сезонные
технические обслуживания. Технические обслуживания в сочета-
нии с текущим и капитальным ремонтом образуют систему пла-
ново-предупредительного ремонта (систему ППР) машин в про-
цессе эксплуатации. Своевременное проведение ППР является
важным фактором повышения износостойкости и срока службы
машин.
Существенное влияние на износостойкость и долговечность
деталей машин, особенно в условиях жаркого климата и высокой
запыленности, оказывает правильный выбор сорта смазочного
материала и обеспечение необходимого режима смазки, качество
очистки масел и топлива от абразивных частиц. Прежде всего
необходимо предусматривать меры, устраняющие попадание аб-
разивных частиц в топливосмазочные материалы во время их
хранения, транспортировки и заливки в баки; необходимо каж-
дую машину снабдить эффектными устройствами очистки масла
и топлива. Так, при работе дизельного двигателя с использова-
нием фильтра тонкой очистки износ деталей цилиндро-поршневой
группы уменьшается на 40%. После установки на гидравлическом
экскаваторе центробежного очистителя рабочей жидкости гидро-
привода срок службы деталей гидросистемы увеличился почти в
2 раза,
В процессе эксплуатации машин, особенно в условиях жарко-
го климата, необходимо строго соблюдать сроки смены масла,
промывать картеры и емкости агрегатов перед заправкой, следить
за правильной работой систем очистки масел и топлива, обеспе-
176
чить регулярный уход за ними. При работе в условиях высокой?
запыленности необходимо сокращать сроки проведения очеред-
ных технических обслуживаний, иногда весьма значительно. Так,
при запыленности воздуха до 1 г/м3 приходится проводить техни-
ческое обслуживание не реже одного раз,а в месяц, а при запы-
ленности до 3 г/м3 — не реже одного (а иногда и двух) раз в
смену. При эксплуатации трактора Т-4А в условиях жаркого кли-
мата и высокой запыленности уже через 60—80 моточасов рабо-
ты тонкость отсева топливного фильтра ухудшается, доходя до-
5 мкм, и фильтрующие элементы перестают удовлетворять предъ-
являемым к ним требованиям. Поэтому приходится фильтры гру-
бой и тонкой очистки топлива в этих условиях промывать через-
60—70 моточасов вместо 240 моточасов, указанных в инструкции
по эксплуатации этого трактора в средней полосе нашей страны.
А срок службы фильтрующих элементов в условиях жаркого кли-
мата и высокой запыленности не более 350—400 моточасов вмес-
то 1400 моточасов, предусмотренных инструкцией.
Важную роль в повышении износостойкости узлов трения при
наличии абразивных частиц может сыграть добавление в смазоч-
ные масла присадок. Так, при наличии в трансмиссионном масле-
3,5% бензойного альдегида интенсивность абразивного изнашива-
ния деталей снижается на 15—18%, при наличии 5% ортооксихи-
нолина— на 33—35%, а при наличии 2% роданида меди — на
40—45% по сравнению с маслом без присадок.
Таким образом, рассмотренные примеры показывают, что в
процессе эксплуатации можно не только предотвратить сверхнор-
мативные износы, но и значительно повысить сроки службы как.’
отдельных деталей, так и машин в целом.
ГЛАВА 9
ОСНОВЫЕ НАПРАВЛЕНИЯ РАЗВИТИЯ ТРИБОНИКИ
За последние десятилетия наука о трении и изнашивании по-
лучила большое развитие. В трибонике произошли серьезные ка-
чественные изменения, которые превратили ее в действенную ин-
женерную науку.
Важным этапом в развитии трибоники явилось принятие по-
становления ГКНТ Совета Министров СССР от 15 июля 1982 г.
«Повышение качества, машин за счет увеличения их износостой-
кости и КПД вследствие снижения потерь на трение». В нем основ-
ное внимание уделяется развитию фундаментальных и приклад-
ных исследований в области трибоники, которые непосредственно
связаны с научно-техническим прогрессом в народном хозяйстве.
Учитывая высокие темпы научно-технического прогресса, необхо-
12—796
177
димо оперативно внедрять в народное хозяйство все ценное и
прогрессивное, что накоплено трибоникой.
Действенность всякой науки в большей мере определяется ее
потенциальными возможностями для обеспечения дальнейшего
поступательного движения, направленного на решение задач бу-
дущего.
В настоящее время определены наиболее перспективные на-
правления в трибонике и пути их развития. В области геометрии
и механики фрикционного взаимодействия ведутся работы по ре-
шению нового класса контактных задач теории упругости, учиты-
вающих износ трущихся поверхностей. В дальнейшем важен учет
влияния вибрации, скорости скольжения, времени неподвижного
контакта. Существенно рассмотрение контактных задач для неод-
нородных твердых тел, здесь перспективны работы, учитывающие
реологические свойства контакта. Дальнейшее развитие должны
получить исследования трения при ударе, оценка влияния различ-
ных видов изнашивания при их совместном действии.
В области физики и физико-химии контактного взаимодейст-
вия задача заключается в том, чтобы научиться управлять изме-
нениями свойств поверхностного слоя фрикционного контакта в
целях получения положительного градиента сдвигового сопротив-
ления. Для этого необходимо развивать физико-химические ас-
пекты контактного взаимодействия, применять соответствующие
смазочные материалы, изменяющие структуру поверхности твер-
дого тела, создавать условия для безызносного трения (эффект
избирательного переноса). Важной проблемой является разработ-
ка кинетической теории формирования защитного слоя на по-
верхности трения. Большое внимание следует уделять созданию
новых смазочных материалов, разработке специальных присадок
к маслам. Работы в этой области должны дать хороший практи-
ческий результат.
Получат развитие исследования абразивного изнашивания,
представляющие наибольший интерес для условий высокой запы-
.ленности, взаимодействия абразивных частиц с поверхностями
трения в условиях нестационарного режима и разрушения абра-
зивных частиц, влияния смазочных материалов на процесс абра-
зивного изнашивания, абразивного изнашивания при выбрапии и
ударе. Будут проводиться работы по созданию новых металлоке-
рамических, металлических и полимерных антифрикционных мате-
риалов, по повышению антифрикционных свойств существующих
материалов. Важным является создание самосмазывающихся ма-
териалов, материалов, способных выдерживать большие нагрузки
в температуры. Представляют интерес работы по созданию новых
и стандартизации существующих методов оценки фрикционных
характеристик, методов и приборов для оценки трения и износа.
178
До сйх пор существует серьезный разрыв между результатами
лабораторных испытаний и поведением материалов .в процессе
эксплуатации. Разрабатывается теория лабораторных испытаний,
создаются новые методы оценки фрикционных свойств пар трения
в условиях контактного взаимодействия. В этой области особен-
но эффективным оказывается разработка и применение методов
подобия и теории моделирования.
И, наконец, самой важной задачей продолжает оставаться
внедрение достижений трибоники в инженерную практику. Здесь
поистине неисчерпаемые возможности, ибо применение в народ-
ном хозяйстве разработанных предложений все еще часто затяги-
вается. Причина этого состоит в том, что эффективность научных
исследований в области трибоники еще недостаточно высока, что
объясняется, в первую очередь, разобщенностью действий отдель-
ных научных подразделений, отсутствием комплексного подхода
к проблеме, дублированием исследований. Все еще недостаточно
налажена информация о важнейших достижениях трибоники.
В нашей стране имеются огромные возможности для планиро-
вания и координации научных исследований по трибонике, внед-
рения ее достижений в народное хозяйство.
ЛИТЕРАТУРА
Айнбиндер G. Б. О площади контакта между трущимися телами.
Изв. АН СССР. ОТН, Механика и машиностроение, 1962, № 6, с. 172—174.
Бартенев Г. М., Лаврентьев В. В. Трение и износ полимеров. М..
Химия, 1972, 240 с.
Белый В. А., Свирнденок А. И., Петроковец М. И., С а в к и н В. Г.
Треиие полимеров. М., Наука, 1972, 204 с.
Билик Ш. М. Пары трения металл — пластмасса в машинах и механиз-
мах. М., Машиностроение, 1965.
Буше Н. А. Подшипниковые сплавы для подвижного состава. М., Тран-
спорт, 1967, 223 с.
• Виноградов В. Н., Сорокин Г. М., Шрейбер Г. К. Ударно-аб-
разивный износ буровых долот. М., Недра, 1975, 167 с.
Гаркунов Д. Н., Поляков А. А. Повышение износостойкости деталей
конструкций самолетов. М., Машиностроение, 1975, 200 с.
Г о л е г о В. М. Схватывание в машинах и методы его устранения. Киев,
Техника, 1965, 231 с.
Григорьев М. А., Пономарев Н. Н. Износ и долговечность автомо-
бильных двигателей. М., Машиностроение, 1976, 248 с.
Демкин Н. Ю. Контактирование шероховатых поверхностей. М„ Наука,
1970, 227 с.
Деригин Б. В. Что такое треиие? М., Изд-во АН СССР, 1963, 232 с.
Дроздов Ю. Н. К расчету зубчатых передач из износ,—Машиноведение,
1969, № 2, с. 84—88.
Дьяченко П. Е. Влияние шероховатости на износ. — В кн.: Качество
поверхностей деталей машин. Л., Машгиз, 1949, 132 с.
Зайцев А. К. Основы учения о трении, износе и смазке машин. М. —
Л., Машгиз, 1947, 256 с.
Икрамов У., Махкамов К. X. Расчет и прогнозирование абразивного
износа. Ташкент, Фан, 1982, 147 с.
Ишлинский А. Ю. О проскальзывании в области контакта при трении
качения. Изв. АН СССР. ОТН, 1965, № 6, с. 3—15.
Кащеев В. Н. Абразивное разрушение твердых тел. М., Наука, 1970,
248 с.
Костецкий Б. И. Трение, смазка и износ в машинах. Киев, Техника,
1970, 396 с.
Крагельский И. В. Трение и износ. М., Машиностроение, 1968, 480 с.
Крагельский И. В., Добычии М. Н., Камбалов В. С. Основы
расчетов на трение и износ. М., Машиностроение, 1977, 526 с. с илл.
Крылов А. А., X а й м з о н М. Е. Долговечность узлов трения самоле-
тов. М., Транспорт, 1976, 183 с.
Лоренц В. Ф. Износ деталей сельскохозяйственных машин. М.,
Машгиз, 55 с.
Любарский И. М. Повышение износостойкости тяжелонагруженных
шестерен. М., Машиностроение, 1965, 132 с.
Матвиевский Р. М., Буяновский И. А., Лазовский О. Н. Ис-
следование температурных пределов защитных свойств смазочных слоев при
трении.— В кн.: Износостойкость. М„ Наука, 1975, с. 51—75.
180
Йи х и н Н. М. Внешнее трение твердых тел. М., Наука, 1977, 221 с.
ншин И. А. Долговечность двигателей. Л., Машиностроение, 1976,
288 с.
Мошков А. Д. Пористые антифрикционные материалы. М., Машино-
строение, 1968, 208 с.
Машины для испытания материалов на трение и износ. Обзор. ЦНИИТЭИ
Приборостроения, М., 1974, 56 с.
Пинегин С. В. Трение качения в машинах и приборах. М., Машино-
строение, 1976, 264 с.
Про ни ков А. С. Надежность мащин. .М., Машиностроение, 1978, 592 с.
С ИЛЛ.
Ребиндер П. А. Значение физико-химических процессов при механиче-
ском разрушении и обработке твердых тел в технике. — Вестиик АН СССР,
вып. 1, 1940, № 9, с. 5—28.
Рыжов Э. В. Технологическое управление геометрическими параметрами
контактирующих поверхностей. — В кн.: Расчетные методы оценки трения и
износа. Брянск. Приокское книжное издательство, 1975, с. 98—138.
С е м е н ов А. П. Трение и контактное взаимодействие при высоких темпе-
ратурах. — В кн.: Износостойкость. М., Наука, 1975, с. 31—51.
СилинА. А. Трение и его роль в развитии техники. М., Наука, 1976, 175 с.
Сорокин Г. М. Влияние механических характеристик стали на ее абра-
зивную износостойкость.— Вестник машиностроения, 1975, № 5, с. 35—38.
Тененбаум М. М. Износостойкость конструкционных материалов и де- '
талей машин при абразивном изнашивании. М., Машиностроение, 1966, 321 с.
Тененбаум М. М. Сопротивление абразивному изнашиванию. М., Ма-
шиностроение, 1976, 271 с. ’
Трение, изнашивание н смазка. Справочник,/Под ред. И. В. Крагельского и
.В. А. Алисина, т. 1, 2. М., Машиностроение, 1978.
X р у щ о в М. М., Бабичев М. А. Абразивное изнашивание. М., Наука,
1970, 252 с.
Чичинадзе А. В. Расчет н исследование внешнего треиия при торможе-
нии. М., Наука, 1967, 232 с.
Ямпольский Г. Я., Крагельский И. В. Исследование абразивного
износа элементов пар трения качения. М., Наука, 1973, 64 с.
ОГЛАВЛЕНИЕ
Введение ...................................................... 3
Глава 1. Основные понятия о треняи и изнашивании .... 6
Глава 2. Внешнее трение и изнашивание шероховатых поверхностей 9
2.1. Контакт твердых тел...................................
2.2. Коэффициенты внешнего трения..........................
2.3. Факторы, влияющие на коэффициент внешнего трения .
2.4. Методика вычисления коэффициента трения ....
2.5. Изнашивание шероховатых поверхностей при трении .
2.6. Факторы, влияющие на интенсивность изнашивания .
2.7. Температура при трении................................
2.8. Трение качения........................................
Глава 3. Трение и смазка.......................................'
3.1. Виды смазки...........................................
В.2. Механизм смазочного действия прн гидродинамической смазке
3.3. Механизм смазочного действия при граничной смазке .
3.4. Присадки к смазочным материалам.......................
3.5. Жидкие смазочные материалы .......
3.6. Пластичные (консистентные) смазочные материалы . >
3.7. Твердые смазочные материалы...........................
3.8. Самосмазывающнеся материалы.............................
3.9. Температурная стойкость граничных смазочных слоев .
Глава 4. Абразивное изнашивание ................................
4.1. Виды абразивного изнашивания.............................
4.2. Механизм изнашивания исходно свободными абразивными час-
тицами .......................................................
Глава 5. Материалы трущихся деталей.............................
5.1. Металлы в узлах трения (стали и чугуны) ....
5.2. Антифрикционные материалы ............................
5.3. Методика подбора материалов пар трения ....
5.4. Пример подбора материалов пар трения ....
5.5. Фрикционные материалы ................................
Глава 6. Трение и изнашивание в специфических условиях
6.1. Трение и изнашивание при высоких скоростях скольжения
6.2. Трение и изнашивание в агрессивных средах
6.3. Трение в вакууме .....................................
6.4. Трение и изнашивание в условиях низких температур
6.5. Фреттинг-коррозия ....................................
6.6. Влияние колебаний на трение и изнашивание
6.7. Избирательный перенос при тренни......................
6.8. Водородный износ .....................................
9
15
17
20
22
30
32
36
40
40
41
42
44
45
48
51
52
54
56
56
60
73
73
79
91
93
98
106
106
108
124
126
129
182
Глава 7. Методика исследования процессов трения и изнашивания
и оборудование ................................................ 131
7.1. Методы измерения износа.................................. 131
7.2. Методы измерения параметров шероховатости . . . 134
7.3. Методы исследования поверхностей трения . . . • 13<:
7.4. Машины для испытания материалов на трение и износ . 137
Глава 8. Методы повышения износостойкости деталей машин . . 147
8.1. Конструктивные способы обеспечения износостойкости деталей
машин .........................................................147
8.2. Технологические методы повышения износостойкости . . 157
8.3. Предотвращение сверхнормативных наносов в условиях эк '•
плуатации ....................................................1(И>
Глава 9. Основные направления развития трибоники . . . • 177
Литература ............................................ 1Й0
УТКУР ИКРАМОВ,'
МИХАИЛ АЛЕКСАНДРОВИЧ ЛЕВИТИН
ОСНОВЫ ТРИБОНИКИ
Учебное пособие для студентов
высших технических
учебных заведений
Ташкент „Уципгу вчлг 1984
Редактор Н. Г. Плотникова
Худож. редактор В. П. Слабунов
Техн, редактор Т. Г. Золотилова
Корректор Л. Талибджанова
ИБ № 2885
Сдано в набор 11. 12. 1983. Подписано в печать 20. 07. 1984.
Р-14555.4 Формат 60 x 841/ie- Бумага тип. № 2. Кегль 10 б/шп.
«Литературная» гари. Печать высокая. Усл. п.л. 10, 69. Усл.
кр.-отт. 10,69. Изд. л. 10,91. Тираж 3000. Зак. № 796. Цена 70 к.
Издательство «У'китуачи*. Ташкент, ул. Навои, 30. Договор
-6-276-82.
Типография № 1 ТППО «Матбуот» Государственного коми-
тета УзССР по делам издательств, полиграфии и книжной
торговли, Ташкент, ул. Хамзы, 21.