ТРЕНИЕ В МАШИНАХ, ТРЕНИЕ И ИЗНОС В МАШИНОСТРОЕНИИ

№58-1,

Технические науки

В статье рассмотрены общие вопросы трения и изнашивания машин и механизмов, и необходимость изучения процессов трения.

Похожие материалы

Основная работа всех машин и механизмов, заключается в относительном перемещении сопряженных поверхностей, которые сопровождаются трением и износом, из-за происходит выход из строя узлов и механизмов. Проблема износа и трения является одной из наиболее общих и важных, определяющих, в значительной мере, развитие и прогресс в области машиностроения и эксплуатации техники.

Трение является важнейшим видом вредного сопротивления; в то же время на действие сил трения основан ряд важнейших технологических процессов и работы механизмов: процессы прокатки, дробления, торможения автомобиля, сцепления шины с дорогой, трение в механизме сцепления, работа фрикционов, ременные передачи и т.д. Являясь неизбежным спутником всякого движения, а следовательно и работы машины, трение иногда достигает весьма большой величины; например, при прокатке около 50% все энергии двигателя затрачивается на преодоление трения.

Износ деталей оказывает решающее влияние на долговечность и эксплуатационную надежность узлов трения. Увеличение зазора в сопряжениях вследствие износа часто сопровождается снижением коэффициента полезного действия, возникновением ударных нагрузок, увеличением потерь на трение и интенсивности износа сопряженных деталей [1].

Работа, развиваемая силами трения, отчасти превращается в теплоту, отчасти затрачивается на истирание твердых трущихся поверхностей; при этом появляются колебания, звук (скрип тормозов, свист шин при резком торможении и т.д.).

Повышение температуры частей машины всегда нежелательно и даже опасно, так как перегрев может привести к самовозгоранию смазки, заеданию и поломкам частей машины: с повышением температуры металлы теряют в большей или меньшей степени свою прочность.

Больший интерес представляет новая энергетическая теория А.Д. Дубина; он отмечает, что нельзя правильно оценить и раскрыть природу трения и износа на основе одних только общих законов классической механики и считает, что трение есть процесс возбуждения атомов и атомной решетки поверхностного слоя в результате передачи энергии от одного тела к другому.

Трение и износ - весьма сложное явление физического, механического и химического характера, в настоящее время еще не достаточно изучено.

В машинах следует различать два основных вида трения скольжения: трение сухое и трение жидкостное; промежуточные виды трения скольжения: полусухое, являющееся разновидностью первого, и полужидкостное - разновидностью второго.

При сухом трении неизбежно нагревание трущихся тел и их изнашивание, состоящее отчасти в срыве бугорков, отчасти в деформациях и других более сложных явлениях молекулярного характера; повышение температуры при трении может довести вкладыши коленчатого вала из твердого состояния в расплавленное.

Жидкостное трение имеет совсем другой характер: при нем твердые трущиеся поверхности тел полностью отделены одна от другой сплошным слоем смазки (жидкости или газа) такой толщины, что даже самые высокие бугорки этих поверхностей не соприкасаются или почти не соприкасаются. Поэтому силами трения в этом случае являются главным образом силы сопротивления сдвига внутри самой жидкости, обладающей определенной вязкостью, а износ твердых поверхностей теоретически полностью исключен, таким образом, назначение смазки состоит в разъединении твердых трущихся поверхностей, в устранении непосредственного контакта между ними, неизбежно ведущего при относительном движении их к изнашиванию. [2].

Полусухое трение получается при наличии тонкого смазочного слоя, когда значительная часть бугорков твердых трущихся поверхностей еще соприкасаются, деформируются и срезается; поэтому для этого трения можно считать достаточно правильными законы Кулона.

Полужидкостное трение получается при недостаточной толщине слоя смазки, когда соприкасаются лишь немногие, наиболее выступающие бугорки твердых поверхностей; в этом случае можно пользоваться с достаточным приближением законами жидкостного трения. Однако провести резкую границу между полусухим и полужидкостным трением нельзя, так как оба происходят при неполной смазке: в первом случае - при преобладании контакта твердых поверхностей, во втором - при преобладании слоя смазки, прерываемого лишь в отдельных точках особенно выступающих бугорками. Обычно полусухое трение получается при малых скоростях, в особенности при пуске машины в начале ее движения, а полужидкостное - при неправильной или недостаточной смазке, в качающихся цапфах, а также при неправильной эксплуатации, например при перегрузке цапфы, и т.д. В технике оба основных вида трения (сухое и жидкостное) встречаются весьма часто; сухое трение - в фрикционных и ременных передачах, в тормозах, при прокатке и дроблении, при движении шины по дороге и т.д.; жидкостное трение - в хорошо смазываемых цапфах, пятах, ползунах и т.д.

В большинстве современных машин имеет место трение полужидкостное или полусухое, поэтому ближайшей задачей является переход на жидкостное трение, без износа трущихся поверхностей.

Износ частей машин - явление чрезвычайно вредное. Износ можно определить как нежелательный результат процесса изнашивания пи наличии трения. В основном износ заключается в поверхностном разрушении трущихся твердых тел под влиянием касательных сил трения, что сопровождается перенапряжением поверхностных слоев трущихся тел выше предела текучести или предела прочности, скалывание мельчайших частиц, пластическими деформациями и другими явлениями физического и химического характера

Величина износа характеризуется толщиной стертого слоя металла.

Различают следующие виды естественного износа:

  1. Коррозионный (под коррозией понимается физико-химический процесс разрушения металла под воздействием окружающей среды);
  2. осповидный (выкрашивание), преимущественно при качении;
  3. окислительный;
  4. тепловой;
  5. абразивный.

Работа любой машины неизбежно сопровождается трением при относительном движении ее частей, поэтому полностью устранить износ невозможно; величина же износа при непосредственном контакте поверхностей прямо пропорциональна работе сил трения. Абразивный износ частично вызывается действием пыли и грязи, поэтому очень важно содержать машину в чистоте, особенно ее трущиеся части, важно также, что бы работа машины была спокойной (безударной).

Таким образом, под изнашиванием следует понимать неизбежный и вредный процесс изменения формы и размеров частей машин и сооружений по действием главным образом сил трения и других тесно связанных с ним факторов. [3].

Огромное большинство деталей машин выходят из строя именно в следствии износа. Поэтому уменьшение трения и износа даже на 5-10% даст огромную экономию, что имеет исключительное значение.

Для борьбы с износом и трением заменяют одни металлы другими, применяют термическую и химическую обработку трущихся поверхностей, точную механическую обработку, а также заменяют металлы различными заменителями (пластмассами, древесиной специальной обработки и т.п.), изменяют конструкцию, улучшают смазку и вводят новые виды ее и т.д.

В машинах стремятся не допускать непосредственного трения скольжения твердых поверхностей, для чего или разделяют их слоем смазки (жидкостное трение), или же вводят между ними добавочные элементы качения (шариковые и роликовые подшипники), к перемещению грузов на катках и колесах и т.п.

Основное правило конструирования трущихся деталей машин состоит в том, что более дорогой и трудно заменяемый элемент трущейся пары (вал) изготовляют из более твердого и более износоустойчивого материала, обычно из твердой стали. А более простые, дешевые и легко сменяемый части (вкладыши подшипника) изготовляют из сравнительно мягкого материала с небольшим коэффициентом трения, обычно из бронзы, бабита, специальных сортов чугуна и т.п.

Кроме физического износа, машина подвержена также старению; при этом стареет ее конструкция и машина становится невыгодной технически и экономически по сравнению с новыми, более совершенными по конструкции и работе.

Список литературы

  1. Гаркунов, Д.Н. Триботехника. Износ и безызносность / Д.Н. Гаркунов. – М.: МСХА, 2001. – 616 с.
  2. Венцель, С.В. Смазка и долговечность двигателей внутреннего сгорания / С.В. Венцель. – Киев: Техника, 1977. – 207 с.
  3. Виноградов, В.Н. Абразивное изнашивание / В.Н. Виноградов, Г. М. Сорокин, М. Г. Колокольников. – М.: Машиностроение, 1990. – 221 с