Файл: Износа и смазки.pdf

3
Министерство сельского хозяйства Российской Федерации
ФГБОУ ВПО «Красноярский государственный аграрный университет»
Н.Г. Полюшкин
ОСНОВЫ ТЕОРИИ ТРЕНИЯ,
ИЗНОСА И СМАЗКИ
Рекомендовано Сибирским региональным учебно-методическим
центром высшего профессионального образования для межвузовского
использования в качестве учебного пособия для студентов, обучающихся
по направлению подготовки бакалавров 110800.62 «Агроинженерия»
Красноярск 2013

4
ББК 40.72-082я73
П 53
Рецензенты:
А.Г. Ермолович, д-р техн. наук, проф., зав. каф. теоретической
механики СибГТУ
А.Е. Митяев, канд. техн. наук, доц., зав. каф. прикладной
механики Политехнического института СФУ
Полюшкин, Н.Г. Основы теории трения, износа и смазки: учеб. пособие / Н.Г. Полюшкин; Краснояр. гос. аграр. ун-т. – Красно- ярск, 2013. – 192 с.
В учебном пособии приведены сведения по теоретическим основам трения, изнашивания и смазки, триботехническим материалам (конструкци- онным и смазочным). Рассмотрены основные виды изнашивания узлов тре- ния, а также методы определения износа. Представлены различные способы повышения износостойкости трибосопряжений (конструктивные, техноло- гические).
Предназначено для студентов, обучающихся по направлению подго- товки бакалавров 110800.62 «Агроинженерия».
ББК 40.72-082я73
© Полюшкин Н.Г., 2013
© ФГБОУ ВПО «Красноярский государственный аграрный университет», 2013
П 53

5
ОГЛАВЛЕНИЕ
ВВЕДЕНИЕ……………………………………………………
7
1. ВВЕДЕНИЕ В ТРИБОТЕХНИКУ………………………….
8 1.1. Общие сведения………………………………………….
8 1.2. Основные термины и определения…………………….. 10 1.3. Проблемы, связанные с триботехникой……………….. 14 1.4. Понятия о надежности машины………………………... 15 1.5. Сроки службы трущихся деталей машин……………… 18 1.6. Убытки от трения и износа в машинах………………… 19 1.7. Основные задачи триботехники и перспективы развития………………………………………………….. 20
Контрольные вопросы к разделу 1 …………………………... 23
2. ПОВЕРХНОСТНЫЙ СЛОЙ И ЕГО СВОЙСТВА……….24 2.1. Общие сведение о контакте соприкасающихся поверхностей…………………………………………….. 24 2.2. Параметры шероховатости……………………………... 25 2.3. Контакт поверхностей тел………………………………. 27 2.4. Остаточные напряжения………………………………... 29 2.5. Структурные и фазовые превращения…………………. 33 2.6. Строение поверхностного слоя………………………… 33 2.7. Физико-химические свойства поверхностного слоя….
36 2.7.1. Поверхностный слой и силы, действующие в его элементах ……………………………………………... 36 2.7.2. Адгезия………………………………………………… 38 2.7.3. Поверхностная энергия……………………………….. 39 2.7.4. Адсорбция и хемосорбция……………………………. 40 2.7.5. Адсорбционный эффект понижения прочности……. 43 2.7.6. Пленки на металлических поверхностях……………. 46
Контрольные вопросы к разделу 2 …………………………... 47
3. ТРЕНИЕ………………………………………………………..48 3.1. Общие сведения о трении………………………………. 48 3.2. Виды трения……………………………………………... 49 3.2.1. Трение скольжения…………………………………… 50 3.2.2. Трение качения………………………………………... 53 3.2.3. Сухое трение…………………………………………... 55 3.2.4. Граничное трение……………………………………... 57

6 3.2.5. Жидкостное трение…………………………………… 58 3.2.6. Смешанное трение……………………………………. 61 3.2.7. Диаграмма Герси-Штрибека…………………………. 62
Контрольные вопросы к разделу 3 …………………………... 64
4. ИЗНАШИВАНИЕ ПАР ТРЕНИЯ…………………………..65 4.1. Основные характеристики изнашивания………………. 65 4.2. Предельный и допустимый износ……………………… 66 4.3. Механизм изнашивания………………………………… 68 4.4. Стадии изнашивания пар трения……………………….. 69 4.5. Разрушение поверхностей трения……………………… 71 4.6. Виды изнашивания. Классификация видов изнашивания……………………………………………... 72 4.6.1. Абразивное изнашивание…………………………….. 73 4.6.2. Усталостное изнашивание……………………………. 78 4.6.3. Изнашивание вследствие пластической деформации……………………………………………. 82 4.6.4. Кавитационное изнашивание………………………… 84 4.6.5. Молекулярно-механическое изнашивание………….. 86 4.6.6. Коррозионно-механическое изнашивание…………... 92 4.6.7. Изнашивание при фреттинг-коррозии………………. 95 4.6.8. Окислительное изнашивание………………………… 97 4.6.9. Водородное изнашивание…………………………….. 98 4.6.10. Изнашивание при избирательном переносе..……….. 102 4.6.11. Эрозионное изнашивание…………………………….. 105
Контрольные вопросы к разделу 4 …………………………... 107
5. МЕТОДЫ ИЗМЕРЕНИЯ ИЗНОСА…………………….....108 5.1. Классификация методов измерения износа…………… 108 5.2. Метод микрометрических измерений………………….. 109 5.3. Определение износа по потере веса……………………. 110 5.4. Метод профилографирования…………………………... 111 5.5. Метод искусственных баз………………………………. 113 5.6. Определение износа по содержанию продуктов износа в масле……………………………………………
116 5.7. Метод поверхностной активации………………………. 117 5.8. Индуктивные датчики…………………………………... 117 5.9. Метод тензометрирования……………………………… 118
Контрольные вопросы к разделу 5 …………………………... 120

7
6. МАТЕРИАЛЫ УЗЛОВ ТРЕНИЯ…………………………..121 6.1. Общие сведения о материалах………………………….. 121 6.2. Требования, предъявляемые к материалам пар трения…………………………………………………….. 122 6.3. Выбор материалов пары трения………………………... 123 6.4. Правила сочетания материалов………………………… 124 6.5. Методика подбора материалов пар трения……………. 127
Контрольные вопросы к разделу 6 …………………………... 129
7. ПОВЫШЕНИЕ ИЗНОСОСТОЙКОСТИ ДЕТАЛЕЙ........130 7.1. Конструкторские способы повышения износостойкости…………………………………………. 130 7.1.1. Оценка и выбор схемы узла трения………………….. 131 7.1.2. Замена внешнего трения внутренним трением упругого элемента…………………………………......
132 7.1.3. Замена трения скольжения трением качения……….. 133 7.1.4. Выбор зазоров в сопряжениях……………………….. 133 7.1.5. Защита рабочих поверхностей от загрязнений……… 134 7.2.
Технологические методы обеспечения износостойкости узлов трения………………………..
135 7.2.1. Обработка резанием…………………………………... 137 7.2.2. Обработка поверхности пластическим деформированием …………………………………….. 138 7.2.3. Термическая обработка……………………………….. 139 7.2.4. Термомеханическая обработка стали………………... 142 7.2.5. Химико-термическая обработка……………………... 143 7.2.6. Диффузионная металлизация………………………… 146 7.2.7. Напыление поверхностей…………………………….. 148 7.2.8. Наплавка поверхностей………………………………. 149 7.2.9. Финишная антифрикционная безабразивная обработка поверхностей………………………………
150
Контрольные вопросы к разделу 7 …………………………... 152
8. СМАЗЫВАНИЕ ДЕТАЛЕЙ МАШИН…………………….154 8.1. Роль смазочных материалов…………………………… 154 8.2. Виды смазки и смазочных материалов………………… 154 8.3. Физико-химические характеристики смазочных материалов………………………………………………..
156 8.4. Присадки к смазочным материалам……………………. 159

8 8.5. Жидкие смазочные материалы…………………………. 163 8.5.1. Моторные масла………………………………………. 164 8.5.2. Трансмиссионные масла……………………………… 167 8.5.3. Индустриальные масла……………………………….. 169 8.5.4. Масла специального назначения…………………….. 172 8.6. Пластичные смазочные материалы…………………….. 173 8.6.1. Мыльные пластичные смазочные материалы………. 175 8.6.2. Углеводородные пластичные смазочные материалы……………………………………………... 177 8.6.3. Органические пластичные смазочные материалы….. 178 8.6.4. Неорганические пластичные смазочные материалы.. 179 8.7. Металлоплакирующие смазочные материалы………… 179 8.8. Твердые смазочные материалы………………………… 182 8.8.1. Композиционные смазочные материалы……………. 186 8.9. Самосмазывающиеся материалы………………………. 188
Контрольные вопросы к разделу 8 …………………………... 190
ЗАКЛЮЧЕНИЕ ……………………………………………...191
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК…………………….. 192

9
ВВЕДЕНИЕ
Надежность и долговечность автомобильного, сельскохозяйст- венного и других видов транспорта во многом обусловлены явления- ми трения и изнашивания, происходящими в узлах машин.
Изнашивание приводит к нарушению герметичности узлов, по- тери точности взаимного расположения деталей и перемещений. Воз- никают заклинивания, удары, вибрации, приводящие к поломкам.
Трение приводит к потерям энергии, перегреву механизмов, сниже- нию передаваемых усилий, повышенному расходу горючего и других материалов. Кроме того, трение также оказывает положительное влияние – работа механизмов торможения, сцепления, движения ко- лес. Явления трения и изнашивания взаимно обусловлены: трение приводит к изнашиванию, а изнашивание поверхностей деталей в хо- де работы приводит к изменению трения.
Проблемы трения, износа и смазки в машинах изучает наука трибология. Современная наука трибология изучает трение, износ, смазку в процессе взаимодействия контактирующих поверхностей при их взаимном перемещении. Кроме того, трибология охватывает теоретические и экспериментальные исследования физических, хи- мических, биологических и других явлений, связанных с трением.
Прикладными задачами по повышению износостойкости и управле- нию трением за счет применения новых конструкций узлов, материа- лов и эксплуатационных приемов занимается триботехника.
К настоящему времени трибология окончательно сформирова- лась как самостоятельная отрасль знаний. На сегодняшний день во многих развитых странах имеются научные трибологические центры, ведется подготовка инженеров-трибологов. Решение проблем трения, изнашивания и смазки позволяет добиться высокого экономического эффекта: снижение потребления энергии, затрат на смазочный мате- риал и техническое обслуживание.
Знание основ триботехники является важным аспектом при под- готовке специалистов по инженерным специальностям. Полученные знания позволяют правильно рассчитать и применить конструкцию трибосопряжения; подобрать соответствующие материалы пар тре- ния; назначить оптимальные режимы работы узла трения; выбрать наиболее эффективные технологические методы изготовления, обра- ботки и упрочнения трибологических материалов; обеспечить надле- жащие режимы эксплуатации, ремонта и обслуживания машин.

10
1. ВВЕДЕНИЕ В ТРИБОТЕХНИКУ
1.1. Общие сведения
Курс триботехники дает представление о природе и закономер- ностях внешнего трения и изнашивания шероховатых поверхностей; современных теориях трения; методах определения коэффициентов трения; расчете и прогнозировании интенсивности изнашивания; ви- дах, природе и механизме абразивного изнашивания; значении сма- зок и присадок при трении и изнашивании, методике подбора мате- риалов для трущихся деталей; методах повышения износостойкости, трении и изнашивании в особых условиях (в агрессивных средах, ва- кууме, при низких и высоких температурах); методах и оборудо- вании, применяемых для исследований трения и изнашивания.
Большой вклад в развитие триботехники внесли ученые
С.Б. Айнбиндер, В.А. Белый, Ф.П. Боуден, Д.Н. Браун, Д.Н. Гарку- нов; Б.В. Дерягин, Ю.Н. Дроздов, Ю.А. Евдокимов, А.Ю. Ишлин- ский, И.В. Крагельский, Н.М. Михин, М.А. Левитин, К. Ипрамов,
А.С. Проников, П.А. Ребиндер, Д. Тейбор, М.Н. Хрущов, А.В. Чичи- надзе и многие другие.
Ценный вклад в изучение трения в XV в. внес Леонардо да
Винчи. Среди бесчисленных научных достижений и первая форму- лировка законов трения (1519 г.). Леонардо да Винчи установил, что сила трения зависит от материала и не зависит от площади соприка- сающихся поверхностей, она прямо пропорциональна нагрузке, при- жимающей одно трущееся тело к другому и может быть уменьшена путем введения промежуточных тел качения (шариков или роликов) или смазочных материалов между трущимся поверхностями. Леонар- до обосновывает невозможность создания вечного двигателя, одной из причин считает трение. Впервые ввел понятие коэффициента тре- ния, показал, что сила трения зависит от материала трущихся по- верхностей, качества их обработки, изобрел роликовый и шариковый подшипники.
Модель Леонардо да Винчи была переоткрыта через 180 лет французом Г. Амонтоном (1663–1705 гг.). В 1699 г. Амонтон впервые сформулировал закон зависимости трения от величины нагрузки, нормальной к поверхности трения (рис. 1.1).
Амонтон-трение – это подъем одного тела по поверхности другого.

11
F
тр
F
n
Рис. 1.1. Схема трения
F
тр
= F
n
· f,
(1.1) где F
n
– нормальная нагрузка, Н;
f – коэффициент трения.
До сих пор именно эта формула является основополагающей.
Создателем науки о трении считается Шарль Кулон (1781 г.).
В труде «Теория простых машин» он охватил основные аспекты тре- ния: сопротивление скольжению, качению, стягиванию, обобщил за- кон Амонтона и показал, что часто трение слабо зависит от нагрузки
(или не зависит), т.е.
F
тр
= F
n
·f +А,
(1.2) где А – часть трения, зависящая от сцепляемости поверхностей.
Кулон показал, что трение зависит от многих факторов (нагруз- ка, скорость, материалы, шероховатость, смазка, температура). Ис- следуя трение качения, Кулон вывел формулу сопротивления перека- тыванию F
к
:
F
k
=X·F
n
/r,
(1.3) где Χ – коэффициент трения качения, имеет размерность длины;
r – радиус перекатывания тела, м.
Эта формула используется и сейчас, хотя ее многократно пыта- лись опровергнуть.
Б. Томпсон (1798 г.) показал, что механическая энергия при тре- нии не исчезает, а превращается в тепло.
Закон Кулона лег в основу современных теорий трения, разра- ботанных Ф. Боуденом, Д. Тейбором и И.В. Крагельским. Обе теории базируются на представлении о двойственной природе трения. Пред- полагается, что трение имеет две составляющие: механическую (де-

12 формационную) и молекулярную (адгезионную), и они просто сум- мируются.
f =F
тр
/F
n
= (F
м
+F
д
)/F
n
= f
м
+f
д
,
(1.4) где F
м и F
д
– соответственно молекулярная (адгезионная) и механи- ческая (деформационная) составляющие силы трения, Н;
f
м
и f
д
– соответственно молекулярная (адгезионная) и механиче- ская (деформационная) составляющие коэффициента трения.
Представители английской школы (Боуден Ф.П. и др.) считают главным в трении адгезионное взаимодействие двух тел, образование мостиков сварки. Разрушение этих мостиков обуславливает силу тре- ния и износ. Они считают, что объемное деформирование поверхно- стных слоев играет незначительную роль, для металлов оно всегда пластическое, при этом коэффициент трения является величиной по- стоянной, его значение определяется отношением сопротивления на срез к твердости менее прочной составляющей пары трения.
Многие другие (в т.ч. отечественные) ученые природу трения объясняют несколько иначе: в нормальных условиях трения образо- вание мостиков сварки между двумя телами может быть устранено смазкой, пленками окислов. Первенствующую роль играет объемное деформирование микронеровностей, непрерывно образующихся под нагрузкой. Износ наступает в результате их усталостного разруше- ния из-за многократной их деформации. Неровности деформируются как упруго, так и пластически. В этих условиях коэффициент трения для данной пары варьируется (меняется) в зависимости от давления, размера поверхности, температуры, таким образом, f – комплексная характеристика, зависит от свойств тел, геометрических очертаний микронеровностей и так далее. Обе точки зрения существуют в ре- альных процессах.
Создание общей теории трения, в которой деформационная и молекулярная составляющие окажутся не постулатами, а приближен- ными результатами, актуальная проблема современной трибологии.
1.2. Основные термины и определения
Трибология занимает достаточно специфичное место в пробле- мах машиноведения, поэтому ниже приведены основные требования и понятия, относящиеся к данной области знаний. Они представлены