Файл: Износа и смазки.pdf

128 1. Сочетать твердый материал с мягким, имеющим температуру рекристаллизации ниже средней температуры поверхности трения при работе. При таком сочетании металлы хорошо противостоят за- еданию и характеризуются высокой надежностью. Хорошие резуль- таты дают пары хром-резина при смазывании минеральным маслом и водой и хром-бронза при использовании пластичных смазочных ма- териалов.
2. Сочетать твердый металл с твердым (сочетание пар из азоти- рованной, хромированной и закаленной стали). Такие пары трения обладают высокой износостойкостью вследствие малого взаимного внедрения их поверхностей. Нанесение приработочных покрытий по- вышает надежность пар в наиболее опасный период работы – во вре- мя приработки. Применение этих пар ограничивается скоростями скольжения. Высокая точность изготовления и сборки, значительная жесткость конструкции, тщательная приработка, улучшение условий смазывания значительно расширяют область применения пар трения из твердых материалов.
3. Избегать сочетаний мягкого материала с мягким (медный сплав по алюминиевому сплаву), а также пар из одноименных мате- риалов (незакаленная сталь по незакаленной стали, алюминиевый сплав по алюминиевому, хром по хрому, никель по никелю, пласт- масса по пластмассе). Исключение составляют пары из политетраф- торэтилена и полиэтилена. Подобные пары имеют низкую износо- стойкость и ненадежны в работе. При незначительных перегрузках в парах образуются очаги схватывания, и происходит глубинное выры- вание материалов с взаимным их налипанием на поверхности трения.
4. Применять в труднодоступных для смазывания конструкциях пористые, порошковые материалы и антифрикционные сплавы.
5. Применять в качестве фрикционных и антифрикционных ма- териалов пластические пластмассы. В ряде случаев они повышают надежность и срок службы узла трения, снижают массу конструкции и расход дефицитных цветных металлов, уменьшают вибрации и улучшают акустические свойства машин.
6. Стремиться путем выбора материалов пары трения, смазоч- ных материалов и присадок к ним создавать при работе пары условия реализации режима избирательного переноса.
7. Учитывать возможность при эксплуатации наводороживания поверхностей трения и надежность работы узла трения.

129 8. Стальные детали узлов трения при окончательной доводке их поверхности подвергать финишной антифрикционной безабразивной обработке (ФАБО).
6.5. Методика подбора материалов пар трения
Триботехника к настоящему времени накопила большой опыт, позволяющий сформулировать общие принципы и методику подбора материалов для пар трения. На рисунке 6.1 представлен алгоритм вы- бора материала для трущихся деталей.
Рассмотрим подробнее отдельные этапы этой методики.
Анализ условий эксплуатации. На этом этапе необходимо про- вести анализ условий нагружения, геометрии узла трения, эксплуата- ционных требований, а также экономических и технологических тре- бований.
При анализе условий нагружения и характеристики окружающей среды определяют: нагрузки и места их приложения; частоты вращения
(скорости скольжения); режим нагружения (статический, динамический и т.д.); ускорения; атмосферные условия (влажность и т.д.); температу- ру; вид рабочей среды и ее концентрация; электрические воздействия; возможность попадания инородных частиц (абразив и т.д.).
Предварительный выбор материалов. Вначале выбирают груп- пу материалов (черные металлы, баббиты, бронзы, полимеры и т.д.), наиболее подходящую для изготовления деталей узла трения. Затем с учетом справочных данных производят предварительный отбор мате- риала для каждой из деталей узла трения.
Расчетно-конструктивная оценка работоспособности узла
трения. Прежде всего, определяют оптимальные габариты узла тре- ния и его конструкцию. Важным элементом геометрического расчета является установление зазоров в сопряжениях. Следует помнить, что повышенные требования к точности связаны с опасностью заклини- вания при нагреве. Далее определяют нагрузочную способность дета- ли (рассчитывают на прочность и деформацию), а затем оценивают фрикционные характеристики сопряжения (рассчитывают коэффици- енты трения, определяют тепловую напряженность). И в последнюю очередь производят проверку узла трения на долговечность (рассчи- тывают интенсивность изнашивания). По результатам расчетов ве- дется конструктивная корректировка и доработка узла трения.
Окончательный выбор материала. Отобранные в результате предварительных оценок и расчетов материалы деталей пары трения

130 необходимо экспериментально исследовать. Вначале проводят лабора- торную оценку материалов на образцах, основывающуюся на приме- нении по возможности стандартизированных методик и оборудования, выборе схем взаимодействия образцов и режимов трения, близких к эксплуатационным. Следующий этап – испытание натурных образцов в условиях, наиболее близко имитирующих эксплуатационные. На ос- новании испытаний натурных образцов решается вопрос о проведении опытно-промышленной проверки. Опытно-промышленная проверка служит основным критерием окончательного выбора материала для деталей узла трения.
НАЧАЛО
Анализ условий эксплуатации
Разработка технического задания
Техническое задание
Предварительный выбор материала
Окончательный выбор материала
Лабораторные испытания
Натурные испытания
Опытно- промышленные проверки
КОНЕЦ
Расчетно- конструктивная оценка работоспособности узла трения
1. Условия нагружения и характеристика окружающей среды
2. Геометрические и конструктивные требования
3. Эксплуатационные требования, особые требования к материалам
4. Экономические и технологические требования
1. Выбор конструкции, оценка размеров трущихся деталей
2. Оценка напряженно-деформированного состояния. определение предельных нагрузок
3. Оценка фрикционных свойств и характеристик тепловой напряженности
4. Оценка долговечности (расчет на износ)
Рис. 6.1. Алгоритм выбора материалов пары трения

131

132
7. ПОВЫШЕНИЕ ИЗНОСОСТОЙКОСТИ ДЕТАЛЕЙ
7.1. Конструкторские способы повышения износостойкости
Конструкторские способы повышения долговечности и надеж- ности трущихся деталей достаточно разнообразны и решаются на стадии проектирования узлов трения.
На рисунке 7.1 приведены основные конструкторские способы улучшения условий трения.
- снижение контактной нагруженности;
- устранение возможности схватывания поверхностей;
- замена сухого трения граничным;
- замена граничного трения режимом гидродинамической смазки;
- замена трения скольжения трением качения;
- улучшение температурного режима трения;
- защита узлов трения от абразивных частиц;
- защита узлов трения от химического воздействия окружающей среды ;
- выбор и обоснование оптимальных конструктивных параметров;
- установление предельных износов;
- подбор износостойких материалов и методов упрочнения;
- обоснование требований к физико-механическим свойствам;
- исключение неравномерности изнашивания;
- предотвращение концентрации износа на отдельных участках;
- предотвращение преждевременного изнашивания одной из деталей;
- создание геометрических форм деталей обеспечивающих равномерность нагружения ;
- создание условий для выравнивания скоростей изнашивания при приработке;
- ручная компенсация;
- самокомпенсация;
- автоматическая компенсация;
- создание дополнительных рабочих поверхностей ;
- создание возможности обработки деталей под ремонтный узел;
Применение триботехнических расчетов при трении
Улучшение условий нагружения
Обеспечение равностойкости изнашивающихся деталей
Оптимизация формы деталей
Компенсация износа деталей
Резервирование износотойкости
Рис. 7.1. Конструкторские способы улучшения условий трения

133
Основными задачами при конструировании узла трения являются:
- оценка и выбор схем узла трения машины с позиции влияния ее на износостойкость и надежность конструкции;
- выбор материалов пары трения;
- назначение размеров и формы деталей;
- обеспечение нормальной работы узла трения в заданном режи- ме и защита от перегрузок;
- обеспечение эксплуатации с минимальными затратами;
- защита узла трения от загрязнений.
7.1.1. Оценка и выбор схемы узла трения
Для пары, образованной поверхностями трения, имеющими раз- ные твердость и размеры, можно выделить два условия:
H
1
> H
2
и S
1
< S
2
,
(7.1)
H
1
< H
2
и S
1
> S
2
.
(7.2)
где H
1
, H
2
– твердости поверхностей трения;
S
1
, S
2
– площади поверхностей, мм
2
Пару с расположением материалов, удовлетворяющим условию
(7.1), называют прямой парой трения, а удовлетворяющим условию
(7.2) – обратной. В случае прямой пары трения по большей поверхно- сти скользит более твердое тело, а в случае обратной пары – более мягкое. Примерами прямой пары является скольжение закаленного суппорта по чугунной термически необработанной станине и сколь- жение хромированного поршневого кольца по поверхности цилиндра из перлитного чугуна. Обратной парой будет хромированное рабочее зеркало цилиндра и чугунное кольцо.
Чтобы определить, какая пара трения (прямая или обратная) предпочтительнее для данной конструкции, следует установить тре- бования к паре в отношении надежности ее работы, износостойкости, экономичности и условий эксплуатации.
Недостаточная надежность пары трения в связи с неподходящим подбором материалов может выразиться в схватывании и заедании.
Опыт эксплуатации машин, стендовые испытания трущихся деталей и лабораторные исследования показывают, что обратные пары трения более стойки к заеданию, а при наличии заедания имеют меньшие по- вреждения поверхностей.

134
Различие в работе прямых и обратных пар трения состоит в сле- дующем. В прямой паре при перегрузке пластическая деформация ее элемента с меньшей твердостью препятствует нормальной работе па- ры, в результате чего возрастают силы трения, увеличивается повре- ждение поверхности, пара быстро выходит из строя. В обратной паре при перегрузке пластическая деформация образца с меньшей твердо- стью не препятствует работе пары.
На долговечность и надежность работы узлов трения благопри- ятное влияние оказывают жесткость, податливость и специальная конфигурация деталей. Увеличение жесткости конструкции способ- ствует повышению износостойкости. Чем равномернее распределена нагрузка по длине зуба зубчатых передач, тем выше их нагрузочная способность. Неточность изготовления и сборки деталей передачи, изгиб и кручение валов в процессе работы способствуют неравно- мерному распределению нагрузки. Поэтому увеличение жесткости валов, опор и корпусов является благоприятным фактором в повыше- нии работоспособности изделий.
7.1.2. Замена внешнего трения внутренним трением
упругого элемента
Кинематические пары с жесткими звеньями для относительно небольших линейных, угловых или совместных перемещений в ряде случаев могут быть заменены неподвижными соединениями с про- межуточным элементом высокой упругости, что имеет ряд преиму- ществ. Взаимное смещение звеньев в процессе их работы достигается за счет деформации специальной эластичной детали; при этом внеш- нее трение скольжения или качения заменяется внутренним трением упругого элемента из резины. Это соединение выполняется в виде ре- зинометаллического шарнира.
По способу изготовления различают шарниры, вулканизованные в сборе, закатанные и сборные. Закатанные шарниры встречаются только в виде резинометаллических.
Резинометаллические шарниры нашли применение в узлах под- вески автомобилей и тракторов, в мягких карданах, в гусеницах тяга- чей, сочленениях вагонных и локомотивных рам с их поворотными тележками и т.п.
По сравнению с обычными шарнирами резинометаллические имеют следующие преимущества: отсутствует изнашивание от внеш-

135 него трения; отсутствие смазочного материала и уплотняющих уст- ройств; упрощается обслуживание; уменьшается масса; амортизация ударов; гашение вибраций и демпфирование крутильных колебаний.
Отсутствие смазочного материала в шарнирах имеет особое зна- чение для машин пищевой и текстильной промышленности.
7.1.3. Замена трения скольжения трением качения
Замена трения скольжения трением качения способствует по- вышению долговечности деталей, надежности их работы и эконо- мичности машин.
Для узлов, работающих в условиях трения качения, характерны следующие преимущества.
1. Малые потери на трение и более высокий КПД. Низкий коэф- фициент трения. Коэффициент трения качения сравнительно мало изменяется в большом диапазоне нагрузок и окружных скоростей.
2. Возможность экономичного использования цветных металлов
(медь, олово и т.д.), что способствует снижению стоимости узла.
3. Небольшой расход смазочных материалов.
4. Отсутствие необходимости в принудительном охлаждении.
5. Высокая степень стандартизации, упрощающая конструиро- вание и монтаж узлов.
6. Возможность восприятия осевых нагрузок.
7.1.4. Выбор зазоров в сопряжениях
При работе трущиеся детали нагреваются, претерпевают тепло- вые деформации, что приводит к изменению формы и величины зазо- ров и натягов в сопряжениях.
Учет температурных деформаций при конструировании деталей узлов трения и компоновке машины сводится к правильному назначе- нию зазоров в сопряжении и разработке мер для возможно меньшего искажения конфигурации поверхностей трения в рабочем состоянии.
Независимо от того, работает подшипник в режиме полусухого или жидкостного трения, между валом и вкладышем подшипника должен быть предусмотрен зазор для образования масляной пленки.
Величины этих зазоров принимаются по ГОСТу для подвижных по- садок 6-го и 7-го квалитетов точности. Минимальные диаметральные зазоры зависят от диаметра цапфы.

136
7.1.5. Защита рабочих поверхностей от загрязнений
Многие машины и механизмы работают в запыленной или за- грязненной среде, что приводит к попаданию в узлы трения абразив- ных частиц. Поэтому обеспечение хорошей защиты поверхностей трения от загрязнений является важным средством обеспечения дол- говечности и работоспособности деталей и узлов трения.
Способы защиты поверхностей трения от загрязнений опреде- ляются назначением механизма или машины, конструкцией узла, ус- ловиями эксплуатации, требованиями к кинематической точности и другими факторами. Защиту от загрязнений можно подразделить на группы: защита открытых узлов трения; герметизация закрытых корпусов в местах выхода валов или других подвижных деталей; очи- стка смазочного материала; удаление загрязнений из топлива, возду- ха, а также газов и жидкостей, поступающих во внутренние полости машины.
Защита от загрязнений осуществляется с помощью различных систем масляных и воздушных фильтров, которые обеспечивают очи- стку масла и воздуха, поступающих к поверхностям трения. Также используют различные уплотнительные устройства – совокупность деталей, образующих конструкцию, предназначенную для герметиза- ции узла трения, с целью предотвращения утечки смазочного мате- риала и защиты от проникновения извне абразивных частиц.
Защита шарнирных соединений осуществляется с помощью раз- личных кожухов и чехлов из водонепроницаемых материалов.
Уплотнительные устройства делятся на две большие группы: подвижные и неподвижные (рис. 7.2).
На работоспособность любого уплотнительного устройства ока- зывают влияние многочисленные и разнообразные по своей природе факторы, которые часто взаимосвязаны между собой.
Так, на работоспособность уплотнительных устройств оказыва- ют влияние:
- режим работы (ресурс, температура, нагрузка, скорость сколь- жения, условия хранения и транспортировки, наличие вибраций кон- струкции, пульсаций рабочих параметров и др.);
- свойства герметизируемой среды (температуры замерзания и кипения, теплофизические свойства, химическая активность, вязкость и зависимость ее от температуры и давления, особенности поведения в узких зазорах и т.д.);