Файл: Износа и смазки.pdf

21 установленные на мощных автосамосвалах, требуют капитального ремонта после 1500…2000 ч работы, т.е. через 6…8 месяцев. Борто- вые шестерни тракторов работают до замены не более 2000…2500 ч, срок службы транспортных трансмиссий до ремонта составляет
2500…3500 ч.
За сезон работы тракторов на песчаных почвах приходится за- менять два-три комплекта гусениц, что в среднем обходится в 50 % стоимости нового трактора. Лемех тракторного плуга в среднем об- рабатывает до полного износа всего 15…20 га почвы, это вынуждает ежегодно изготовлять для сельского хозяйства свыше 20 млн леме- хов, не говоря уже о том, что на тяжелых почвах режущая кромка ле- меха требует ремонта через 4…6 га работы плуга. Годовая потреб- ность в запасных звеньях приводных цепей сельскохозяйственных машин составляет около 100 млн штук.
Для двигателей автомобилей, тракторов и комбайнов следует отметить, что за весь срок службы их ремонтируют до 5 раз. Ресурс двигателя после ремонта по сравнению с ресурсов нового двигателя составляет 40…50 %.
1.6. Убытки от трения и износа в машинах
Большинство машин (85…90 %) выходит из строя по причине износа деталей. Затраты на ремонт и техническое обслуживание ма- шины в несколько раз превышают ее стоимость:
- для автомобилей в 6 раз;
- для самолетов до 5 раз;
- для станков до 8 раз.
На ремонт тракторов задействовано в 4 раза больше производст- венных мощностей, чем на их изготовление. Легковой автомобиль, имеющий массу 1000 кг, становится непригодным для ремонта, если потеря его массы от износа составит 1 кг. Проанализировано и под- считано, что для списания трактора Т-130 на запасные части для ре- монта и технического обслуживания нужно израсходовать столько же металла, сколько он сам весит – 12·10 3
кг.
Причинами малого ресурса двигателей после ремонта являются:
- низкое качество обработки поверхностей деталей; станки ре- монтных предприятий не обеспечивают той точности обработки, ко- торую имеют детали, изготовленные на заводах серийной продукции;

22
- отсутствие средств надежной промывки деталей перед сбор- кой, запыленность абразивной пылью сборочных цехов, в целом – не- высокая культура производства;
- плохая приработка деталей после ремонта, отсутствие совре- менных испытательных стендов, приборов, контролирующих процесс приработки, загрязненность абразивами смазочных и гидравлических систем;
- недостаточная специализация производства на ремонтных предприятиях по сравнению с ее уровнем на заводах серийной про- дукции, что не позволяет разрабатывать и реализовывать наиболее рациональные технологические процессы; результатом этого является в первую очередь малый срок службы деталей.
Велики потери в результате снижения мощности двигателей от износа деталей. По данным С.А. Серова, суммарная мощность двига- телей внутреннего сгорания, установленных только на автомобилях, тракторах и различных самоходных установках, достигает в нашей стране 0,5 млрд кВт.
Изношенные двигатели внутреннего сгорания при работе значи- тельно загрязняют атмосферу отработавшими газами по сравнению с новыми двигателями.
Большие материальные потери народное хозяйство терпит от повышенного трения в узлах машин. Известно, что более половины топлива, потребляемого автомобилями, тепловозами и другими ви- дами транспорта, расходуется на преодоление сопротивления, созда- ваемого трением в подвижных сочленениях. В текстильном произ- водстве на преодоление сопротивления трению затрагивается около
80 % потребляемой энергии. Низкий КПД многих машин обусловлен главным образом большими потерями на трение. Так, КПД глобоид- ного редуктора, устанавливаемого в лифтах, металлорежущем обору- довании, шахтных подъемниках и др., в приработанном состоянии составляет только 0,65…0,70, а в такой распространенной паре, как винт-гайка, всего лишь 0,25.
1.7. Основные задачи триботехники
и перспективы развития
Интенсивное развитие машиностроения непрерывно стимулиру- ет деятельность специалистов в области триботехники, ставя перед ними новые задачи. Развитие космических исследований, атомной

23 энергетики требует обеспечения работоспособности трущихся со- пряжений в широком диапазоне температур (от криогенных до
1500 °С), в вакууме, агрессивных средах, жидкостях, не обладающих смазочным действием, в том числе жидких металлах, в условиях ин- тенсивной радиации. Необходима разработка материалов для работы подшипников в биологически активных средах.
Общей проблемой для ряда отраслей промышленности: автомо- бильной, тракторной, судостроительной и др. – является повышение надежности, долговечности и коэффициента полезного действия поршневых двигателей внутреннего сгорания. Новые задачи возник- ли в связи с созданием более экономичных и экологически чистых двигателей, работающих на водородном топливе, адиабатических и автомобильных газотурбинных двигателей.
Триботехника, как и другие науки, непрерывно развивается.
Этапы ее развития связаны с созданием корабельной техники, метал- лообрабатывающей промышленности, железнодорожного транспор- та, автомобильной промышленности, авиации и космонавтики.
Из анализа опубликованных трудов конференций, семинаров и др. можно подразделить вопросы развития триботехники на следую- щие части, которые содержат самостоятельные этапы:
- учение о трении и изнашивании деталей машин;
- конструктивные решения вопросов трения и изнашивания;
- технологические методы повышения износостойкости деталей;
- эксплуатационные мероприятия по повышению долговечности машин.
Триботехнике как науке приходится решать различные задачи, из них можно выделит наиболее фундаментальные:
- исследование механизмов трения и изнашивания трибосопря- жений и моделирование процессов, протекающих в области контакт- ного взаимодействия при трении;
- разработка методов управления этими процессами с целью по- вышения долговечности и надежности трибосопряжений;
- разработка расчетных методов оценки контактной жесткости, сил трения и долговечности трибосопряжений при заданных эксплуа- тационных условиях.
Основные прикладные задачи триботехники это:
- обеспечение требуемых значений контактной жесткости, изно- состойкости, долговечности трибосопряжений при заданных услови- ях эксплуатации;

24
- снижение энергетических потерь на трение (опоры), обеспече- ние высокой энергоемкости (тормоза, фрикционные передачи);
- экономия материалов за счет снижения их износа;
- решение экологических проблем.
В настоящее время в развитии триботехники появились новые перспективные направления развития, такие как:
- развитие теория трения и изнашивания на микро- и наномас- штабных уровнях;
- разработка присадок к маслам с использованием нанотехнологий;
- компьютерное моделирование сложных трибосистем;
- создание новых смазочных материалов и покрытий, использо- вание эффекта «суперсмазки»;
- развитие методов расчета на долговечность трибосопряжений с многослойными нанопокрытиями с учетом параметров поверхност- ного рельефа;
- построение моделей механики фрикционного взаимодействия с учетом изменения свойств поверхностных слоев в процессе трения и изнашивания, в том числе с учетом протекающих в зоне контактного взаимодействия химических реакций, влияющих на свойства поверх- ностных слоев и скорость их деформирования;
- построение моделей контактного взаимодействия с учетом мас- сопереноса вещества с одной поверхности пары трения на другую;
- объединение подходов трибохимии и трибомеханики (учет влияния напряженного состояния в контакте на протекание химиче- ских реакций);
- разработка методов управления физическими, механическими и химическими процессами на поверхностях трения;
- изучение роли геометрии поверхности (параметров ее шерохо- ватости и субшероховатости) в протекании процессов фрикционного взаимодействия, особенно для наноструктурированных материалов;
- развитие многомасштабного моделирования процессов фрик- ционного взаимодействия;
- развитие ионно-плазменных технологий;
- разработка присадок к маслам с использованием нанотехнологий;
- развитие средств трибодиагностики и трибомониторинга, вклю- чая встроенные и портативные системы;
- изучение трения и износа в суставах живых существ, а также износа зубов.

25
Важным фактором в развитии трибологии является разработка и использование нового оборудования для проведения микро- и нано- исследований, испытательных машин для исследования триботехни- ческих свойств материалов, оборудования и приборов для изучения тонких поверхностных слоев (и самих поверхностей), высокоэффек- тивных присадок к смазочным маслам.
Борьба с трением и износом машин требует комплексных иссле- дований теоретических основ трения, износа и смазки, совершенство- вания инженерных методов расчета узлов трения при проектировании машин, создания новых материалов, а также новых принципов конст- руирования и новых технологий изготовления узлов трения и мате- риалов для них, подготовка высококвалифицированных специалистов в области трения.

26
2. ПОВЕРХНОСТНЫЙ СЛОЙ И ЕГО СВОЙСТВА
2.1. Общие сведение о контакте соприкасающихся
поверхностей
Первичной проблемой при изучении трения является контакти- рование соприкасающихся поверхностей. В понятие «контактирова- ние» входит взаимодействие поверхностей, принадлежащих твердым телам, под действием относительного смещения и сжимающих сил с учетом их отклонения от идеальной формы и влияния среды (газы и смазочные материалы), присутствующей в зоне контакта.
В процессе формообразования деталей на их поверхности появ- ляется шероховатость – ряд чередующихся выступов и впадин срав- нительно малых размеров.
Шероховатость может быть следом от резца или другого режу- щего инструмента, копией неровностей форм или штампов, может появляться вследствие вибраций, возникающих при резании, а также в результате других факторов.
Влияние шероховатости на работу деталей машин многообраз- но. Она оказывает существенное влияние на эксплуатационные свой- ства поверхностного слоя, следовательно, детали в целом.
К показателям, характеризующим эксплуатационные свойства поверхностного слоя, относятся: контактная жесткость; прочность детали; характер процесса трения между сопрягаемыми поверхностя- ми в паре трения; изменение посадки; антикоррозионная стойкость поверхности; плотность и герметичность соединения; адгезионная способность к гальваническим и лакокрасочным покрытиям; удобст- во содержания поверхностей в чистоте и т.п.
Для оценки шероховатости используются оптические, щуповые, электронно-микроскопические и другие методы. Промышленное применение приобрел щуповой метод. Суть его заключается в том, что по поверхности скользит игла с радиусом закругления 2…10 мкм, значительно меньшим, чем радиус закругления вершин микронеров- ностей. Колебания иглы в вертикальном направлении преобразуются в электрические сигналы, поступающие в микропроцессор, который выдает в цифровом виде основные характеристики профиля. В Рос- сии профилографы серийно выпускает завод «Калибр», а за рубежом наиболее распространены приборы фирмы «Хьюлет-Паккард».

27
В последние годы разработаны методы получения профило- грамм на растровом, электронном и сканирующем (туннельном) мик- роскопах. Разрешение в этом случае достигает нанометров. Удается регистрировать шероховатость молекулярных размеров (субмикро- шероховатость), а также микродефекты кристаллической структуры.
2.2. Параметры шероховатости
Согласно ГОСТ 215142-82, шероховатостью поверхности на- зывают совокупность неровностей поверхности с относительно ма- лыми шагами, выделенную с помощью базовой длины.
Базовая длина l – длина базовой линии, используемой для выде- ления неровностей, характеризующих шероховатость поверхности.
Базовая линия (поверхность) – линия (поверхность) заданной геомет- рической формы, определенным образом проведенная относительно профиля поверхности и служащая для оценки геометрических пара- метров шероховатости.
Базой для отсчета отклонений профиля является средняя линия
профиля m-m – линия, имеющая форму номинального профиля и про- веденная так, что в пределах базовой длины среднее квадратичное отклонение профиля до этой линии минимально.
Рассмотрим основные характеристики микрогеометрии более подробно. В соответствии с действующим стандартом установлены следующие параметры шероховатости (рис. 2.1).
Линия впадин
Линия выступов
l
S
m
S
i
b
i
R
m
a
x
h
5
m
a
x
h
5
m
in
h
1
m
a
x
h
1
m
in
h
2
m
in
h
2
m
a
x
H
1
m
a
x
H
1
m
in
H
2
m
in
H
2
m
a
x
H
5
m
a
x
H
5
m
in
y
1
y
n
Рис. 2.1. Профилограмма поверхности

28 1. Среднее арифметическое отклонение профиля R
a
– это сред- нее арифметическое из абсолютных значений отклонений в пределах базовой длины.
,
(2.1) где l – базовая длина, мм;
y – отклонение профиля (расстояние между любой точкой про- филя и базовой линией m-m), мм.
2. Высота неровностей профиля по десяти точкам R
z
– сумма средних абсолютных значений высот пяти наибольших выступов профиля и глубин пяти наибольших впадин профиля в пределах базо- вой длины.
(2.2) где
– отклонение пяти наибольших максимумов профиля, мм;
– отклонение пяти наибольших минимумов профиля, мм.
3. Наибольшая высота неровностей профиля R
max
– расстояние между линией выступов и линией впадин профиля в пределах базо- вой длины
4. Средний шаг неровностей профиля S
m
– среднее значение шагов местных выступов профиля в пределах базовой длины.
5. Средний шаг местных выступов S – среднее значение шагов местных выступов профиля, находящихся в пределах базовой длины.
6. Относительная опорная длина профиля t
p
– отношение опор- ной длины профиля к базовой длине.
%
100 1
1
n
i
i
p
b
l
t
,
(2.3) где b
i
– длина отрезков, отсекаемых на уровне, мм.
Кроме вышеперечисленных количественных параметров, стан- дартом установлены два качественных параметра.
1. Способ обработки. Указывается в том случае, когда шеро- ховатость поверхности следует получить только определенным способом.