Файл: Износа и смазки.pdf

58 передачах, в узлах машин текстильной, пищевой, химической про- мышленности, а также в узлах машин, работающих при высоких тем- пературах. Применение смазочного материала в подобных узлах не- допустимо по соображениям безопасности, а также когда смазочный материал просто не пригоден.
При трении без смазки дополнительная энергия тратится на пре- одоление:
- взаимного механического зацепления неровностей (шерохова- тостей) трущихся поверхностей при их относительном перемещении;
- сил межмолекулярного притяжения;
- явления сваривания отдельных острых выступов поверхностей трущихся пар.
Трение имеет молекулярно-механическую природу. Так молеку- лярные силы, действующие на фактических площадках контакта, вы- зывают адгезию, приводят к схватыванию поверхностей. Сила трения в этом случае зависит от протяженности зон схватывания.
Сила трения F обусловлена механическим и молекулярным взаимодействием:
F = aA
r
+b
.
N,
(3.4) где а – средняя интенсивность молекулярной составляющей силы трения;
А
r
– фактическая площадь контакта, мм
2
;
b – коэффициент характеризующий механическую составляю- щую силы трения;
N – внешняя нагрузка, Н.
Тогда коэффициент силы трения F
f = (a
.
A
r
/ N) + b.
(3.5)
Механическая составляющая выражается в виде пластической деформации поверхностей. Величина этой составляющей обычно весьма незначительна.
Процесс трения без смазочного материала сопровождается скач- кообразным скольжением поверхностей, что проявляется, например, в виде вибрации автомобиля при включении сцепления, «скрипа» тормозов, вибрации резцов при резании и т.д. Избежать подобных скачков можно, увеличив жесткость системы, а также повысив ско- рость скольжения.

59
При трении металлических поверхностей при высоких темпера- турах (выше температуры разложения минеральных масел и твердых смазочных материалов) образуется окисная пленка. Свойства этой пленки зависят от состава поверхностей. Пленка способствует сни- жению сил трения и интенсивности изнашивания, а также предохра- няет поверхности от коррозии.
3.2.4. Граничное трение
Граничное трение возникает на поверхности сопряженных тел при толщине смазочного слоя менее 0,1 мкм. В этом случае сила тре- ния зависит от природы и состояния трущихся поверхностей. Нали- чие граничного слоя (граничной пленки) способствует снижению силы трения по сравнению с трением без смазочного материала в
2…10 раз и уменьшает износ сопряженных поверхностей в сотни раз.
Коэффициент граничного трения находится в пределах 0,08…0,15.
Само же граничное трение неустойчиво и определяет предел работо- способности сборочной единицы.
Масла способны адсорбироваться на металлической поверхно- сти, образовывая граничную пленку. На прочность пленки влияет на- личие в ней активных молекул, их качества и количества. Молекулы смазочного материала ориентируются перпендикулярно к твердой поверхности (рис. 3.5, а), граничную пленку в этом случае можно представить в виде ворса. Когда происходит взаимное перемещение поверхностей трения, молекулы как бы изгибаются в противополож- ные стороны. На восстановление ориентации молекул в начальное положение требуется некоторый промежуток времени.
б)
а)
Рис. 3.5. Схема контакта тел при граничной смазке: а – контакт
идеальных поверхностей; б – контакт реальных поверхностей
а б

60
Механизм трения при граничной смазке можно представить в следующем виде. В контакте под нагрузкой протекает упругая и пла- стическая деформация. На площадках контакта может произойти вза- имное внедрение поверхностей без разрушения граничной пленки.
Если пластические деформации значительны, то на площадках контакта с высокими местными температурами может произойти раз- рушение смазочной пленки с наступлением адгезии поверхностей и схватыванием металлов на микроучастках (рис. 3.5, б). Это вызывает дополнительное сопротивление движению.
Смазочная пленка имеет способность восстанавливаться при местных повреждениях. Это происходит за счет адсорбции, проте- кающей с большой скоростью, благодаря подвижности молекул сма- зочного материала. Окисление пленки способствует ее разрушению.
На процесс граничного трения влияют различные факторы. Так, добавление ПАВ повышает толщину граничного слоя и способствует уменьшению износа. Большое влияние на эффективность смазочного действия оказывает химическое взаимодействие металла и смазочно- го материала. Например, жирные кислоты, вступая в реакцию с по- верхностью металла, образуют мыла, способные без разрушения вы- держивать значительные деформации.
При граничной смазке важное значение имеют специальные до- бавки – присадки, содержащие органические соединения серы, фос- фора, хлора или их сочетание. Присадки позволяют искусственно по- высить химическую активность граничной пленки. Такие присадки, как мышьяк и сурьма в условиях высоких температур образуют плен- ки сульфида железа, фосфита или фосфата железа. Образовавшиеся пленки предотвращают металлический контакт, понижают сопротив- ление трению, препятствуют дальнейшему локальному повышению температуры. Кроме того, при определенных условиях пленки ведут себя как твердый смазочный материал.
3.2.5. Жидкостное трение
Режим жидкостного трения проявляется, когда трущиеся по- верхности разделены слоем жидкого смазочного материала, находя- щегося под давлением, и непосредственный контакт элементов пары отсутствует. Слой смазочного материала называют несущим слоем.
Давление в этом слое, уравновешивающее внешнюю нагрузку, возни- кает в результате относительного движения, либо под действием

61 внешнего давления. Толщина слоя во много раз превышает толщину граничной пленки и суммарную шероховатость обеих поверхностей.
Принято, что для полного отделения неровностей поверхностей толщина слоя должна в пять раз превышать сумму шероховатостей вала и втулки. Применяемые смазочные материалы не позволяют по- лучить толщину слоя большую h=100 (Ra
1
+Ra
2
), где Ra
1
и Ra
2
– па- раметры шероховатостей вала и втулки соответственно. Вследствие этого жидкостная смазка ограничена диапазоном 5 ≤ h ≤ 100.
Трение в этом случае сводится к вязкостному сопротивлению в самом слое смазки, обусловленному сдвигом соседних слоев пленки, т.е. к внутреннему трению. Пока такая жидкая пленка сохраняет це- лостность, материал движущихся поверхностей и их шероховатость не имеют значения. От жидкой пленки требуется, чтобы она прили- пала к движущимся поверхностям, т.е. чтобы не было проскальзыва- ния смазки относительно поверхностей.
Жидкостному режиму трения характерен малый коэффициент трения (0,003…0,05), что в 50…100 раз меньше, чем при трении без смазочного материала. Этот режим трения обеспечивает резкое уменьшение износа и нагрева деталей, сокращение потерь энергии на трение, а также повышает надежность и долговечность в работе.
С увеличением вязкости смазочного материала и скорости дви- жения трущихся поверхностей жидкостное трение возрастает. Увели- чение толщины слоя смазочного материала понижает силу трения.
Кроме того, сила трения при жидкостной смазке не зависит от приро- ды сопрягаемых поверхностей.
Явление трения при жидкостной смазке было открыто в 1883 г. русским ученым Н.П. Петровым. Он установил, что поведение сма- зочного вещества в слое при взаимно перемещающихся рабочих по- верхностях в условиях жидкостного трения подчиняется законам гидродинамики.
Жидкостное трение может быть обеспечено двумя методами – гидродинамическим или гидростатическим (при подаче смазки под давлением).
При гидродинамическом способе масло увлекается вращаю- щимся валом в зазор между валом и подшипником (рис. 3.6).
Зазор имеет клиновидную форму, и слой смазки получает воз- можность воспринимать нагрузку тем более значительную, чем больше число оборотов вала.

62
Другим способом, обеспечивающим жидкостное трение, являет- ся создание гидростатического давления в несущем слое, способное разделять поверхности. Утечка масла через торцы подшипника ком- пенсируется подачей насоса.
1 2
0 01 3
0 01
маслянный клин
0 0 1,
P
Рис. 3.6. Схема образования несущей способности масляного слоя
опорного подшипника: 1 – шейка вала (вращается); 2 – втулка
подшипника (неподвижна); 3 – клиновое пространство; Р – нагрузка;
О и О
1
– центры сечений втулки подшипника и шейки вала
В соответствии со способами создания давления в несущем слое различают гидродинамические и гидростатические опоры скольже- ния. Большее распространение получили гидродинамические опоры, поэтому в обиходе под жидкостной смазкой понимают гидродинами- ческие опоры.
Для любых пар трущихся поверхностей вязкость масла должна быть наименьшей, но в то же время обеспечивающей жидкостное трение. Так, для подшипника скольжения коленчатого вала двигате- лей внутреннего сгорания кинематическая вязкость должна быть не менее 4…5 мм
2
/с.
Клиновой зазор в гидродинамической опоре является неотъем- лемым условием поддержания режима трения при жидкостной смаз- ке. В плоских опорах клиновой зазор создается конструктивно, с по- мощью скосов поверхности. В наиболее узкой части клинового зазора образуется масляный клин. С увеличением скорости вращения вала клин становится мощнее, вал отжимается, что способствует увеличе- нию зазора и заполнению его смазочным материалом.
При уменьшении скорости вращения вала или при утечках сма- зочного материала давление в масляном клине падает, вал начинает масляный клин

63 садиться, а жидкостное трение переходит сначала в полужидкостное, а затем и в граничное.
Важными условиями получения жидкостного трения являются: выбор смазочного материала с учетом температуры, при которой происходит жидкостное трение; конструктивные формы трущихся поверхностей узлов трения, обусловливающие образование надлежа- щего слоя смазки; способ подвода смазочного материала – количест- во и равномерность подаваемой смазки.
3.2.6. Смешанное трение
Режим смешанного (полужидкостного) трения имеет место при наличии в контакте жидкостной и граничной смазки. Такое тре- ние возникает при пусках и остановках, высоких температурах и на- грузках, недостаточной вязкости масла и его подаче, а также при по- падании в масло абразивных механических примесей.
В этих ситуациях масла в зазоре между трущимися парами мо- жет оказаться недостаточно для обеспечения жидкостного трения, масляный слой частично разрушен, в результате чего в отдельных местах соприкосновения трущихся поверхностей возникает гранич- ное или сухое трение. Если масло обладает высокой смазывающей способностью, только это и позволяет максимально уменьшить тре- ние и износ, а также предотвратить заклинивание трущихся деталей
Нормальная нагрузка при смешанном трении уравновешивается нормальной составляющей сил взаимодействия поверхностей на площадках их контакта и силами гидродинамического давления в смазочном слое. Сила трения складывается из касательной состав- ляющей сил взаимодействия поверхностей и сопротивления вязкому сдвигу.
Гидродинамическое действие жидкости может возникнуть в двух случаях.
В первом случае оказывает влияние макрогеометрия соприка- сающихся поверхностей, образуется сужающийся зазор и при подаче масла в достаточном количестве возникает поток и образуется подъ- емная сила. Поток жидкости обтекает участки взаимного контакта поверхностей.
Во втором случае гидродинамическое действие возникает, если неровности между площадками контакта образуют в направлении от- носительного перемещения деталей места сужения и расширения по

64 высоте. При достаточном количестве масла между поверхностями оно играет роль гидродинамических микроклиньев (рис. 3.7).
h
0
а
V
F
Рис. 3.7. Схема элементарного гидродинамического клина, образованного
неровностями трущихся поверхностей: а – длина масляного клина;
h – начальный зазор между поверхностями в вершине клина
Гидродинамическое действие масла на микроклиньях проявля- ется при малых скоростях скольжения.
3.2.7. Диаграмма Герси-Штрибека
Режимы трения удобно рассматривать с помощью диаграммы
Герси-Штрибека (рис. 3.8). На этой диаграмме отображена связь коэф- фициента трения с характеристиками режима смазки сопряжения ηV/p.
К таким характеристикам относятся вязкость, скорость и нагрузка.
С помощью этой диаграммы можно оценить условия перехода одного режима в другой. На диаграмме линия а-а, проходящая через точку минимума коэффициента трения, разделяет области трения при жидкостной и других видах смазки. Условие перехода одного режима трения в другой рассмотрим на примере работы подшипника сколь- жения. Допустим, подшипник работает в режиме граничного трения и по какой-то причине повышается давление. Вследствие этого зна- чение ηV/p будет снижаться, и начальная точка переместится в левую верхнюю часть диаграммы. Сила р возрастет, температура в зоне кон- тактирования повысится, а вязкость смазочного материала понизится.
Повышение нагрузки приводит к повышению температуры и частич- ному разрушению граничной пленки. Линия b-b отделяет область трения при граничной смазке от области трения сухих поверхностей.

65
ηV/p
Увеличение износа
Износ отсутствует
f
h=Ra
h
h>Ra
Смазочный материал
h
Шероховатость поверхности Ra
N
v
a
a
b
b
I
II
III
Рис. 3.8. Диаграмма Герси-Штрибека:
I – граничный режим трения;
II – смешанный режим треия;
III – жидкостный режим трения;
η – вязкость;
V – скорость; p – нагрузка
Если режим трения расположен в зоне III, то в узком интервале изменения ηV/p сила трения стабильна.
Характеристика ηV/p справедлива для полужидкостного и жид- костного режима трения. Для других видов трения вязкостные свой- ства смазочного материала можно не принимать во внимание. Изме- нение коэффициента трения при малых значениях (близких к нулю) характеристики ηV/p, кривая от точки, соответствующей коэффици- енту трения покоя, может монотонно убывать или возрастать. Пройдя через максимум, она будет снижаться вплоть до критического режи- ма, которому соответствует минимальный коэффициент трения.

66
Контрольные вопросы к разделу 3
1. Причины возникновения трения.
2. Проявление внешнего и внутреннего трения.
3. Что служит количественной мерой внешнего трения?
4. Виды трения в зависимости от характера относительного движения.
5. Что оказывает влияние на коэффициент трения скольжения?
6. Затраты энергии при трении без смазочного материала.
7. Что оказывает влияние на процесс граничного трения?
8. Какими методами можно обеспечить жидкостное трение?
9. Когда проявляется смешанное трение?
10. Назначение диаграммы Герси-Штрибека. Характерные об- ласти этой диаграммы.

67
4. ИЗНАШИВАНИЕ ПАР ТРЕНИЯ
4.1. Основные характеристики изнашивания
Относительные перемещения контактирующих поверхностей и их механические взаимодействия приводят не только к изменениям состояния и свойств материалов поверхностных слоев, но и к их раз- рушению.
Обычно разрушение происходит в форме отделения от поверх- ностей трения мелких частиц материала, что приводит с течением времени к изменению размеров и формы контактирующих деталей.
Это явление называют изнашиванием. Изнашивание является слож- ным многоуровневым процессом.
Как отмечалось ранее, основные понятия, термины и определе- ния в области изнашивания регламентированы ГОСТ 27674-88. В ча- стности, по этому ГОСТу результат изнашивания определен терми- ном износ. Величину износа определяют в единицах длины, объема, массы.
Износ деталей и узлов трения приводит к ухудшению функцио- нальных показателей машины. В результате износа нарушается кине- матическая точность механизмов, снижаются производительность и коэффициент полезного действия, уменьшается прочность деталей, увеличиваются расходы на ремонт и обслуживание, увеличиваются шум и вибрация.
Количественно изнашивание характеризуется скоростью изна- шивания
γ= h/t,
(4.1) где h – величина износа, или толщина удаленного слоя, м;
t – время, ч.
Широко распространена другая характеристика изнашивания –
интенсивность изнашивания:
I= h/L,
(4.2) где h – величина износа, м;
L – путь трения, м.
Различают мгновенную (в определенный момент времени) и среднюю скорость изнашивания (за определенный интервал времени).