Детали машин





Основы триботехники узлов и деталей машин



Основные понятия триботехники

Сопряженными или контактирующими называют соприкасающиеся непосредственно или через слой смазочного материала поверхности взаимодействующих деталей.

основы триботехники - науки о трении в механизмах

Изучением процессов взаимодействия контактирующих поверхностей при их относительном перемещении занимается наука, получившая название триботехника (от греч. tribos - тереть).
Основная цель этого изучения – нахождение путей снижения трения и изнашивания.

Известно, что до 90 % машин выходят из строя из-за изнашивания трущихся поверхностей деталей. В машинах существенная часть энергии теряется на преодоление трения (например, в автомобилях – до 50 %).
Одним из основных понятий триботехники является внешнее трение – явление сопротивления относительному перемещению, возникающее между двумя телами в зонах соприкосновения поверхностей и сопровождающееся рассеиванием энергии.

Контакт поверхности деталей имеет вид пятен, обусловленных неровностями этих поверхностей: отклонением формы, волнистостью, шероховатостью. Поэтому фактическая площадь контакта в десятки раз меньше номинальной (геометрической).

Взаимодействие контактирующих тел характеризуется механическими, теплофизическими, физико-химическими и электромеханическими процессами, сопровождающимися изнашиванием деталей. В результате взаимодействия с окружающей средой трущиеся поверхности деталей покрываются различными окислительными пленками, которые при истирании быстро восстанавливаются. Наличие поверхностных пленок уменьшает силу трения.

По наличию относительного движения между контактирующими деталями различают:
трение покоя – трение двух тел при микросмещениях (например, за счет их деформации) до перехода к относительному движению;
трение движения – трение тел, находящихся в относительном движении.

Трению покоя присущи фреттинг-коррозия и окислительное изнашивание, которые характерны для деталей соединений машин (соединений с натягом, резьбовые, шлицевые, шпоночные).

Изнашивание от фреттинг-коррозии происходит в соединениях на небольших постоянно контактирующих поверхностях в условиях их колебательных тангенциальных микролюфтов или упругих деформаций. Циклические микросмещения выступов микронеровностей приводят к их усталости и обламыванию. Оставаясь в зоне контакта и превращаясь в абразивные частицы, они производят микрорезание, образуя мелкие углубления и продукты коррозии в виде порошка от светло- до темно-коричневого цвета.
Повышение твердости контактирующих поверхностей, увеличение натяга в соединении снижают изнашивание от фреттинг-коррозии.

При окислительном изнашивании контактирующие детали вступают в химическое взаимодействие с окружающей средой (например, воздухом), что приводит к развитию коррозии и механическому изнашиванию.

По характеру относительного движения различают трение скольжения и трение качения.
Трение движения, при котором скорости тел в точке касания различны по величине или направлению, называют трением скольжения. При равенстве скоростей в точках касания по величине и направлению трение движения называют трением качения.

Такие детали, как диски фрикционных муфт, резьбовая пара скольжения винт-гайка, тормозные колодки и т. д., которые работают в условиях трения скольжения, подвержены контактному схватыванию, водородному и абразивному изнашиванию.

Водородное изнашивание связано с выделением водорода при трении контактирующих тел и разложении воды, нефтепродуктов или деструкции пластмасс. Присутствие водорода приводит к хрупкости поверхностей контакта деталей, появлению мелких трещин и образованию мелкодисперсного порошка материала.

***



Динамические и кинематические составляющие триботехники

Внешнее трение характеризуется силой трения – силой сопротивления при относительном перемещении одного тела по поверхности другого тела под действием внешней силы. Сила трения направлена по касательной к общей границе между телами.

Параметрами нагружения сопряженных поверхностей является давление q, приходящееся на единицу площади, а при отсутствии взаимных перемещений – напряжение смятия σсм.

Основным кинематическим параметром является скорость скольжения v, т. е. скорость движения точки одной из сопряженных поверхностей относительно совпадающей с ней точки другой поверхности.

Для количественной оценки изнашивания и его результата – износа используют такие показатели, как интенсивность изнашивания и предельный износ.

Интенсивностью изнашивания J называют отношение толщины слоя h, снятого в результате изнашивания, к пути трения S (перемещение точки, в которой определяется износ, относительно сопряженной поверхности):

J = h/S.

Под предельным износом детали или узла понимают такой износ, по достижении которого дальнейшая эксплуатация изделия неэкономична или недопустима.

снижение трения смазкой

Практически безызносные трущиеся пары с малым коэффициентом трения можно получить, реализуя в узле жидкостную смазку или используя явление избирательного переноса.

При жидкостной смазке поверхности деталей полностью разделены жидким смазочным материалом (слоем масла). Детали непосредственно не касаются друг друга поверхностями и не изнашиваются. Коэффициент трения при этом определяется вязким трением жидкости и мал по величине (f = 0,005). Режим жидкостной смазки реализуют в подшипниках скольжения, например, во вкладышах коленчатого вала двигателей.

Избирательный перенос – физико-химический процесс образования и автоматического поддержания на поверхности трения защитной металлической пленки, значительно снижающей коэффициент трения и износ.
Пленкообразующим материалом является, например, медь и ее сплавы (бронза, латунь). Из этих материалов может быть изготовлена одна из деталей пары трения или пленкообразующая присадка смазочного материала, например, медный порошок.

После первоначального образования на поверхностях деталей защитной пленки устанавливается режим избирательного переноса, т. е. в случае изнашивания или нарушения сплошности пленки происходит автоматическое ее восстановление.

Явление избирательного переноса успешно используют в узлах трения, работающих в экстремальных условиях: в вакууме, в агрессивных средах химической промышленности.

В настоящее время триботехнике уделяется большое внимание, так как для многих машин затраты на ремонт в связи с изнашиванием деталей за период их работы в несколько раз превышает стоимость новой машины.

***

Соединения деталей машин и механизмов