Задать вопрос:





Статьи

Статьи>> Трение и износ деталей машин

Трение и износ деталей машин

Рассмотрим основные законы, модели, методы и средства для оценки трения, износа и фрикционного разогрева деталей машин.

При решении машиностроительных задач руководствуются следующими тремя законами трения, установленными еще Г. Амонтоном и Ш.О. Кулоном:

  • сила трения пропорциональна нормальной нагрузке;
  • сила трения не зависит от формы и размера номинальной площади контакта;
  • сила трения не зависит от скорости скольжения.

В современной интерпретации следует иметь в виду, что скорость существенно влияет на фрикционный разогрев, а последний влияет на трибологические характеристики подвижных сопряжений.

Общепринятыми теориями трения являются адгезионно-деформационная теория Боудена- Тейбора и молекулярно-механическая теория трения, предложенная И.В. Крагелъским [1]. В основе этих теорий лежит представление о сближении двух шероховатых поверхностей при контактном взаимодействии. Даже при очень малой нагрузке вследствие дискретности контакта давление на неровность очень велико. В результате деформирования материалов контактирующих тел поверхности контакта начинают сближаться, приводя в контакт все большее число неровностей. Этот процесс продолжается до тех пор, пока площадь контакта не станет достаточной, чтобы нести нагрузку. При фрикционном взаимодействии для расчета при сосредоточенной нагрузке полупространства существует ряд формул для точечного контакта (задача Буссинеска), для линейного контакта (задача Фламана), для распределенной нагрузки полупространства (комбинация этих задач). Оцениваются параметры контакта упругого герцевского, сферических и цилиндрических тел, пластического, а также упругопластического.

Модель Дерягина - Муллера - Токарева (ДМТ) рассматривает влияние упругих контактных деформаций на адгезию только для герцевского контакта. Равновесие достигается, когда деформация такова, что упругая реакция (сила упругого восстановления сферы, контактирующей с жестким полупространством) уравновешивает совместное действие приложенной внешней нагрузки и сил молекулярного притяжения. В модели Джонсона -Кендалла -Робертса (ДКР) взаимодействие упругой сферы и жесткого полупространства ограничено только пределами площадки контакта. Для ее реализации используются расчетные давления по Герцу и Буссинеску. Модели ДМТ и ДКР располагаются на разных концах диапазона отношений упругой деформации к радиусу действия сил адгезии.

Модель Демкина, предназначенная для расчета фактической площади контакта, предусматривает введение эквивалентной шероховатой поверхности (ЭШП), контактирующей с идеально гладкой. ЭШП представляет комбинацию шероховатостей обеих соприкасающихся поверхностей. В результате получают основные соотношения для единичного пятна контакта и фактической площади для упругого и пластического контакта.

В модели Гринвуда-Вильямсона в дополнение к предыдущей модели активно используются методы теории вероятности (распределения Раиса, Релея, Гаусса) для расчета контактного взаимодействия шероховатых поверхностей. Согласно этой модели пластическое течение отдельной неровности начинается тогда, когда максимальное герцевское давление pmaxтах достигает 0,6 Н (Н - твердость наиболее мягкого из контактирующих материалов). При этом доля фактической площади касания ε, приходящейся на эти неровности, должна превысить ε ≥ 0,02.

Индекс пластичности ψ позволяет рассчитать критическую номинальную нагрузку, при которой происходит переход от упругого контакта к пластическому

В эту формулу наряду с модулем упругости Е входит радиус закругления единичной неровности R. Исследованием этого параметра применительно к различным видам механической обработки занимался Э.В. Рыжов [2].

Для реальных поверхностей ф изменяется от 0,1 до 100, при этом упругий контакт имеет место для ψ < 0,6, пластический для ψ > 1,0 независимо от нагрузки [3].

Подавляющее число узлов трения машин и механизмов работают в условиях смазывания. В конце XIX века Н.П. Петровым, Б. Тауэром и О. Рейнольдсом было установлено, что эффективное смазывание имеет место при условиях, когда поверхности трения надежно разделены тонким слоем смазочного материала, толщина которого при рабочих условиях превышает суммарную высоту неровностей рабочих поверхностей сопряженных тел, а адгезионное взаимодействие между ними практически исключается, так как поверхности разнесены на расстояние, превышающее радиус действия адгезионных сил. Разделение поверхностей трения смазочным слоем осуществляется под действием давления, самовозбуждающегося в этом слое при относительном движении сопряженных поверхностей. Такой режим смазки называется гидродинамическим. Он обеспечивает минимальные потери на трение и практически полное отсутствие изнашивания трущихся тел. Для его реализации необходимо определенное сочетание нагрузки на узел трения, скорости относительного перемещения элементов пары трения, геометрии контактирующих поверхностей, которые должны обеспечивать клиновидную форму зазора между ними, и вязкости смазочного материала [4].

Основателями учения гидродинамической смазки были М.П. Петров, О. Рейнольде, Б. Тауер. В развитие теории гидродинамической смазки большой вклад внесли Н.Е. Жуковский, С.А. Чаплыгин, А.И. Зоммерфельд, Л.К. Гюмбель, М.В. Коровчинский, С.М. Захаров и др. A.M. Этрелю, А.Н. Грубину, А.И. Петрусевичу, Д.С. Кодниру, М.В. Коровчинскому, И.А. Тодеру, Д. Даусону, Г.В. Хиггинсону и др. удалось распространить теории гидродинамической смазки на условия контакта неконформных поверхностей (зубчатые передачи, подшипники качения и т.д.), при которых контактные давления столь велики, что приводят к упругим деформациям контактирующих тел и к существенному повышению вязкости смазочной среды (эластогидродинамическая теория смазки).

Если условия для образования гидродинамического слоя отсутствуют (высокие нагрузки и/или низкие скорости, неподходящая геометрия контакта и т.д.) или этот слой разрушается вследствие снижения вязкости масла (которое происходит из-за повышения температуры), перегрузок, резкого изменения скорости относительного перемещения трущихся тел, то смазанный узел работает в режиме граничной смазки, когда поверхности трения не разделены слоем смазочной жидкости. Непосредственный металлический контакт элементов трибосопряжения, приводящий к их повышенному износу и/или к заеданию узла трения, при этом предотвращается (или, во всяком случае, минимизируется) путем образования на поверхностях трения граничных смазочных слоев различного происхождения. Эти слои образуются в результате взаимодействия металла поверхностей трения с активными компонентами смазочного материала.

Способность смазочных материалов образовывать прочные граничные слои достаточной толщины за достаточно короткие промежутки времени в значительной степени определяет долговечность и надежность тяжелонагруженных смазанных трибосопряжений, работающих постоянно (например, в условиях высоких температур и нагрузок и/или низких скоростей относительного перемещения) или периодически (например, при пускеостанове, в "мертвых точках" цилиндропоршневой пары двигателя внутреннего сгорания и т.д.).

Теория граничной смазки была разработана У.Б. Харди, Б.В. Дерягиным, А.С. Ахматовой, Ф.Ф. Боуденом, Д. Тейбором, Г.В. Виноградовым, P.M. Матвеевским и др. [5]. Трение в условиях граничной смазки всегда приводит к изнашиванию трущихся тел, причем механизм изнашивания определяется природой граничных слоев, а последняя определяется природой смазочной среды и материала контактирующих тел и условиями процесса образования граничных слоев.

На отдельных участках температурной зависимости коэффициента трения могут быть реализованы умеренное адгезионное изнашивание (при температурах, меньших Ткр1), коррозионно-механическое изнашивание (в интервале температур от Ткм до Ткр2) и интенсивное адгезионное изнашивание при температурах, больших чем Ткр2, и в интервале температур между Ткр1 и Тfmax (рис. 1). Влияние смазочного материала в расчетах на трение и изнашивание по молекулярно-механической теории И.В. Крагельского определяется экспериментально оцениваемой величиной тангенциальной прочности адгезионной связи [1, 6], по уравнению Арчарда в его современной интерпретации (по температурно-зависимой константе скорости изнашивания) [5]. При этом в интервале температур от Ткм до Ткр2 необходимо учитывать два одновременно проходящих процесса: рост скорости образования модифицированных слоев и рост скорости изнашивания этих слоев с ростом температуры в трибологическом контакте [5, 7]. При температуре Ткр2 скорость разрушения модифицированного слоя настолько превышает скорость его образования, что происходит переход от мягкого коррозионно-механического к интенсивному адгезионному изнашиванию, необратимой порче поверхностей трения, выводу из строя сопряжения.

При определенных условиях в трибологическом контакте могут быть реализованы трибохимические процессы (избирательный перенос, образование полимеров трения и т.д.), которые обеспечивают низкое трение и практически полную безызносность [8, 9]. Метод ключевых инвариантов позволяет по данным модельного эксперимента учесть различные виды контакта трущихся тел - от контакта через сплошной слой смазочной среды на одном участке контакта до контакта через модифицированный слой или контакт непосредственных участков металла [10].

Наиболее эффективным является при модельном эксперименте воспроизведение с учетом масштабного фактора условий работы трибосопряжения, которые имеют место при эксплуатации (Э.Д. Браун, Ю.А. Евдокимов, А.В. Чичинадзе) [7, 11]. Для этого используются принципы математико-физического моделирования трибологических систем, базирующихся на основополагающих положениях теории внешнего трения и усталостного изнашивания, по которым эти процессы, по терминологии академика П.А. Ребиндера, являются комплексными процессами физико-химической механики [6, 7, 12]. Они регламентируются следующими последовательными и взаимосвязанными этапами процесса трения, а именно:

Рис. 1. Обобщенная зависимость коэффициента трения от температуры при граничной смазке (д) и предполагаемые модели трения на участке ОАВ (б) и BCJE (в):
1 - металл: 2 - адсорбированный слой; 3 - химически модифицированный слой

по И. В. Крагелъскому
  • взаимодействием поверхностей тел с учетом влияния окружающей среды;
  • изменением свойств поверхностных слоев в результате взаимодействия с учетом влияния окружающей среды;
  • разрушением поверхностей (износом) вследствие двух предыдущих этапов; по А.В. Чичинадзе
  • свойствами материалов пары трения и окружающей среды;
  • микро- и макрогеометрией контактирующих элементов и коэффициентом взаимного перекрытия;
  • режимом трения по нагрузке, скорости скольжения, начальной и текущей объемной и поверхностной температуре и градиентом температур по координате и времени

В связи с этим основополагающими положениями необходим с стремиться к максимальному воспроизведению при моделировании реальных процессов физико-химической механики, которые имеют место в реальных узлах трения.

Эффективность используемых методов математико-физического моделирования в настоящее время не вызывает сомнений. Они позволяют в несколько раз сократить продолжительность процесса подбора пар для узлов трения с обязательным прогнозированием их долговечности При этом весьма существенен экономический эффект, особенно для крупногабаритных конструкций - не менее 10 рублей на 1 рубль капиталовложений.

Повышению качества моделирования способствует анализ тепловых процессов при трении, изнашивании и смазке. Разработаны надежные экспериментально-теоретические методы расчета максимальной температуры на площадках фактического контакта деталей, средних интегральных значений по времени поверхно стной температуры полупространства и микровыступа, средней поверхностной и объемной температур контактирующих деталей машин. При этом учитывается распределение теплоты между элементами пары трения, средняя температура поверхности трения и температурная вспышка при нестационарных режимах (повторно-кратковременном и длительном). Эти достижения получены благодаря работам А.В. Чичинадзе, М.В. Ко-ровчинского, X. Блока, Д.К. Егера, А.Г. Гинзбурга и ДР. [7].

Динамика процессов трения и износа деталей машин неразрывно связана с фрикционно-износными свойствами материалов пары трения и зависит от скоростного, нагрузочного и температурного режимов на фрикционном контакте с учетом влияния окружающей среды. Фрикционно-износные характеристики пары трения могут изменяться на 200...400 % и более по сравнению с исходными. Все это учитывает тепловая динамика трения и износа (ТДТИ) твердых тел, которая позволяет на стадии проектирования рассчитать и исследовать рабочие характеристики узлов трения деталей машин с различными сочетаниями материалов с целью выбора варианта, близкого к оптимальному для заданных условий эксплуатации (А.В. Чичинадзе) [7,12].

В ТДТИ используются экспериментальные зависимости, полученные в результате испытаний пар трения на малогабаритных образцах по определенным стандартизованным методикам. Среди 150 методов испытаний, регламентированных ГОСТ, ASTM, SAE, ISO и DIN, обычно отдают предпочтение методу фрикционной теплостойкости или температурному методу получения зависимостей фрикционноизносных характеристик материалов деталей машин (включая смазочные) от температуры фрикционного разогрева.

Трибологам, которые работают в машиностроении, приходится учитывать особенности каждой из 20 подотраслей этой важнейшей области обрабатывающей промышленности. Очевидно, что специфика трибологии в автомобильной промышленности, коммунальном и химическом машиностроении, деревообработке и авиастроении существенно различаются. Однако при анализе условий функционирования деталей машин, предназначенных для каждой из таких подотраслей, целесообразно выделить следующие семь факторов, определяющих механизм фрикционного взаимодействия:

  1. вид контакта (точечный, линейный, по поверхности), от которого зависит напряженное состояние и распределение нагрузки;
  2. коэффициент взаимного перекрытия kвз ( kвз= 1; 1 > kвз > 0,1; kвзз < 0,1), важный для оценки процессов окисления и удаления продуктов изнашивания;
  3. вид смазки, обеспечивающей граничное трение или периодически полное разделение контактирующих поверхностей за счет гидродинамики или эластогидро динамики;
  4. вид износа (ведущий), определяемый средой, в которой эксплуатируется трибосопряжение, - механи ческий, коррозионно-механический или тепловой;
  5. вид нагружения (основные признаки) - стационарный (как силовой, так и тепловой), теплоимпульсный и нестационарный;
  6. вид нагружения (дополнительные признаки) резко нестационарный с наложением вибрации; стационарный с дополнительным подогревом, который изменяет механизм распространения теплоты на фрик ционном контакте; знакопеременный, изменяющий механизм изнашивания;
  7. негативные процессы в контакте, сопровождаю щие взаимодействие, такие как нарушение совместимо сти, возникновение автоколебаний и класс явлений, изучаемых трибофатикой (влияние трения на усталость материала и усталости на концентрацию напряжений).

Эти факторы обязательно учитываются при организации и проведении модельных испытаний.

Для подбора пар трения для деталей машин и выявления их служебных свойств применительно к реальному узлу трения обычно используют рациональный цикл триботехнических испытаний, который дает возможность экспериментально ускоренно установить предполагаемую долговечность элементов пары трения и узла трения в целом и потери на трение при заданном его конструктивном оформлении.

В зависимости от назначения применяемые в трибологии средства испытаний можно условно разделить на следующие группы:

  • лабораторные машины и установки для испытания мате риалов деталей, используемых в трибосопряжении (обычно испы тательный блок либо сохраняет форму образцов, адекватную форме типовых деталей машин, либо предусматривает испыта ния на образцах простейшей формы (кольца, пластины, шары и т.п.), весьма удобных в изготовлении);
  • приборы для определения теплофизических и физико-механических свойств поверхностей деталей машин (получили распространение установки для рентгеноструктурного анализа, например, дифрактомеры, установки для кинетического непре рывного измерения твердости и микротвердости; приборы электронной микроскопии).

Эти средства испытаний позволяют экспериментально выявить фрикционноизносные характеристики деталей машин при их контактном взаимодействии, а также оценить изменения в материалах трибосопряжения под влиянием силового и теплового нагружения.

АО "Точприбор" выпускает разработанные совместно с ИМАШ РАН триботехнические многопозиционные комплексы 2168 УМТ "УНИТРИБ", ИИ 5018 и др.; институт эксплуатации машин в Радоме (Польша) наладил серийный выпуск около 1,5 десятков малогабаритных машин сразличными схемами контактирования [13]. Оригинальные средства испытаний освоила фирма Трибофатика в Гомеле (Беларусь). В отличии от машин, создаваемых на многочисленных кафедрах высшей школы, эти серийные машины имеют регламентированную погрешность контролируемых при испытаниях параметров процесса трения, изнашивания и фрикционного разогрева.

Рис. 2. Характерные зависимости коэффициента трения f фрикционной пары из УФКМ по времени t при испытании на фрикционную теплостойкость:
давление рa = 0,45 МПа (а -з); 0,80 МПа (u-n); 1,1 МПа (р -х);
изменение максимальной температуры на поверхности трения Tmах:
а - 20...33,68 °С; б - 20...54,53 °С; в - 20...80,74 °С; г - 20...120,31 °С; д - 20...202,76 °С; е - 20...1183,13 °С; ж - 20... 1114,98 °С; з - 20...1139,60 °С; и - 20...30,40 °С; к - 20...78,05 °С; л - 20...95,74 °С; м - 20...147,92 °С; н - 1027,55 °С; о - 1088,87 °С; п - 20...1189,17 °С; р - 20...37,40 °С; с - 20...96,83 °С; т - 20...399,83 °С; у - 20...532,52 °С; ф - 20...767.56 °С; х - 20...1140 °С

В последние годы, с применением теории моделирования для прогнозирования фрикционноизносных характеристик деталей машин на стадии проектирования, было решено большое количество практических задач. На рис. 2 показано, например, прогнозирование на основании фрикционной теплостойкости условий возникновения вибраций в многодисковом авиационном тормозе, оборудованном парой трения из углеродных фрикционных композиционных материалов.

Литература

  1. Крагельский И.В. Трение и износ. М.: Машиностроение. 1968.
  2. Демкин Н.Б., Рыжов Э.В. Качество поверхности и контакт деталей машин. М.: Машиностроение. 1981. 244с.
  3. Мышкин Н.К., Пстроковсц М.И. Трибология. Принципы и приложения. Гомель, ИММС НАНБ. 2002. 310с.
  4. Буяновский И.А., Фукс И.Г., Багдасаров Л.Н. Очерки по истории трибологии. М.: Издательство "Нефть и газ". 1998. 108 с.
  5. Буяновский И.А., Фукс И.Г., Шабалина Т.Н. Граничная смазка: этапы развития трибологии. М.: Издательство "Нефть и газ". 2002. 230с.
  6. Крагельский И.В., Добычин М.Н. Комбалов B.C. Основы расчетов на трение и износ. М.: Машиностроение. 1977. 526 с.
  7. Основы трибологии. / Под ред. А.В. Чичинадзе. М.: Машиностроение. 2001. 664 с.
  8. Гаркунов Д.Н., Триботехника. М.: Машиностроение. 1989. 328 с.
  9. Заславский Ю.С., Артемьева В.П. Новое в трибологии смазочных материалов. М.: Издательство "Нефть и газ". 2001. 480 с.
  10. Дроздов Ю.Н. Ключевые варианты в расчетах интенсивности изнашивания при трении. // Машиноведение. 1980, № 2. С. 93-99.
  11. Браун Э.Д., Евдокимов Ю.А., Чичинадзе А.В. Моделирование трения и изнашивания в машинах. М.: Машиностроение. 1982.
  12. Чичинадзе А.В., Матвеевский P.M., Браун Э.Д. Материалы в триботехнике нестационарных процессов. М.: Наука. 1986. 240 с.
  13. Tribologia. Tribotechnika / Redakcja naukowa M. Szczerek, М. Wisniewski. Polskie Towarzystwo Tribologiczne, Radom, 2000. 728 s.

Справочник. Инженерный журнал. №9, 2003, с. 47-51
А.В. ЧИЧИНАДЗЕ, Э.Д. БРАУН, И.А. БУЯНОВСКИЙ
(ИМАШ им. А.А. Благонравова РАН)

Статьи партнеров