Сорокин В.М., Курников А.С. Основы триботехники и упрочнения поверхностей деталей машин: курс лекций

Подождите немного. Документ загружается.

что огромный экономический эффект достигается в основном не техниче-

ским перевооружением промышленности, связанным с затратами допол-

нительных средств и труда, а благодаря использованию знаний накоплен-

ных в этой области.

Все вышеизложенное позволяет утверждать, что в современных усло-

виях знание основ триботехники обязательно для каждого инженера- ме-

ханика. Инженеру – конструктору оно даст возможность правильно при-

менить конструкцию подвижного сопряжения, подобрать соответствую-

щие материалы трущихся деталей, назначить оптимальный режим работы

сопряжения. Инженеру – технологу триботехника поможет выбрать со-

вершенные методы обработки, инженеру – эксплуатационнику – обеспе-

чить надлежащий режим эксплуатации и обслуживания машин.

В целом триботехника должна решать узловые проблемы экономики,

относящиеся к сырьевым, энергетическим, трудовым ресурсам и эконо-

мической безопасности страны. Поэтому вопрос подготовки инженерно-

технических и научных кадров по триботехнике был и остается весьма

актуальным.

1.2 Основные термины и определения

Изучение новой дисциплины следует начинать с терминологии в со-

ответствии с ГОСТ (ГОСТ 23.002-78, ГОСТ 27.674-88), которые дают об-

щее представление о видах трения, изнашивания, методах смазывания и

смазочных материалах.

К общим понятиям триботехники относятся следующие термины.

Внешнее трение – явление сопротивления относительному переме-

щению, возникающее между двумя телами в зонах соприкосновения по-

верхностей по касательным к ним, сопровождаемое диссипацией энергии.

Изнашивание – процесс разрушения и отделения материала с по-

верхности твердого тела и (или) накопления его остаточной деформации

при трении, проявляющийся в постепенном изменении размеров и (или)

формы тела.

Износ – результат изнашивания, определяемый в установленных единицах.

Износостойкость – свойство материала оказывать сопротивление из-

нашиванию в определенных условиях трения, оцениваемое величиной,

обратной скорости изнашивания или интенсивности изнашивания.

Смазочный материал – материал, вводимый на поверхности трения

для уменьшения силы трения и (или) интенсивности изнашивания.

Смазка – действие смазочного материала, в результате которого меж-

ду двумя поверхностями уменьшается сила трения и (или) интенсивность

изнашивания.

Смазывание – подведение смазочного материала к поверхности трения.

Трение покоя – трение двух тел при микроперемещениях до перехода

к относительному движению.

Трение движения – трение двух тел, находящихся в относительном

движении.

Трение без смазочного материала – трение двух тел при отсутствии

на поверхности трения введенного смазочного материала любого вида.

Трение со смазочным материалом – трение двух тел при наличии на

поверхности трения введенного смазочного материала любого вида.

Трение скольжения – трение движения двух твердых тел, при кото-

ром скорости тел в точках касания различны по величине и направлению,

или по величине или направлению.

Трение качения – трение движения двух твердых тел, при котором

их скорости в точках касания одинаковы по величине и направлению.

Сила трения – сила сопротивления при относительном перемещении

одного тела по поверхности другого под действием внешней силы, на-

правленной по касательной к общей границе между этими телами.

Наибольшая сила трения покоя – сила трения покоя, любое превы-

шение которой ведет к возникновению движения.

Предварительное смещение – относительное микроперемещение

двух твердых тел при трении в пределах перехода от состояния покоя к

относительному движению.

Скорость скольжения – разность скоростей тел в точках касания при

скольжении.

Поверхность трения – поверхность тела, участвующая в трении.

Коэффициент трения – отношение силы трения двух тел к нормаль-

ной силе, прижимающей эти тела друг к другу.

Коэффициент сцепления – отношение наибольшей силы трения по-

коя двух тел к нормальной относительно поверхностей трения силе, при-

жимающей тела друг к другу.

В 1979 г. в нашей стране издан словарь-справочник по трению, износу

и смазке деталей машин, содержащей более 1200 терминов.

1.3 Этапы развития триботехники и краткий обзор некоторых работ

На основании анализа многочисленных теоретических и эксперимен-

тальных исследований, в том числе собственных, профессор Д.

Н. Гаркунов предложил процесс развития триботехники рассматривать по

четырем основным направлениям [1]:

Учение о трении и изнашивании деталей машин;

Конструктивные решения вопросов трения и изнашивания;

Технологические методы повышения износостойкости деталей;

Эксплуатационные мероприятия по повышению долговечности машин.

1.3.1 Сведения из истории о процессах трения и изнашивания

Первые попытки осмысления природы трения были сделаны древне-

греческим философом Аристотелем. Основываясь на фактах из практики,

он отмечал, что любое, в том числе равномерное, перемещение реальных

тел в горизонтальной плоскости всегда встречает внешнее сопротивление,

причем это сопротивление зависит от веса тела. Но Аристотель не знал

принципы инерции и потому не мог понять разницы между сопротивле-

нием, связанным с самим телом (инерцией), и сопротивлением, обуслов-

ленным взаимодействием движущегося тела с внешней средой (то, что мы

теперь называем силой трения).

Большой вклад в исследования вопросов трения внес Леонардо да

Винчи (1508 г). Одной из причин невозможности создания вечного двига-

теля он считал трение. Им впервые было сформулировано понятие о ко-

эффициенте трения, величина которого предполагалась постоянной (0,25)

для всех тел при условии одинаковой гладкости их поверхностей. При

этом считал, что сила трения зависит от материалов соприкасающихся

поверхностей, от качества их обработки, прямо пропорциональна нагруз-

ке и может быть уменьшена путем установки роликов или введения смаз-

ки. Леонардо да Винчи по праву является изобретателем роликового и

шарикового подшипников.

В конце XVI века открытие Галилеем закона инерции и понятие о

массе тела явилось крупным достижением в механике. Галилей доказал,

что свободное тело (т.е. тело, движущееся в пустоте, без всякого внешне-

го сопротивления) под действием постоянной силы движется равноуско-

ренно. При этом движущая сила (а следовательно, и сила сопротивления

ускорению) прямо пропорциональна массе тела. Открытие Галилея позво-

лило четко разграничить сопротивление движению, вызываемое инерцией

и возникающее лишь при изменении скорости (появлении ускорения), от

сопротивления внешней среды, которое имеется и при постоянной скоро-

сти (без ускорения) и вызвано силами внешнего трения.

В 1699 г. французский ученый Амонтон впервые сформулировал зна-

менитый эмпирический закон линейной зависимости силы трения от на-

грузки:

NfF

тр

где

– коэффициент трения;

– нормальная к плоскости трения нагрузка.

Большая роль в развитии представлений о трении принадлежит

Л. Эйлеру, убедительно объяснившему (в 1750 г.) причину факта, что со-

противление при переходе от состояния покоя к относительному движе-

нию всегда больше, чем сопротивление скольжению при тех же условиях.

Обнаруженный Эйлером эффект уже в его время нашел практическое

применение. Открытие Эйлера позволяло при спуске на воду судов пре-

дусмотреть усилие тяги в момент страгивания судна с места, в результате

чего избежать опасных последствий, связанных с резким ускорением

скольжения судна по стапелям сразу после начала движения.

Другим известным достижением Эйлера в области трения было выве-

денная им формула для каната, «намотанного на кнехт и удерживающего

судно», которая до сих пор используется в инженерной практике.

Важные исследования в области трения были выполнены

Ш. Кулоном. В своем труде «Теория простых машин» (1781 г.) он охватил

основные аспекты трения: сопротивление скольжению, сопротивление

качению и сопротивление страгиванию. Он обобщил закон Амонтона,

показав, что часть силы трения не зависит или слабо зависит от нагрузки:

cтр

FNfF

где

– часть силы трения, зависящая от сцепляемости поверхно-

стей трения и площади касания.

Ш. Кулон впервые вывел формулу сопротивления перекатыванию,

которая используется и в наше время:

где

– вес (масса) свободно катящегося цилиндра радиусом r;

– коэффициент трения качения.

В то же время Кулон игнорировал энергетический и тепловой аспекты

трения, без которых механизм трения понять невозможно.

Первым ученым, доказавшим, что механическая энергия при трении

не исчезает, а превращается в тепло, был англичанин Томпсон (1798 г.).

Наблюдая за сверлением пушечных стволов, он пришел к выводу, что

сильный нагрев заготовок есть прямой результат перехода подводимой к

сверлу механической энергии в тепловую вследствие интенсивного тре-

ния инструмента о металл. Дальнейший вклад в энергетические аспекты

теории трения был сделан Майером (1842 г.), Джоулем (1843 г.), Гельмц-

гольцем (1847 г.). Тогда же (в середине XIX в.) были высказаны и первые

предположения об адгезионной природе трения (адгезия – сцепление,

слипание поверхностей прижатых друг к другу тел).

Основоположником науки о трении и изнашивании в России является

М.В. Ломоносов – основатель Российской академии наук. В результате тео-

ретических и экспериментальных исследований в области трения он связал

понятие о прочности с представлениями, о силах связи между частицами

материалов. М.В. Ломоносов сконструировал прибор для исследования

сцепления между частицами тел «долгим стиранием», который явился про-

тотипом современных приборов для определения износостойкости мате-

риалов. Занимаясь подбором материалов для опор часовых механизмов, он

указал на целесообразность применения для этой цели стекла.

Мировую известность получили работы Н.П. Петрова по теории смаз-

ки подшипников. Над проблемой смазки работали Н.Е. Жуковский и

С.А. Чаплыгин, математически разработавшие вопрос о теории смазочно-

го слоя. За рубежом над гидродинамической системой смазки работали

Рейнольде, Кингсбери, Герси и др.

1.3.2 Развитие учения о трении и изнашивании

Быстрыми темпами наука о трении и изнашивании начала развиваться

в XX в. в связи с бурным развитием техники. Еще в начале этого столетия

(в 20-х гг.) изнашивание представлялось как сочетание двух одновремен-

но протекающих процессов – истирания и смятия. Под истиранием подра-

зумевается отрыв или срезание частиц с последующим их удалением. Ме-

рой истирания служит потеря массы изнашиваемого объекта. Под смяти-

ем понимают изменение линейных размеров, проходящие без потери мас-

сы, за счет расплющивания. Данная механическая теория противоречила

некоторым фактам и не в состоянии была объяснить ряд других. Напри-

мер, механической точке зрения противоречат часто наблюдаемое повы-

шение интенсивности изнашивания при доведении поверхностей трения

до очень малой шероховатости; остается не ясным, почему при трении

некоторых пар без смазочного материала при переходе через определен-

ную скорость скольжения интенсивность скольжения падает.

Эксперименты по трению и изнашиванию металлов, проведенные в

30-х гг. М. Финком, установили повышенную окисляемость металлов при

трении. Это побудило ряд авторов считать химические процессы наиболее

важными в кинетики изнашивания. В эти же годы П.А. Ребиндером и его

учениками проводятся глубокие исследования по изнашиванию твердых

тел с учетом среды. В результате был открыт адсорбционный эффект по-

нижения прочности твердых тел (эффект Ребиндера) – благодаря адсорб-

ции поверхностно-активных веществ понижается поверхностная энергия

твердого тела, что приводит к облегчению выхода дислокации. Все это

имеет большое значение для познания природы трения и изнашивания

металлов. Диспергирование металла при трении может быть усиленно или

ослаблено поверхностно-активными веществами во много раз. Работы

П.А. Ребиндера и его учеников нашли широкий отклик во всем мире у

специалистов не только по прочности металлов, но и по обработке метал-

лов, трению и изнашиванию. На базе работ П.А. Ребиндера позже сфор-

мировалась новая наука – физико-механическая механика материалов,

охватывающая вопросы физики, химии и механики в части создания и

эксплуатации новых материалов.

В 1947 г. выходят в свет три важных работы посвященных вопросам

трения, изнашивания и смазке. Профессор Ленинградского политехниче-

ского института А.К. Зайцев в книге «Основы учения о трении, износе и

смазке машин» впервые приводит подробный обзор исследований по дан-

ному направлению. В монографии «Физика твердого тела» академика

В.Д. Кузнецова излагаются вопросы внешнего трения, изнашивания и

внутреннего трения твердых тел, критический взгляд на эту сложную

проблему и указываются некоторые пути ее решения. Достижением в об-

ласти обобщения отечественной и зарубежной литературы по трению и

износу металлов явилась также книга Д.В. Конвисарова «Трение и износ

металлов», в которой рассматриваются некоторые вопросы трения твер-

дых тел в свете теоретической механики, а также проблема физико-

химического взаимодействия металлов при статическом, кинематическом

трении первого и второго рода со смазочным материалом и без него.

В 1956 г. И.В. Крагельский и B.C. Щедров опубликовали монографию

«Развитие науки о трении», в которой отмечают, что трение представляет

собой сложную совокупность многих физических явлений, и раскрывают

путь развития научной мысли, в этом направлении начиная с XVI в. В

монографии приводится глубокий анализ многих русских и зарубежных

работ, и она получила признание во многих странах. В этом же году был

опубликован труд Д.Н. Гаркунова и И.В. Крагельского «Об атомарном

схватывании материалов при трении» являющийся в последствии основ-

ной для выдачи авторам в 1968 г. патента на открытие явления «Избира-

тельный перенос при трении (эффект безызносности)».

В 1957 г. в сборнике «Теоретические основы конструирования ма-

шин» М.М. Хрущев опубликовал обзор «Развитие учения об износостой-

кости деталей машин», где последовательно изложено развитие работ в

области износостойкости по отдельным наиболее разработанным вопро-

сам: развитие представлений о причинах и процессах изнашивания; ис-

следование влияния шероховатости обработанной поверхности деталей

машин на износ металлов; исследование абразивного изнашивания и из-

нашивании при схватывании; методы испытания и изнашивание; анти-

фрикционные материалы и методы расчета деталей машин на износ.

Крупным вкладом в развитие механизма трения и смазки явились ра-

боты Ю.А. Розенберга и И.Э. Виноградовой «Смазка механизмов машин»

(1960 г.), Ф.П. Боудена и Д. Тейбора «Трение и смазка» (1960 г.),

И.В. Крагельского и И.В. Виноградовой «Коэффициенты трения»

(1962 г.), А.С. Ахматова «Молекулярная физика граничного трения»

(1963 г.) и др. Монография А.С. Ахматова обобщила состояние науки в

области трения при граничной смазке и явилась первой работой такого

рода в отечественной и зарубежной литературе. Несмотря на то, что с мо-

мента опубликования книги прошло более 40 лет, она не потеряла своей

актуальности и является настольной книгой специалистов по трению и

изнашиванию. В книге с большой четкостью показано, что поверхности

деталей, не подвергавшиеся специальной очистке, всегда несут адсорбци-

онные слои паров, газов и жидкостей; эти слои в значительной степени

определяют течение многих механических и технологических процессов.

Граничные слои оказывают значительное влияние не только на процессы

трения, но и на структуру металла в поверхностных его слоях.

Огромная работа в области трения и изнашивания выполнена под ру-

ководством профессора И.В. Крагельского. Основополагающей является

работа Е.М. Швецовой И.В. Кральгевского [3]. Процесс изнашивания со-

гласно этой работе, расчленяется на три явления: взаимодействие поверх-

ностей трения; изменения, происходящие в поверхностном слое; разру-

шение поверхностей. Эти явления взаимосвязаны и влияют друг на друга.

Взаимодействие поверхностей сопровождается в условиях относительно-

го перемещения определенными изменениями, а разрушение является

завершающим этапом изнашивания. Так как разрушением не охватывает-

ся одновременно вся поверхность трения, а происходит, как правило, в

отдельных участках, то другие участки поверхности претерпевают только

физико-химические изменения.

По всем трем явлениям проведены большие исследовательские рабо-

ты, опубликованы многочисленные статьи и написаны монографий. В

целом это направление именуется как молекулярно-механическая теория

трения и изнашивания, цель которой дать инженерный расчет на трение и

износ. Эта задача еще далека от завершения. Тем не менее, молекулярно-

механическая теория трения и изнашивания наиболее полно отражает фи-

зическую картину изнашивания в режимах трения при граничной смазке и

без смазочного материала.

В работе Б.И. Костецкого и его учеников [4] подводятся итоги более

ранних их работ, посвященных образованию вторичных структур при

трении в условиях граничной смазки, а также раскрываются перспективы

использования вторичных структур как экранирующей защиты от разру-

шения основного материала пары трения. Авторы отмечают, что поверх-

ностный слой трущихся деталей в процессе трения резко изменяет свою

структуру и переходит в активное состояние. Материал стремится немед-

ленно перейти из термодинамически неравновесного в пассивное состоя-

ние путем адсорбционного, диффузионного или механического взаимо-

действия с внешней средой. Этот новый слой и становится объектом по-

верхностного разрушения при трении. Если процессы разрушения охва-

тывают только новый слой, образовавшийся в процессе трения, то проис-

ходит нормальное трение, к чему надо стремится. Если же разрушение

поверхности происходит вне зоны образования нового слоя (например,

при схватывании, микрорезании, феттинг-процессе и др.), то изнашивание

протекает не нормально – с повреждаемостью поверхности детали.

Образование в процессе трения новых слоев, главным образом в ре-

зультате окислительных процессов, Б.И. Костецкий и его ученики относят

к явлению «универсальной структурной приспособляемости материалов».

Универсальность этого явления, по мнению авторов, состоит в том, что

оно реализуется при трении любых материалов в определенном, завися-

щем от вида этих материалов диапазоне нагрузок и скоростей взаимного

перемещения.

Однако анализ материалов, относящихся к структурной приспособ-

ляемости свидетельствует о том, что все структурные изменения, проис-

ходящие на поверхности трения, являются экраном и способствуют сни-

жению износа в условия трения при граничной смазке и без смазочного

материала. Наклеп поверхности детали, неизменно сопровождающий тре-

ние, является одним из факторов предразрушения поверхности. Образо-

вание гидрофильной зоны и наводороживание являются причинами изно-

са. И, наконец, окисление поверхности создает хрупкие пленки, которые

хотя и экранируют поверхности от схватывания, но сами имеют низкую

износостойкость.

Значительный вклад в развитие триботехники внесли белорусские

ученые, возглавляемые академиками В.А. Белым и А.И. Свириденком,

которые проделали большую работу по исследованию в узлах трения по-

лимерных материалов. Полимеры обладают по сравнению с металлом

более низким коэффициентом трения, меньше изнашиваются, нечувстви-

тельны к ударам и колебаниям, имеют более низкую стоимость и более

технологичны в производстве деталей [5].

Способность полимеров работать при смазке водой является важным

преимуществом их перед металлами. Однако необходимо учитывать оп-

ределенные трудности их использования. Известно, что пластмассы при

доступе к ним воды склонны к набуханию, имеют низкую теплопровод-

ность, большой температурный коэффициент линейного (или объемного)

расширения, невысокую теплостойкость, обладают ползучестью при нор-

мальной температуре и низким модулем упругости. Таким образом, пря-

мая замена металла полимерами не всегда целесообразна.

Достигнутые успехи в разработке физической природы трения и про-

цессов изнашивания, привлечение современных методов физического

эксперимента к опытному их изучению, подробное физико-химическое

исследование природы поверхностных слоев твердого тела и накоплен-

ный большой экспериментальный материал позволили глубже понять ме-

ханизмы трения и изнашивания.

За последние годы крупными работами в области трибологии и три-

ботехники являлись труды, выполненные профессором Д.Н. Гаркуновым

и его учениками [1, 6, 7, 8, 9 и др.] и ряд других исследователей. Среди

них широко известны имена А.А. Алисина, Ш.М. Билика, Э.Д. Брауна,

Н.А. Буше, Г.В. Виноградова, М.А. Григорьева, Н.Б. Демкина,

М.Н. Ерохина, А.Ю. Ишлинского, В.Н. Кашеева, B.C. Комбалова,

П.И. Коршака, Л.И. Куксеновой, М.А. Левитина, Н.М. Михина,

Р.М. Матвиевского, П.И. Орлова, Е.А. Памфилова, С.В. Пинегина.

А.А. Полякова, А.К. Прокопенко, А.С. Проникова, Э.В. Рыжова,

Л.М. Рыбаковой, А.А. Силина, Г.М. Сорокина, А.В. Чичинадзе.

1.4 Понятия о надежности машины в эксплуатации и еѐ свойствах

В соответствии с ГОСТ 13377-75 надежность – свойство объекта вы-

полнять заданные функции, сохраняя свои эксплуатационные показатели

в заданных пределах в течение требуемого промежутка времени или тре-

буемой наработки. Термин «объект» является наиболее общим наимено-

ванием изделия: дорожной машины, оборудования или отдельной сбороч-

ной единицы.

В процессе эксплуатации объект может находиться в одном из сле-

дующих состояний: исправном, работоспособном, неисправном.

Исправное состояние (исправность) – состояние объекта, при кото-

ром он соответствует всем требованиям, установленным нормативно-

технической документацией.

Работоспособное состояние (работоспособность) – состояние объек-

та, при котором он способен выполнять заданные функции, сохраняя зна-

чения заданных параметров в пределах, установленных нормативно-

технической документацией. Параметры, характеризующие выполнение

функций, обусловливают эксплуатационные показатели изделия: произ-

водительность, мощность, тягово-скоростные характеристики, параметры

рабочего процесса и прочее.

Неисправное состояние (неисправность) – состояние объекта, при

котором он не соответствует хотя бы одному из требований, установлен-

ных нормативно-технической документацией. Различают неисправности,

не приводящие к отказам (нарушение лакокрасочного покрытия, износ

режущей кромки рабочего органа), и неисправности, ведущие к возникно-

вению отказа (трещина металлоконструкции рамы, изгиб лопасти венти-

лятора системы охлаждения двигателя).

Срок службы машины – календарная продолжительность эксплуа-

тации изделия до разрушения или другого предельного состояния. Пре-

дельное состояние может устанавливаться по изменениям параметров, по

условиям безопасности, по экономическим показателям, по необходимо-

сти первого капитального ремонта и т. п.

Выход из строя деталей и рабочих органов машин при нормальных

условиях эксплуатации происходит вследствие различных видов физиче-

ского износа: усталостных разрушений, ползучести материалов, механи-

ческого износа, коррозии, эрозии, кавитации, старения материала и др.

Современное состояние теории рабочих процессов машин, наличие об-

ширной экспериментальной техники для определения рабочих нагрузок и

высокий уровень развития прикладной теории упругости при относитель-

но хороших знаниях физических и механических свойств материалов по-

зволяют обеспечить достаточную прочность деталей машин с большой

гарантией от поломок их в нормальных условиях эксплуатации. Поэтому

наиболее распространенней причиной выхода деталей и рабочих органов

машин из строя

Отказ – событие, заключающееся в нарушении работоспособности

объекта. Для каждого объекта признаки (критерии) отказов установлены

нормативно-технической документацией.

В зависимости от причин возникновения отказа различают: конструк-

ционные отказы, возникшие в результате нарушения установленных пра-

вил конструирования; производственные отказы, причиной возникнове-

ния которых является нарушение установленного процесса изготовления

или ремонта изделия; эксплуатационные отказы, причиной возникновения

которых является нарушение установленных правил или условий экс-

плуатации машины.

По характеру возникновения различают следующие отказы:

– отказы, происходящие в первый, короткий период эксплуатации,

приработочные отказы. Их появление обусловлено дефектами изготовле-

ния и сборки и неудовлетворительным заводским контролем. У большин-

ства изделий, например, двигателей основная масса приработочных отка-

зов устраняется за период обкатки;

– отказы, вызванные износом деталей. Их появление на определенной

стадии эксплуатации неизбежно и указывает на процесс старения меха-

низма. Применительно к двигателям эти отказы можно подразделить на

отказы, связанные с износом основных деталей кривошипно-шатунного

механизма, наработка которых на отказ определяет ресурс (долговеч-

ность) двигателя, и отказами второстепенных деталей, имеющих часто

значительно меньший срок службы и не определяющих долговечность

двигателя;

– внезапные отказы, возникающие вследствие совпадения неблаго-

приятных факторов: наличия внутренних скрытых дефектов в материале,

превышения расчетных силовых и термических нагрузок и т.п. и сопро-