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

Подождите немного. Документ загружается.

191

Рисунок 6.2 –Зависимость интенсивности изнашивания от удельной

нагрузки для порошковых бронз:

1 – 4% неметаллизированного графита; 2 – 4% омедненного графита;

3 – по 5% омедненных порошков стекла и оксида алюминия

Пластмассы в качестве антифрикционных материалов применяют

благодаря их преимуществам: невысокий коэффициент трения, хорошая

прирабатываемость, высокая коррозийная стойкость, бесшумность в ра-

боте и т.п. Однако наряду с этим пластмассы имеют и отрицательные ка-

чества: низкую теплопроводимость, набухаемость в жидкостях, высокую

податливоть, старение.

Наибольшее применение из пластмасс в узлах трения находят: поли-

амиды (хорошо работают в паре с закаленной сталью, удельной нагрузки

не выше 5 МПа), винипласт и полиэтилен(применимы для небольших на-

грузок), фотопласт-4 (широко применяется в химическом машинострое-

нии из-за высокой интенсивности практически по всем жидкостям и га-

зам), армированные нейлоны и поликарбонаты, текстолиты и композиции

на основе эпоксидных смол.

Для работы без смазки в широком диапазоне температур разработан и

широко применяется металлопластмассовый ленточный материал, со-

стоящий из стальной ленты- (подложки), на которую напекается бронзо-

вый сферический порошок с последующей пропиткой пористого бронзо-

вого слоя фторопластом.

Для работы при высоких температурах используют тугоплавкие ме-

таллы, специальные и твердые сплавы, керамические материалы с различ-

ными смазочными материалами (графит, дисульфид молибдена, оксиды

свинца и бора).

192

6.4 Критерии работоспособности материалов в парах трения

Проверку правильности выбора материалов пар трения скольжения

при заданных или принятых сопрягаемых размерах деталей и определение

этих размеров при проектном расчете производят по некоторым критери-

ям. Наиболее простой способ проверки заключается в расчете по средне-

му давлению р.

Способ пригоден для пар трения, работающих с малыми скоростями

скольжения при невысоких температурах окружающей среды, и имеет

целью обезопасить сочленение от возможного заедания. Для шарнирно-

болтовых соединений предельные значения удельных нагрузок (МПа)

приблизительно могут быть приняты: для закаленной стали по стали – до

15, закаленной стали по баббиту – 9, закаленной стали по бронзе – 8, зака-

ленной стали по чугуну – 6, незакаленной стали по баббиту – 6, незака-

ленной стали по бронзе – 5.

Если режим трения пары определяется не только давлением, но и ско-

ростью скольжения v, то применяют принятый в конструкторской практи-

ке расчет по величине pv. Идея метода состоит в следующем: если f – ко-

эффициент трения скольжения, то fpv представляет собой удельную мощ-

ность трения. Поскольку надежная работа подшипника, тормоза или дру-

гого узла возможна лишь при теплонапряженности, не превышающей оп-

ределенную величину для данной конструкции и условий ее эксплуата-

ции, то условие надежности подшипника по теплонапряженности можно

записать: fpv ≤ A, где А – предельное количество теплоты в механических

единицах, которое может отводиться с единицы площади диаметральной

проекции подшипника в единицу времени. Приняв f постоянным, полу-

чим это условие в виде рv = const.

Хотя допустимое значение параметра рv подбирают при этом в зави-

симости от скорости скольжения, способа теплоотвода, характера дейст-

вия нагрузки и других условий, однако использование этого произведения

как показателя работоспособности не всегда оправдано. Эта теория расче-

та принимает коэффициент трения постоянным и не учитывает роли отно-

сительного диаметрального зазора в подшипнике, отношения длины шипа

к его диаметру и влияние вязкости смазочного материала. Тем не менее,

если подшипник или другая пара работает при граничной смазке, то рас-

чет по рv является оправданным, поскольку этот параметр косвенно ха-

рактеризует температуру поверхности трения, которая в явном виде не

входит в число заданных при расчете величин. Дополнительно следует

лимитировать [р]. В инженерной практике оба расчетных критерия [р] и

[pv] часто используют совместно.

193

6.5 Некоторые правила выбора материалов для пар трения

Подбор наиболее подходящих материалов для пар трения скольжения

можно в каждом отдельном случае сделать только на основании тщатель-

ного сопоставления условий работы трущихся деталей, исходных свойств

материалов и тех изменений, какие они претерпевают на поверхностях

трения, а также при учете других обстоятельств. Сформулируем некото-

рые правила подбора материалов.

1 Сочетать твердый материал с мягким, имеющим температуру рекри-

сталлизации ниже средней температуры поверхности трения при работе.

При таком сочетании металлы хорошо противостоят заеданию и характе-

ризуются высокой надежностью. Хорошие результаты дают, пары хром –

резина при смазывании минеральным маслом и водой и хром – бронза при

использовании пластичных смазочных материалов.

2 Сочетать твердый металл с твердым (сочетание пар из азотирован-

ной, хромированной и закаленных сталей). Такие пары трения обладают

высокой износостойкостью вследствие малого взаимного внедрения их

поверхностей. Нанесение приработочных покрытий повышает надежность

пар в наиболее опасный период работы – во время приработки. Примене-

ние этих пар ограничивается скоростями скольжения. Высокая точность

изготовления и сборки, значительная жесткость' конструкции, тщательная

приработка, улучшение условий смазывания значительно расширяют об-

ласть применения пар трения из твердых материалов.

3 Избегать сочетаний мягкого материала с мягким, а также пар из од-

ноименных материалов (незакаленная сталь по незакаленной стали, алю-

миниевый сплав по алюминиевому, медный сплав по алюминиевому,

хром по хрому, никель по никелю, пластмасса по пластмассе), за исклю-

чением пар из политетрафторэтилена и полиэтилена. Подобные пары

имеют низкую износостойкость и ненадежны в работе. При незначитель-

ных перегрузках в парах образуются очаги схватывания и происходит

глубинное вырывание материалов с взаимным их налипанием на поверх-

ности трения.

4 Применять в труднодоступных для смазывания конструкциях по-

ристые, порошковые материалы и антифрикционные сплавы.

5 Применять в качестве фрикционных и антифрикционных материа-

лов пластические массы. В ряде случаев они повышают надежность и

срок службы узла трения, снижают массу конструкции и расход дефицит-

ных цветных металлов, уменьшают вибрации и улучшают акустические

свойства машин.

6 Стремиться путем выбора материалов пары трения, смазочных ма-

териалов и присадок к ним создавать при работе пары условия реализации

режима избирательного переноса.

194

7 Учитывать возможность при эксплуатации наводороживания по-

верхностей трения, что резко снижает износостойкость и надежность ра-

боты узла трения. Применять материалы, трудно поддающиеся наводоро-

живанию.

8 Стальные детали узлов трения при окончательной доводке их по-

верхности подвергать финишной антифрикционной обработке.(методы

ФАБО, КАУО).

6.6 Принцип взаимного дополнения качеств

Применение материала, который полностью отвечал бы условиям ра-

боты пар трения является сложной задачей. Это вызвано тем что боль-

шинство деталей работают в условиях сложно напряженного нагружения.

Они одновременно испытывают высокие динамические нагрузки и под-

вержены изнашиванию, должны обладать высокой прочностью и твердо-

стью, значительными пластичностью и ударной вязкостью.

Для удовлетворения этим условиям во многих случаях экономически

целесообразно применять так называемый принцип взаимного дополне-

ния качеств. Сущность его можно показать на следующих примерах.

При изготовлении деталей часто применяют конструкционную угле-

родистую или легированную сталь с последующей ее цементацией и за-

калкой. В результате такой обработки изделие становится неоднородным

по своему строению, имеет вязкую сердцевину и твердый износостойкий,

но мало пластичный поверхностный слой. Здесь качества сердцевины и

поверхностного слоя дополняют друг друга, образуя необходимое по ус-

ловиям работы деталей сочетание свойств.

Конструкционная углеродистая сталь, имея высокие показатели меха-

нических свойств (прочность, пластичность, твердость и т.п.), не обладает

во многих случаях удовлетворительным их сочетанием. Однако углероди-

стая сталь легко выплавляется, хорошо обрабатывается и имеет сравни-

тельно невысокую стоимость. Использование такой стали перспективно.

В то же время физико-механические, химические свойства деталей из низ-

коуглеродистой стали можно повысить в десятки раз алитированием, коррози-

онную стойкость при эксплуатации в промышленной атмосфере и пресной

воде – азотированием. Для предупреждения коррозии вала в воде не обязатель-

но изготовлять его из коррозионно-стойкой стали, можно применить бронзо-

вую облицовку, сквозную или только на протяжении шеек, и защитное покры-

тие между ними, выполнив вал из углеродистой стали.

Чугун благодаря его относительно высокой механической прочности,

хорошим литейным качествам и другим положительным свойствам явля-

ется ценным конструкционным материалом. Однако во многих случаях по

195

соображениям технологичности конструкции либо исходя из особых ус-

ловий работы деталей используют монолитную конструкцию из чугуна в

сочетании с другими материалами. Так, в сельскохозяйственных машинах

применялись колеса с литой чугунной ступицей, в которую залиты одним

концом стальные спицы, расклепанные другим концом в стальном ободе.

Применяются диафрагмы паровых турбин и надувочных устройств двига-

телей внутреннего сгорания из чугунных полуколец или колец с залитыми

стальными штампованными или механически обработанными лопатками

точного профиля. Тормозную вагонную колодку изготовляют из серого

перлитного чугуна с отбеленной рабочей поверхностью или собирают из

вставок из белого чугуна и залитой стальной спинки-каркаса.

Последний служит для увеличения прочности и предупреждения рас-

членения колодки на отдельные части в случае ее разрушения. На некото-

рых автомобилях тормозные барабаны имеют обод из листовой стали,

залитый изнутри чугуном, образующим рабочую поверхность. В некото-

рых тормозах для улучшения теплоотвода применяют биметаллические

барабаны (алюминий – чугун).

В приведенных примерах детали неоднородны по сечению, что обу-

словлено применением разнородных материалов, взаимно дополняющих

по своим свойствам друг друга. Эту неоднородность называют – макро-

скопической в отличие от микроскопической, присущей большинству

материалов в изделиях. Микроскопическая неоднородность по сечению

деталей возникает, например, при термохимической обработке. Она имеет

несколько сглаженный характер в связи с наличием ясно выраженных

переходных зон от сердцевины к поверхности.

Принцип взаимного дополнения качества используется также при получе-

нии комбинированных (композитных) материалов из нескольких компонентов,

сохраняющих свои особенности, но в совокупности образующих новые мате-

риалы, отличные по свойствам от исходных компонентов.

Способы реализации целевой макроскопической неоднородности из-

делий следующие:

1) термохимическая обработка;

2) облицовка поверхностей;

3) применение накладок и вставок;

4) биметаллизация.

6.7 Использование принципа плавающих деталей

В узлах трения скольжения эти детали встречаются в виде плавающих

пальцев, плавающих втулок и шайб. Поясним примерами.

196

Сочленение поршневого пальца с шатуном производят: закреплением

пальца в бобышках поршня или в шатунной головке; установкой пальца с

возможным поворотом как в бобышках поршня, так и в шатунной голов-

ке. Палец такой конструкции называется плавающим. При работе меха-

низма плавающий палец под действием сил трения со стороны шатуна

поворачивается. Угловое перемещение шатуна слагается из углового пе-

ремещения относительно пальца и поворота пальца в бобышках, поэтому

скорость пальца в каждом из этих перемещений примерно вдвое меньше,

чем при закрепленном пальце. Во столько же раз уменьшается и тепловы-

деление в каждом из сопряжений пальца. Снижается скорость изнашива-

ния пальца и вкладышей, а износ поверхности пальца распределяется рав-

номерно. Однако наиболее важным преимуществом плавающего пальца

является высокая надежность узла: палец, заевший в шатуне, может вме-

сте с ним качаться в бобышках поршня, а палец, заевший в бобышках, не

препятствует качанию шатуна. Чтобы плавающий палец не вызывал мест-

ного износа или задира зеркала цилиндра, свободу его осевого перемеще-

ния ограничивают заглушками или упорными пружинными кольцами,

вставляемыми в проточки бобышек. Если поршень выполнен из чугуна,

то, как правило, предусматривают бронзовые вкладыши, запрессовывае-

мые в бобышки.

Известны конструкции быстроходных опор из набора плавающих че-

редующихся бронзовых и стальных втулок или только стальных втулок,

покрытых с обеих сторон баббитом. При конструировании подобных опор

руководствовались следующим.

Количество выделяющейся в гидродинамическом подшипнике тепло-

ты прямо пропорционально квадрату угловой скорости вала. При пла-

вающих втулках снижается угловая скорость, и если даже принять, что

суммарное тепловыделение будет примерно таким же, как и в обычном

подшипнике, то и тогда в каждом масляном зазоре тепловыделение будет

меньше, и условия работы будут способствовать большей надежности.

При подводе масла с торца подшипника увеличивается скорость циркуля-

ции масла, поскольку течение его в этом случае происходит по несколь-

ким параллельным путям. Это способствует лучшему отводу теплоты.

Имеются конструкции упорных подшипников с плавающими упор-

ными шайбами.

Плавающие элементы в узлах машин предусматриваются также для

компенсации тепловых деформации. Например, если подшипники каче-

ния закрепить жестко на валу и в корпусе, то удлинение вала при повы-

шении температуры узла в процессе его работы вызовет уменьшение осе-

вого зазора в подшипниках и последующее защемление тел качения меж-

ду кольцами, что снизит долговечность подшипников. Такая угроза уст-

раняется применением плавающих опор. В этом случае только один под-

197

шипник жестко закрепляют на валу и в корпусе, фиксируя вал вдоль оси,

другие же подшипники устанавливают в корпус, расточенный по калибру

С, так, что при жестком закреплении на валу они могут свободно переме-

щаться (плавать) в осевом направлении. При двух опорах в качестве пла-

вающей выбирают наименее нагруженную, чтобы легче реализовать

принцип плавания. В многоопорном вале следует жестко закреплять в

корпусе наиболее нагруженную опору.

6.8 Замена внешнего трения внутренним трением упругого элемента

Кинематические пары с жесткими звеньями для относительно не-

больших линейных, угловых или совместных перемещений в ряде случаев

могут быть заменены неподвижными соединениями с промежуточным

элементом высокой упругости, что имеет ряд преимуществ. Взаимное

смещение звеньев в процессе их работы достигается за счет деформации

специальной эластичной детали; при этом внешнее трение скольжения

или качения заменяется внутренним трением упругого элемента из рези-

ны. Это соединение выполняется в виде резинометаллического шарнира.

Крепление резины к металлам осуществляется вулканизацией сопри-

касающейся с металлом резиновой смеси, склеиванием или сцеплением

путем предварительного сжатия резины при монтаже металлических по-

верхностей шарнира. Резина легко вулканизуется к стали, чугуну, латуни

и алюминиевым сплавам.

Наиболее прочно резина скрепляется с латунями определенного со-

става. Некоторые ингредиенты резины или клея для ее крепления могут

вызвать корродирование стали и чугуна, поэтому одним из наиболее рас-

пространенных способов крепления резины является вулканизация смеси

в контакте с латунированной поверхностью металлической арматуры.

По способу изготовления различают шарниры, вулканизованные в

сборе, закатанные и сборные. Закатанные шарниры встречаются только в

виде резинометаллических.

Резинометаллические шарниры нашли применение в узлах подвески

автомобилей и тракторов, в мягких карданах, в гусеницах тягачей, сочле-

нениях вагонных и локомотивных рам с их поворотными тележками и т.п.

По сравнению с обычными резинометаллические шарниры имеют сле-

дующие преимущества:

– отсутствует изнашивание от внешнего трения, что исключает абра-

зивное изнашивание деталей;

– отпадает необходимость в смазывании и установке уплотняющих

устройств;

– упрощается обслуживание;

198

– уменьшается масса;

– в узлах подвески амортизируются удары, что способствует бесшум-

ности хода;

– в упругих карданах помимо смягчения ударов при резком увеличе-

нии крутящего момента происходит гашение вибраций и демпфирование

крутильных колебаний.

Отсутствие смазочного материала в шарнирах имеет особое значение

для машин пищевой и текстильной промышленности.

6.9 Замена трения скольжения трением качения

Такая замена во многих случаях целесообразна для повышения долго-

вечности деталей, надежности их работы и экономичности машин. Каж-

дому виду опор скольжения или качения свойственны как положитель-

ные, так и отрицательные стороны. Подшипники качения имеют следую-

щие преимущества.

1 Малые потери на трение по сравнению с потерями у подшипников

скольжения, работающих при граничной смазке или даже при жидкостной

смазке. Применение подшипников качения, как правило, повышает КПД

машины и силовой установки.

Коэффициент трения подшипника качения сравнительно мало изме-

няется в большом диапазоне, нагрузок и окружных скоростей. Статиче-

ский момент подшипника лишь на (30…50)% превышает момент трения

при установившемся движении, в то время как в подшипниках скольже-

ния это превышение достигает 15 раз и более. В связи с этим особенно

важна установка опор качения в узлах машин, работающих с частыми

пусками и остановками.

Малый момент трения в шарикоподшипниковых узлах позволяет су-

жать зону нечувствительности приборов.

2 Экономия большого количества цветных металлов – меди, олова, свинца,

расходуемых на изготовление вкладышей подшипников скольжения.

3 Малый расход смазочных материалов.

4 Отсутствие необходимости в принудительном охлаждении.

5 Упрощение обслуживания.

6 Исключение изнашивания шеек валов при правильно назначенных

посадках.

7 Высокая степень стандартизации и комплектная поставка шарико- и

роликоподшипников упрощает конструирование подшипниковых узлов и

монтаж машины.

8 Снижение стоимости машин.

199

9 Возможность восприятия осевых нагрузок, действующих на шпин-

дель металлорежущего станка, преимущественно при использовании

упорных подшипников качения.

Недостатки подшипников качения следующие.

1 Пониженная долговечность при высоких окружных скоростях и ди-

намических нагрузках. Подшипники выходят из строя главным образом

вследствие выкрашивания тел качения и поверхностей качения колец.

Между тем подшипники скольжения при жидкостной смазке в соответст-

вующих условиях могут работать неограниченно долго. Поэтому в маши-

нах, предназначенных для длительной работы в режиме высоких скоро-

стей, используют гидродинамические подшипники скольжения.

2 Большие диаметральные размеры при меньшей длине, чем у под-

шипников скольжения. Иногда это является существенным недостатком.

Так, при заданном расстоянии между валками прокатных станов приме-

нение шарикоподшипников требует уменьшения диаметра шеек валков, а

это ограничивает допустимые усилия при прокатке. Установка шарико- и

роликоподшипников в нижней шатунной головке двигателей внутреннего

сгорания значительно увеличивает ее габариты и массу, что приводит к

росту не только инерционных нагрузок, но и габаритов картера.

Игольчатые подшипники имеют меньшие наружные диаметры, чем

любые другие подшипники качения равного внутреннего диаметра.

Игольчатые подшипники не могут воспринимать осевую нагрузку, при

низких окружных скоростях они выдерживают высокие радиальные на-

грузки. При малых нагрузках и отсутствии толчков они могут удовлетво-

рительно работать при частоте вращения до 60000 об/мин. Следует, одна-

ко, учитывать, что во время работы иглы не только катятся, но и скользят,

отчего игольчатые подшипники нагреваются сильнее шариковых. Пред-

почтительно устанавливать их на медленно вращающихся и тяжелона-

груженых осях. Область их применения: поршневые пальцы и опоры рас-

пределительных валов двигателей внутреннего сгорания, пальцы прицеп-

ных шатунов, оси коромысел, поворотные цапфы автомобильных колес,

оси холостых колес шкивов, натяжных и направляющих роликов и звез-

дочек, промежуточных зубчатых колес, сателлитов, крестовины карданов,

втулки рессор и т.п.

3 Неудовлетворительная работа в условиях вибрационной нагрузки, а

также при движении с малыми углами поворота. В этих случаях на до-

рожках качения образуются углубления, напоминающие отпечатки шари-

ка при испытании на твердость по Бринеллю. Это явление названо бри-

неллированием. Впервые оно было обнаружено в подшипниках автомо-

билей после длительной их перевозки по железной дороге.

Случаи бринеллирования опор качения отмечаются при вибрациях

корпуса судна или фундаментов механизмов, расположенных вблизи

200

опор. В карданных передачах с карданными шарнирами, работающими

при углах взаимного смещения вилок менее 1 , карданный шарнир быстро

выходит из строя вследствие бринеллирования. В этих случаях следует

увеличивать угол смещения. В некоторых случаях бринеллирование вы-

зывает необходимость замены подшипников качения на подшипники

скольжения.

4 Большой шум при работе.

5 Большая чувствительность к запыленности абразивом и к загрязне-

нию смазочного масла, чем у подшипников скольжения.

Разрушение тел качения подшипника связано с возникновением под-

поверхностных трещин в местах максимальных касательных напряжений,

что характерно для усталостного изнашивания.

Другими причинами разрушения тел качения являются относительно

высокая шероховатость их поверхности и воздействие частиц загрязнений

в масле. В последнем случае большое значение имеет размер этих частиц.

Так, при уменьшении их размера от 40 до 3 мкм долговечность подшип-

ника может снизиться в 7 раз. Более крупные частицы загрязнений не

входят в контакт, а более мелкие не вызывают повреждений поверхности

тела качения.

6 Недостаточная коррозионная и тепловая стойкость.

7 Значительно меньшая грузоподъемность и долговечность упорных

подшипников качения по сравнению с подшипниками скольжения.

8 Трудности в изготовлении подшипников в случаях, когда для удоб-

ства монтажа либо ввиду особенностей конструкции вала требуются разъ-

емные опоры. Например, при ремонте тракторных двигателей устанавли-

вали на шатунные шейки роликовые, преимущественно игольчатые, под-

шипники с кольцами, имевшие шевронные разъемы.

Положительные качества подшипников качения позволяют расши-

рить область их применения путем дальнейшего совершенствования кон-

струкции подшипников и узлов машин и технологии сборки. В некоторых

случаях поверхности трения можно разгрузить внеся изменения в конст-

рукцию машины, направленное на снижение действующих усилий, или

уменьшив нагрузку, воспринимаемую непосредственно контактирующи-

ми деталями простейший пример такой разгрузки – шевронная передача, в

которой осевые усилия с полушевронов не передаются на валы и опоры.

Другим примером является двухколодочный тормоз, разгружающий валы

и подшипники от радиальных сил.