1. Виды трения в узлах машин
Виды трения: По характеру относительного движения различают трение скольжения и трение качения. Иногда оба вида трения проявляются совместно, когда качение сопровождается проскальзыванием, например, в зубчатых и зубчато-винтовых передачах или между колесами и рельсами.
В зависимости от наличия смазочного материала различают следующие виды трения: трение без смазочного материала и трение со смазочным материалом.
1.1 Трение без смазочного материала
Трение без смазочного материала и при отсутствии загрязнений между трущимися поверхностями бывает в тормозах, фрикционных передачах, а также в узлах машин, работающих в условиях высоких температур, когда любой смазочный материал не пригоден.
Статическая сила трения в зависимости от продолжительности неподвижного контакта возрастает до некоторого предела.
Сила трения движения зависит от скорости скольжения поверхностей, причем соответственно давлению и твердости сопряженных тел коэффициент трения может монотонно возрастать, убывать, переходить через максимум или минимум.
Трение без смазочного материала сопровождается скачкообразным скольжением поверхностей, с чем связаны, например, вибрация автомобиля при включении сцепления, "дергание" при торможении, "визг" тормозов, вибрация резцов при резании и нарушение плавности работы медленно движущихся деталей. Можно указать некоторые мероприятия борьбы со "скачками" при трении -- увеличение жесткости системы, повышение скорости скольжения, подбор пар трения, для которых коэффициент трения незначительно возрастает с ростом продолжительности неподвижного контакта и при повышении скорости через минимум не проходит.
Пленки окислов, влага и загрязнения на металлических поверхностях влияют на коэффициент трения двояко. Силы молекулярного притяжения между ними могут быть в сотни раз меньше, чем в случае взаимодействия металла на чистом контакте. Кроме того, прочность окислов обычно меньше прочности основного металла, поэтому сопротивление "пропахиванию" и срезанию частиц при перемещении, наряду с силами молекулярного взаимодействия, значительно понижается, и коэффициент трения падает. Толстые пленки окислов обладают меньшей твердостью, и наличие их приводит к повышению площади фактического контакта, причем, если это возрастание будет протекать быстрее, чем уменьшение механической составляющей силы трения, то произойдет увеличение силы трения.
1.2 Трение при граничной смазке
При граничной смазке поверхности сопряженных тел разделены слоем смазочного материала весьма малой толщины (от толщины одной молекулы до 0,1 мкм). Наличие граничного слоя или граничной пленки снижает силы трения по сравнению с трением без смазочного материала в 2... 10 раз и уменьшает износ сопряженных поверхностей в сотни раз.
а) б)
Рис.1. Схемы скольжения тел при граничной смазке: а -- смазка идеальных поверхностей; б -- контактирование реальных поверхностей; А -- участки, воспринимающие нагрузку; Б -- участки непосредственного контактирования или контактирования при твердых пленках
Все масла способны адсорбироваться на металлической поверхности.
Молекулы смазочного материала ориентируются перпендикулярно к твердой поверхности (стоймя), что позволяет представить для наглядности граничную планку в виде ворса (рис. 1). При взаимном перемещении поверхностей трения "ворсинки" как бы изгибаются в противоположные стороны. На самом же деле происходит сдвиг с перекосом квазикристаллической структуры пленки. Сопротивление ее скольжению в таком состоянии несколько повышено. На восстановление ориентации молекул в прежнее положение перпендикулярно поверхности тел требуется некоторый промежуток времени, иногда относительно большой.
Смазочный материал в граничном слое анизотропен, в тангенциальном направлении молекулярные слои легко изгибаются и при толщине слоя больше некоторой критической величины скользят друг по другу; по нормали к твердой поверхности пленка обладает высоким сопротивлением сжатию; ее несущая способность исчисляется десятками тысяч килограммов на 1 см2.
Деформация сжатия пленки в довольно высоком интервале не выходит за пределы упругости.
Механизм трения при граничной смазке представляется в следующем виде. Под нагрузкой протекает упругая и пластическая деформации на площадках контакта, под которыми здесь следует понимать площадки наиболее близкого прилегания поверхностей, покрытых граничной пленкой смазочного материала, вплоть до мономолекулярного слоя. На площадках контакта может произойти взаимное внедрение поверхностей без нарушения целостности смазочной пленки.
Сопротивление движению при скольжении складывается из сопротивления сдвигу граничного слоя и сопротивления "пропахиванию" поверхностей внедрившимися объемами. Кроме того, на площадках контакта, подвергнутых наиболее значительной пластической деформации, и в пунктах с высокими местными температурами может произойти разрушение смазочной пленки с наступлением адгезии обнажившихся поверхностей и даже схватывание металлов на микроучастках Б (см. рис.1). Это вызывает дополнительное сопротивление движению.
Благодаря подвижности молекул смазочного материала на поверхности трения адсорбция протекает с большой скоростью, что сообщает смазочной пленке свойство "самозалечиваться" при местных ее повреждениях. Эта способность играет большую роль в предупреждении лавинного процесса схватывания.
Невозобновляемая граничная пленка по мере возрастания пути трения изнашивается, масло из пленки адсорбируется на продукты износа и уносится с поверхности трения; происходит сублимация пленки как твердого тела и удаление масла в атмосферу. Окисление пленки способствует дезориентации структуры и разрушению ее.
При трении с граничной смазкой износ деталей машин велик. В силу волнистости и шероховатости поверхностей их контактирование происходит на очень малых участках трения; контактные давления имеют высокие значения, и тонкая граничная пленка масла не предохраняет поверхности от пластической деформации, что неизбежно ведет к износу деталей. Это является непреодолимым недостатком граничной смазки.
1.3 Жидкостная, вязкопластическая и контактно-гидродинамическая смазка
Жидкостная смазка характеризуется тем, что трущиеся поверхности разделены слоем жидкого смазочного материала (масла), находящегося под давлением. Давление смазочного материала уравновешивает внешнюю нагрузку. Слой смазочного материала называют несущим слоем. При увеличении его толщины, более толщины граничной пленки, уменьшается степень влияния твердой поверхности на далеко отстоящие от нее молекулы масла. Слои, находящиеся на расстоянии более 0,5 мкм от поверхности, приобретают возможность свободно перемещаться один относительно другого. При жидкостной смазке сопротивление движению определяется внутренним трением (вязкостью) жидкости и складывается из сопротивления скольжению слоев масла по толщине смазочной прослойки.
Этот режим трения со свойственными ему весьма малыми коэффициентами трения является оптимальным для узла трения с точки зрения потерь энергии, долговечности и износостойкости. Сила трения при жидкостной смазке не зависит от природы сопрягаемых поверхностей.
Рис. 2. Схематический разрез металлической поверхности и слоя жидкого смазочного материала: 1-- исходная структура металла; 2 -- кристаллы, деформированные в направлении обработки; 3 -- раздробленные размазанные кристаллы, окислы и адсорбированное масло; 4 -- адсорбированный монослой масла; 5 -- граничный слой масла; б -- зона микротурбулентности; 7 -- ламинарный поток
Пластичные смазочные материалы, как и жидкие, могут обеспечить режим трения, исключающий непосредственный контакт поверхностей и их взаимное внедрение. В отличие от масел, являющихся вязкими жидкостями, пластичные смазочные материалы обладают вязкопластическими свойствами. Поэтому поток такого материала имеет свои особенности.
В нем имеются зоны, в которых отсутствует послойное скольжение, течение в них происходит как в идеальной пластичной среде; вне этих зон течение вязкое. Возможно, также скольжение смазочного материала относительно стенок подшипника.
При качении цилиндра по плоскости (рис. 3.1) в зонах / и III градиент скорости по высоте отличен от нуля и течение вязкое. В зоне // касательное напряжение меньше предельного напряжения сдвига, взаимное послойное перемещение в каждом сечении этой зоны отсутствует, и поток подобен течению пластического тела.
При качении или при качении со скольжением масло втягивается в зону контакта движущимися поверхностями. При некоторых условиях, аналогичных условиям возникновения гидродинамической смазки между скользящими поверхностями, в масляном слое образуется подъемная сила. Вследствие малой протяженности зоны контакта и больших давлений в ней масляный слой имеет толщину того же порядка, что и местные деформации контактирующихся тел. Эти деформации влияют на конфигурацию зазора. Задача о распределении давления в слое смазочного материала в зоне контакта упругих тел является контактно-гидродинамической.
трение смазочный триботехнический
Рис. 3. 1. Эпюра распределения скоростей в вязкопластичном потоке при качении цилиндра по плоскости: х1, х2 -- координаты концов смазочной прослойки. 2. Форма зазора между контактирующими при качении цилиндрами и ориентировочный график распределения в нем давления масла: 1 - контактирующие поверхности; 2 -- масло, 3 -- график давления масла; 4 -- эллипс распределения давления по Герцу для несмазываемых поверхностей
На рис. 3.2 представлена примерная форма зазора и ориентировочный график давления для катящихся друг по другу под нагрузкой цилиндров при наличии между ними разделяющего масляного слоя. Точка А - начало контакта на площадке касания несмазанных цилиндров. Перед контактом в масляном клине возникает давление, которое постепенно повышается и в некоторой области контакта распределяется, как и при трении без смазочного материала. В точке В, лежащей в задней половине контакта, зазор сужается и возникает пик давления. Место расположения пика зависит от нагрузки, вязкости масла, скорости качения и др.
При малой толщине смазочного слоя, не полностью разделяющего контактирующие поверхности, трение зависит от тех же факторов, что и при жидкостной смазке и от свойств материалов.
1.4 Трение при полужидкостной смазке
Такое трение имеет место при наличии одновременно жидкостной и граничной смазки. Нормальная нагрузка в случае трения при полужидкостной смазке уравновешивается нормальной составляющей сил взаимодействия поверхностей на площадках их контакта и силами гидродинамического давления в смазочном слое. Относительная доля каждой реакции зависит от нагрузки, скорости взаимного перемещения поверхностей, шероховатости, жесткости и макрогеометрии, количества и вязкости смазочного материала. Сила трения складывается из касательной составляющей сил взаимодействия поверхностей и сопротивления вязкому сдвигу.
Гидродинамическое действие жидкости может возникнуть в двух случаях. Во-первых, если макрогеометрия соприкасающихся поверхностей такова, что существует сужающийся зазор, в который масло может заклиниться при трении, то при подаче масла в достаточном количестве и при подходящих параметрах режима трения возникнет поток и образуется подъемная сила. Однако эта сила недостаточна для полного восприятия нагрузки при полужидкостной смазке. Поток жидкости обтекает участки взаимного контакта поверхностей.
Рис. 4. Схема элементарного гидродинамического клина, образованного неровностями трущихся поверхностей: а --длина элементарного масляного клина; h --начальный зазор между поверхностями в вершине элементарного клина
Во-вторых, если неровности между площадками контакта образуют в направлении относительного перемещения деталей места сужения и расширения по высоте. При достаточном количестве масла между поверхностями трения для заполнения микрополостей сужения играют роль гидродинамических микроклиньев (рис. 4).
Гидродинамическое действие масла на микроклиньях проявляется уже при самой малой скорости скольжения.
Преимущество смазочных масел перед твердыми смазочными материалами заключается в том, что они могут не только создавать гидродинамический эффект при соответствующих условиях, но и служить для охлаждения узла трения.
1.5 Трение качения
Сила трения качения по крайней мере в 10 раз меньше силы трения скольжения.
Сопротивление качению объясняется деформационными потерями в нижележащем твердом теле. При отсутствии пластической деформации трение обусловлено гистерезисными потерями в твердом теле.