Взаимное проскальзывание поверхностей можно представить при рассмотрении качения шарика (рис. 5.1). Окружность АВ шарика перемещается посередине канавки, а окружность CD касается ее края. Как видно из рисунка, окружность А В проходит за один оборот шарика большее расстояние, чем окружность CD. Эта разница и обусловливает скольжение поверхностей трения.
Гистерезисные потери при трении качения поясним с помощью рис. 5.2. Ещё О. Рейнольдс заметил, что когда цилиндр из твердого материала катится по плоской поверхности резины, то при каждом обороте он проходит путь меньший, чем длина окружности цилиндра. Он предположил, что резина растягивается в точке С по-другому, чем в точках В и D в результате имеет место, как уже упоминалось, проскальзывание с соответствующим рассеиванием энергии. Из рис. 3.13 видно, что спереди под шариком в точке Е образуется углубление, а сзади в точке А деформационный материал полностью (при резине), а при металлах частично восстанавливается под действием сил упругости либо упругого гистерезиса; кроме того, вследствие необратимой пластической деформации силы реакции позади шарика меньше, чем силы давления впереди него. В результате шарик совершает работу деформации.
Рис. 5. 1. Шарик, катящийся по канавке. 2. Шарик, катящийся вправо по плоскому упругому основанию
На поверхностях тел качения, как и при их скольжении, возникают силы сцепления. Адгезионное сцепление незначительно влияет на силы трения качения (наличие граничной смазки почти не сказывается на силе трения качения), но играет большую роль в изнашивании тел качения.
Вопросы для самостоятельного изучения:
1. Молекулярно-механическая природа трения.
2. Трение металлических поверхностей при высоких температурах.
3. Оценка поведения масел при граничной смазке. Маслянистость.
4. Твёрдые смазочные материалы.
5. Явление трения при жидкостной смазке.
6. Эффект аномально низкого трения.
2. Модели триботехнических систем
Пара трения -- совокупность двух подвижно сопрягающихся поверхностей деталей (образцов) в реальных условиях службы или испытаний. Помимо материала, формы контактирующихся поверхностей, относительного их перемещения, пара трения характеризуется окружающей средой, в том числе видом смазочного материала. Пара трения образуется соприкасающимися поверхностями деталей, входящих в машинный узел.
Для характеристики макроизменений на сопряженных поверхностях целесообразно все пары трения разбить по кинематическим признакам и условиям контактирования поверхностей на семь групп.
Первая группа охватывает пары трения скольжения с осесимметричными поверхностями, находящимися в одновременном контакте по всей номинальной площади касания; осью симметрии является ось вращения одной из поверхностей при неподвижной другой. К этой группе относятся плоские и кольцевые пяты, диски и конусы фрикционных муфт и тормозов, направляющие кругового движения и другие пары. Для пар этой группы скорости скольжения всех течек, расположенных на круговой траектории произвольного радиуса, равны. Поэтому при центрально действующей осевой силе и осесимметричной жесткости сопряженных деталей распределение износа на каждой поверхности трения будет тоже осесимметричным; в частности оно может быть равномерным. Осевое сечение детали дает представление о форме изношенной поверхности.
Если вследствие неточностей монтажа или по другим причинам приложенная осевая сила эксцентрична, то давления в точках, лежащих на одной круговой траектории, уже не будут одинаковы. Износ вращающейся поверхности по-прежнему будет осесимметричным, так как любая точка круговой траектории за один оборот подвергается воздействию давлении в одинаковой последовательности. У неподвижной поверхности будет наблюдаться неравномерность износа не только в осевых сечениях, но и на круговых траекториях.
Во вторую группу входят вращательные пары, в которых Одна поверхность прения подвергается местному нагружению, а сопряженная с ней -- циркуляционному нагружению при постоянной силе. Деталями этой группы являются подшипники, цапфы и колодочные тормоза.
Местным нагружением круговой цилиндрической поверхности называют такой вид нагружения, когда радиальная нагрузка воспринимается одним и тем же ограниченным участком поверхности. Циркуляционное нагружение -- вид нагружения, когда вращающаяся цилиндрическая поверхность нагружается радиально-последовательно по всей окружности.
Рис. 6. Вращательные пары второй группы: а - циркуляционное нагружение вала и местное нагружение подшипника; б -вращающийся подшипник нагружен постоянной радиальной силой F, вал неподвижен; в - вращающийся вал нагружен постоянной центробежной силой С
На рис. 7 показано влияние макроотклонений в виде бочкообразности на форму изнашиваемых поверхностей при циркуляционной нагрузке на шейку вала. АБВ -- образующая растачивания. Начальное положение вала показано штриховыми линиями. При начальном сопряжении цилиндрической шейки с расточенным бочкообразно подшипником (рис. 7, а) вал контактирует с поверхностью подшипника только на площадках вблизи точек А и В, откуда начинается осесимметричный износ вала и местный износ подшипника. По мере износа область контакта по длине расширяется вплоть до полного контактирования по всей длине подшипника. Рабочие поверхности деталей в осевых сечениях приобретают форму А1В1-- кривых двоякой кривизны.
Рис. 7. Влияние бочкообразности одного из элементов вращательной пары на конфигурацию деталей
Рис. 8. Неподвижное положение подшипника
Рис. 9. Расположение зоны износа
Рис. 10. Расположение коррозионного износа
Рис. 11. Расположение абразивного износа
Бочкообразная шейка (рис. 7, б) начинает изнашивать подшипник с середины. Если бочкообразность мала и контакт происходит по всей длине шейки при большей деформации посередине, то изнашивание протекает по всей длине, но с большей интенсивностью посередине. Бочкообразность вала уменьшается с ростом пути трения, а подшипник в зоне нагружения приобретает вогнутость по длине. Нетрудно получить представление об эффекте, производимом перекосом осей и деформацией шейки под изгибающей нагрузкой.
В зависимости от условий трения происходит тот или иной вид изнашивания деталей, оставляя следы на материале. По виду и расположению изношенной зоны можно, как показал Н. Типей, определить механизм, вызвавший соответствующий износ. Для подшипника скольжения трение при гидродинамической смазке не должно вызывать повреждений поверхности; в состоянии покоя контакт шипа и вкладыша происходит на узкой площадке контакта (рис. 8). Износ подшипника в этом месте незначителен и возможен лишь при недостаточной вязкости масла или больших нагрузках, действующих в начале работы. Если к этому добавить корродирующее действие какого-либо агента, то изношенная поверхность приобретает гладкость и блеск. На поверхности можно заметить исчезновение легко реагирующих составляющих (например, свинца). При наличии абразива поверхность становится матовой.
Как уже упоминалось, в результате отсутствия в подшипнике смазочного материала зона износа подшипника смещается в направлении, противоположном движению. На рис. 9 показана зона износа (заштрихована) подшипника при трении без смазочного материала. Коррозия подшипника смещает место износа в сторону вращения (рис. 10). Абразивное изнашивание подшипника вызывает появление на поверхностях трения рисок. Износы велики и могут в 30 раз превосходить коррозионный износ. Зона износа находится вблизи контакта поверхностей в состоянии покоя подшипника (рис. 11).
К третьей группе относят вращательные пары с неравномерным износом по окружности обеих поверхностей трения. Разумеется, в нее входят и шарниры, т. е. вращательные пары с углом относительного качания звеньев менее 360°.
Используя векторную диаграмму нагрузки, можно построить приближенную картину распределения износа по окружности, известную под названием диаграммы износа.
Четвертая группа объединяет направляющие скольжения прямолинейного движения столов, суппортов, ползунов и аналогичного типа деталей металлорежущих станков, кузнечно-прессового оборудования, поршневых двигателей и других машин.
Четвертую группу можно разделить на две подгруппы. В первую входят пары трения с длиной хода большей, чем длина направляющих суппорта (ползуна).
Вторую подгруппу образуют пары, у которых направляющие станины имеют ограниченную длину, суппорт свешивается с них при своем движении. Номинальная площадь контакта пар непостоянна; вследствие этого, а также в связи с изменениями во взаимном положении приложенных и реактивных сил эпюра давлений переменна на участках свешивания. Если суппорт свешивается с направляющих по обе стороны, то в смысле условий изнашивания станина и суппорт меняются местами. Износ направляющих станины более равномерен при свешивании суппорта.
Пятую группу образуют цилиндры, поршни и поршневые кольца паровых машин, двигателей внутреннего сгорания и компрессоров, цилиндрические золотники, золотниковые втулки и кольца.
Цилиндры вертикальных паровых машин изнашиваются под действием сил упругости поршневых колец и давления пара. В мертвых точках давление пара наибольшее, скорость скольжения равна нулю, а вблизи мертвой точки мала. В середине хода скорость близка к максимальной, давление пара снижается. Распределение износа по длине хода поршня зависит от того, какой фактор (давление на стенку или скорость) является превалирующим в данных условиях изнашивания. При обычной точности изготовления и сборки и нормальной эксплуатации больше изнашивается средняя часть цилиндра, его рабочая поверхность принимает бочкообразную форму.
Моторесурс двигателей внутреннего сгорания определяется обычно ресурсом цилиндропоршневой группы, зависящим от износостойкости деталей этой группы. Пыль, попадающая вместе с воздухом в цилиндры, частицы нагара и продукты износа вызывают абразивное разрушение рабочих поверхностей цилиндров и поршневых колец. Давление газов в цилиндре, а, следовательно, и давление поршневых колец на стенки цилиндра имеет наибольшие значения в верхней его части, где условия смазывания неблагоприятны и поверхности трения имеют повышенную температуру. Поэтому в четырехтактных двигателях и двухтактных с прямоточной продувкой зона наибольшего износа цилиндров находится против газоуплотнительных колец в положении поршня в ВМТ, а наибольший износ -- против верхнего кольца.