Трение в составных частях машин и оборудования

Трением называется явление сопротивления относительному перемещению, возникающему между двумя телами в зонах сопри­косновения их поверхностей. В процессе трения возникает сила сопротивления относительному перемещению двух тел, называе­мая силой трения.

Преодоление силы трения на пути перемещения тел называется работой трения.

Работа трения зависит от конструкции деталей и материалов, состояния сопряжения и обуславливается видами трения. По ха­рактеру движения тел различают трение покоя и трение движения. Различают трение внешнее и внутреннее.

Внешнее трение — явление сопротивления относительному пе­ремещению, возникающее между двумя телами в зонах соприкос­новения их поверхностей по касательным к ним.

Внутреннее трение — явление сопротивления относительному перемещению частиц одного и того же тела.

По наличию относительного движения внешнее трение под­разделяется на трение покоя и трение движения.

Трение покоя — трение двух тел при микросмещении без макросмещения.

Трение движения — трение двух тел, находящихся в относи­тельном движении.

По характеру относительного движения выделяют трение скольжения, трение качения и трение качения с проскальзыванием.

Трение скольжения — трение движения, при котором скорос­ти соприкасающихся тел в точках касания различны по значению и (или) направлению.

Трение качения — трение движения, при котором скорости со­прикасающихся тел одинаковы по значению и направлению, по крайней мере в одной точке зоны контакта.

Трение качения с проскальзыванием — трение движения двух соприкасающихся тел при одновременном трении качения и скольжения в зоне контакта.

В зависимости от наличия смазочного материала различают следующие виды трения скольжения: трение без смазочного мате­риала, трение со смазочным материалом и граничное трение.

Рис. 3.Виды внешнего трения а - скольжение, б – качение, в – качение с проскальзованием.

Трение без смазочного материала (сухое трение) — трение двух тел при отсутствии на поверхности трения введенного смазок итого материала всех видов. При сухом трении сила трения воз­никает вследствие сопротивления соприкасающихся микронеровностей сопряженных поверхностей и происходящего при этом молекулярного сцепления. Например, трение между накладками и Параванами фрикционных муфт и тормозов при движении материалов на конвейерах и др.

Трение со смазочным материалом — трение двух тел при наличии на поверхностях трения введенного смазочного материала всех видов.

Граничное трение — трение двух твердых тел при наличии слоя жидкости, но не полностью их разделяющего. Например, трения в зацеплении шестерен и в шариковых подшипниках, т.е. в условия высоких удельных нагрузок.

При работе механического оборудования практически наблюдаются смешанные периодически изменяющиеся или промежуточ­ные виды трения.

По мере накопления опытных данных по трению исследователи стремились объяснить природу трения, дав ему теоретическое обоснование. Существует несколько различных гипотез и теоретических обоснований, объясняющих природу внешнего трения.

Механическая теория трения — наиболее ранняя, которая рассматривает внешнее трение как чисто механический процесс, объясняя его шероховатостью поверхности соприкасающихся тел, в результате чего при их движении относительно друг друга происходит механическое сцепление, сдвиг микронеровностей, деформация (изгиб, смятие и срез) и возникновение силы трения (рис. ).

Рис.4. Схема взаимодействия трущихся поверхностей а – механическое; б – молекулярное; в – молекулярно-механическое.

Исследования, проведенные французским физиком Кулоном I748 г., дали возможность сформулировать основные законы

механической теории трения, по которым сила трения пропорциональна нормальной силе, не зависит от размера поверхности взаимного соприкосновения трущихся тел и скорости их относи­тельного перемещения и находится в зависимости от свойств трущихся материалов и от взаимного состояния касающихся по­верхностей.

Величина силы сухого трения скольжения (при перемещении груза), учитывающая адгезионное схватывание поверхностей, подчиняется зависимости:

, (23)

где — коэффициент трения скольжения; N — нормальное давле­ние (вес груза), Н; А — сопротивление от сцепляемости или при­липания поверхностей (независящая от значения нормального давления), Н.

Однако в связи с малым значением А для грубообработанных поверхностей на практике ею пренебрегают и пользуются законом Амонтона-Кулона.

Закон сухого трения качения в первом приближении (при пе­рекатывании круглого катка) был установлен Кулоном в следую­щем виде:

, (24)

где — сила сопротивления перекатыванию, Н; R — радиус кат­ка, м; — коэффициент трения качения.

Последующие исследователи установили, что закон Амонто­на-Кулона имеет отступления, так как на величину коэффициента трения влияют и другие факторы (давление, скорость перемеще­ния и наличие на поверхности различных пленок), не предусмот­ренные этим законом.

Механическая теория не может объяснить причину резкого возрастания силы трения у очень гладких поверхностей, а также причину отсутствия непрерывного возрастания трения с увеличе­нием давления. Недостаточная убедительность механической тео­рии и развитие знаний о строении металлов послужили основой дня возникновения в начале 1900 г. молекулярной теории.

Молекулярная теория трения объясняет явления трения исходя из сил молекулярного взаимодействия, возникающих между со­прикасающимися поверхностями, вследствие чего происходит и взаимное притяжение этих поверхностей (рис. 4).

Наиболее полно развил молекулярную теорию трения советский ученый член-корреспондент АН СССР Б.В. Дерягин (1934 г.). Молекулярное воздействие влияет на процесс трения тем сильнее, чем выше чистота обработки сопряженных поверхностей, имею­щих более тесный контакт:

(25)

где — сила молекулярного трения, Н; — площадь фактичес­кою контакта, ; — удельная сила молекулярного воздействия, ; Р = — удельная сила нормального воздействия, .

Наличие между сопряженными поверхностями пленки смазоч­ного мате –риала толщиной менее 1 мкм резко снижает молекулярное взаимодействие и силу трения.

Молекулярная теория больше отвечает действительности, давая объяснения явлениям, которые механическая теория объяс­нить не в состоянии (например, увеличение силы трения у более гладких поверхностей и др.). Однако и молекулярная теория не могла дать полного объяснения возрастанию силы трения с уве­личением шероховатости соприкасаемых поверхностей; об увели­чении коэффициента трения в начале процесса и последующем уменьшении его с возрастанием скорости скольжения, а также яв­лений, возникающих при скольжении и качении трущихся повер­хностей.

Дальнейшие исследования показали, что механическая и моле­кулярная теории порознь не в состоянии объяснить некоторые явления, связанные с трением.

Молекулярно-механическая теория трения была разработана советскими учеными профессорами И.В. Крагельским и Б.Д. Дерягиным в 1946 г. (рис.5 ). Согласно этой теории, трение обус­ловлено одновременно как механическим, так и молекулярным взаимодействием трущихся поверхностей.

Рис.5. Виды фрикционного взаимодействия по И.В.Крагельскому и тепловая модель микроконтакта по А.В. Чичинадзе : I – срез материала II – пластичное оттеснение III – упругое оттеснение IV – схватывающая пленка V – схватывающая поверхность; 1 и 2 – контактирующие тела; Р – нормальная нагрузка, - скорость скольжения, и - объемные температуры тела 1 и 2.

Механическое взаимодействие происходит только на ограни­ченных микрообластях, составляющих, примерно, 0,0001—0,0002 фактической площади касания. На остальной же площади касания происходит молекулярное взаимодействие.

Сила трения определяется по формуле И.В. Крагельского:

Т = + = (26)

где — составляющая сила трения механического происхожде­ния, Н; - то же, молекулярного происхождения, Н; — фак­тическая площадь контакта, ; р — удельное давление, ; а и Р — коэффициенты, определяемые опытным путем.

Анализ предложенной гипотезы позволил сформулировать и рассмотреть три последовательных и взаимосвязанных этапа про­цесса трения, а именно:

1) взаимодействие поверхностей с учетом влияния среды (на рис. показаны пять видов фрикционного взаимодействия);

2) изменение поверхностных слоев в результате взаимодей­ствия с учетом влияния окружающей среды;

3) разрушение поверхностей (износ) вследствие двух предыду­щих этапов.

Эта первая знаменитая триада И.В. Крагельского легла в основу многих последующих моделей при решении отдельных частных за­дач. Например, она хорошо дополняется триадой А.В. Чичинадзе, которая регламентирует следующие показатели трения и износа:

- свойства материалов пары трения и окружающей среды;

- микро- и макрогеометрию контактирующих элементов и ко­эффициент взаимного перекрытия;

- режим трения по нагрузке, по скорости скольжения, по на­чальной, текущей объемной и поверхностной температуре и гра­диенту температуры по координате и времени.

Из явлений, сопровождающих трение, отметим два, оказыва­ющих наибольшее влияние на работоспособность подвижных со­пряжений различных машин и оборудоввания:

- изнашивание контактирующих деталей подвижных сопря­жений машин и оборудования;

- выделение теплоты в процессе трения.

Энергетическая теория трения, предложенная в 1952 г. советс­ким ученым А.Д. Дубининым, рассматривает природу трения не как действие на трущиеся поверхности механических и молекуляр­ных сил, а как энергетические процессы, подчиняющиеся не зако­нам взаимодействия сил, а законам превращения энергии.

Энергетическая теория трения и износа базируется на физико-химических явлениях, возникающих в процессе движения тел, и эффекты, связанные с ними, могут быть различны. Так, при дви­жении одного тела относительно другого происходит непрерыв­ное скачкообразное превращение энергии посту –пательного дви­жения тела в энергию волновых и колебательных движений части материальной системы, в результате чего возникают термоэлект­ронные, термические, акустические и другие явления. Качествен­но процесс трения ха –рактеризуется указанными физико-химичес­кими явлениями, а количественно — механическим эффектом (ко­эффициентом и силой трения, износом поверхности и др.).

Особое место занимает жидкостное трение в условиях полной смазки поверхностей деталей, теоретические основы которой впер­вые разработал в 1883 г. выдающийся русский ученый Н.П. Петров, создавший гидродинамическую теорию трения. Дальнейшие иссле­дования трения этого вида проводились отечественными учеными Н.Е. Жуковским, С.А. Чаплиным, Н.Е. Мерцаловым и др.

Гидродинамическая теория трения сводится к следующему. Процесс при жидкостном трении состоит из двух видов трений: внешнего (трение твердого тела о жидкость) и внутреннего (тре­ния тонких слоев жидкости между собой).

Сила жидкостного трения, развивающаяся в подшипнике, ра­ботающем в условиях гидродинамической смазки, определяется по силе сопротивления между слоями масла, разделяющего поверхности. Поскольку между подшипником и валом создается масля­ный клин, трение между валом и подшипником заменяется трени­ем между слоями масла. При этом допускается, что жидкость, раз­деляющая поверхности твердых тел, обладает такой липкостью, что ее слои, граничащие со смазываемыми поверхностями, оста­ются неподвижными относительно этих поверхностей.

Проф. П.П. Петров установил следующую зависимость силы жидкостного трения (Н) цапфы вала нагруженной силой Р:

(27)

где — коэффициент жидкостного трения

(28)

где v — окружная скорость цапфы, м/с; h — толщина масляного слоя между цапфой и поверхностью вкладыша, м; — коэффици­ент внутреннего трения смазки; и — коэффициенты внешне­го трения; р — среднее удельное давление, .

Рис.6. Схема образования несущей способности масляного слоя: 1 – шейка вала, 2 – подшипник (втулка), 3 – масляный клин; 0 – центр втулки, - центр шейки вала, h – толщина слоя смазки

Масляный клин (рис. 6), разъединяющий вал и подшипник в процессе движения, приподнимает вал вследствие того, что в ниж­ней (более тонкой) части масляного клина давление резко возрас­тает. Вал устанавливается концентрично по отношению к внут­ренней поверхности подшипника и происходит полное разделение трущихся поверхностей.

Жидкостное трение имеет место, когда толщина слоя смазки в узком месте зазора h больше высоты неровностей приработанных поверхностей вала и подшипника , остающихся после меха­нической обработки, т.е. при h > + .

Из гидродинамической теории смазки жидкостное трение про­исходит при соблюдении соотношения между толщиной слоя смазки , м, и рядом показателей, характеризующих вязкость смазки, а также некоторых конструктивных размеров сопряжен­ных деталей:

(29)

где n — частота вращения вала, об/с; — абсолютная вязкость, ; d — диаметр шейки вала, м; р — удельная нагрузка на вал, ; s — зазор (разность диаметра подшипника и шейки вала), м; С — коэффициент длины подшипника,

(30)

где — длина подшипника, м.

При соблюдении данной закономерности детали будут работать в условиях жидкостного трения и изнашивание при установившихся режимах работы сопряженных деталей практически отсутствует.

В процессе работы машины (особенно при пусковых режимах) эта зависимость нарушается, и тогда жидкостное трение заменя­ется граничным или сухим, в результате чего происходит износ поверхностей деталей.

Нарушение зависимости, приведенной в формуле проф. Н.П. Петрова, характерно для машин с циклическим режимом работы (камнедробилки, экскаваторы, двигатели внутреннего сгорания и др.), а также при запуске машин после длительной остановки.