Основы триботехники

9.1 Общие сведения

Триботехника — научная дисциплина о контактном взаимодействии твердых тел при их относительном движении, изучающая вопросы их трения, изнашивания и смазывания.

Соприкасающиеся поверхности взаимно перемещающихся тел составляют пару трения. Узлы машин, содержащие па­ры трения, называют узлами трения. Величина трения в уз­ле зависит от многих факторов: геометрии поверхностей тре­ния, сочетания материалов, условий смазывания, конструк­ции узла и режима его работы.

Отрицательное влияние трения проявляется в виде потерь энергии и изнашивания деталей. В промышленности на пре­одоление сопротивления, создаваемого трением в подвижных соединениях, затрачивается около половины потребляемой энергии. Изнашивание приводит к изменению размеров, фор­мы и состояния поверхностей деталей, а в итоге — к потере их работоспособности.

Нежелательные проявления трения сглаживаются и ком­пенсируются смазыванием поверхностей трения. Смазка — это введение смазочного материала между поверхностями для уменьшения силы трения и/или интенсивности изнашивания.

Понятия «трение», «смазка» и «изнашивание» связаны не­разрывно и зависят от состояния поверхностей. Поверхность реального твердого тела имеет отклонение от идеальной гео­метрической формы. Это макроотклонения формы, например в виде неплоскостности или нецилиндричности, являющиеся следствием неточности обработки. Это шероховатость в виде неровностей высотой от 0,05 до 500 мкм с углом наклона до 10°, зависящая от способа и режима обработки. Выступы ше­роховатости расположены на волнах неровностей высотой до 100 мкм и шагом 50...5000 мкм. Волнистость возникает из-за неравномерностей относительных движений и колебаний сис­темы станок—инструмент—деталь при обработке деталей.

Указанные отклонения приводят к тому, что при контакти­ровании реальных поверхностей они воспринимают нагрузку вершинами выступов. Первыми в контакт вступают противо­стоящие выступы, сумма высот которых наибольшая. По ме­ре увеличения нагрузки деформация неровностей и частично их основ приводит к сближению поверхностей и в контакт вступают пары выступов с меньшей суммой высот. Разновременность вхождения в контакт приводит к различной дефор­мации выступов. Часть выступов деформируется упруго, часть — пластически. В итоге площадь фактического контакта поверхностей со­стоит из множества дискретных малых площадок, располо­женных на различных высотах в местах наиболее полного сближения поверхностей. Площадь фактического контакта зависит от геометрии поверхностей, от физических и механи­ческих свойств поверхностного слоя, от величины нагрузки и продолжительности ее приложения.

Поверхности пар трения в результате их окисления покры­ты пленками. Поверхностный слой материала под пленками в результате механической обработки имеет измененную струк­туру в сравнении с глубинной частью. Например, из-за накле­па микротвердость поверхностного слоя часто выше, чем у ос­новы. На свойства поверхностного слоя оказывают влияние поверхностно-активные вещества, содержащиеся в смазочных материалах. Кроме того, после повышения температуры при механической обработке в поверхностном слое появляются ос­таточные напряжения. В результате действия указанных факторов площадь фак­тического контакта на практике составляет под нагрузкой ма­лую часть номинальной (контурной) площади и только при очень высоких нагрузках достигает 30...40% номинальной площади. Величина площади фактического контакта и из­менение ее под действием нагрузок являются факторами, от которых зависит трение, смазка и изнашивание поверхностей трения.

9.2 Трение и изнашивание

По характеру движения различают трение скольже­ния и трение качения. Иногда оба вида проявляются совмест­но, например при качении с проскальзыванием.

В зависимости от режима смазывания различают трение без смазочного материала и со смазочным материалом, при­чем механизм влияния смазочного материала бывает разным.

Трение без смазочного материала — режим, при котором необходимо создание большой силы трения (например, в тор­мозах, в передачах трением и т. д.) или смазочный материал не пригоден (например, в чистом производстве). В точках фактического контакта действуют силы молекулярного при­тяжения, вызывающие адгезию (прилипание). При этом отно­сительное смещение контактирующих поверхностей сопро­вождается деформацией сдвига, а следовательно, затратой энергии. Еще более сильным проявлением молекулярных сил является схватывание поверхностей (соединение в результате деформирования). Трение без смазочного материала сопро­вождается скачкообразным скольжением поверхностей, вы­зывающим рывки и вибрацию в начале и в конце движения. На коэффициент трения сильно влияют пленки окислов, вла­га, загрязнения.

Трение при граничнойсмазке — режим трения, при кото­ром поверхности разделены слоем смазочного материала тол­щиной от одной молекулы до 0,1 мкм. На поверхности твердо­го тела адсорбируются (концентрируются) и прикрепляются поляризованные молекулы смазочного материала в виде вор­са. Эта связь наиболее прочна в одномолекулярном слое и ос­лабевает по мере удаления от поверхности. Форма граничной пленки повторяет микрорельеф поверхности. Под нагрузкой происходит деформация площадок фактического контакта, но без нарушения целостности пленки, так как она обладает вы­соким сопротивлением сжатию по нормали к твердой поверх­ности (свыше 10³ Н/мм²). При скольжении нагруженных по­верхностей «ворсинки» изгибаются и молекулярные слои скользят один относительного другого. На площадях со значи­тельной пластической деформацией и в точках с высокой тем­пературой происходит разрушение пленки со схватыванием обнажившихся участков. Но лавинного схватывания не про­исходит, так как пленка «самозалечивается» за счет большой скорости адсорбции смазочного материала на поверхности трения. Со временем граничная пленка изнашивается, сма­зочный материал из нее уносится на продуктах износа, а так­же разрушается от окисления. Особенность граничной смазки заключается в том, что на процесс не влияет вязкость смазочного материала. Введено понятие маслянистости. Это комплекс свойств, оцениваю­щихся по величине коэффициента трения и зависящих от со­става основы смазочного материала и наличия определенных присадок в нем для данного сочетания материалов пары тре­ния. Требования к смазочному материалу состоят в том, что пленка должна противостоять большим сжимающим усилиям и в то же время не оказывать большого сопротивления сдвигу.

Трение прижидкостной смазке — это режим трения, при котором происходит полное разделение пар трения слоем смазочного материала. Он является наиболее благоприятным по потерям энергии и износу. Если толщина слоя смазочного ма­териала, разделяющего поверхности трения, больше толщины граничной пленки (0,1 мкм), то с увеличением этого слоя уменьшается влияние твердой поверхности на отстоящие мо­лекулы смазочного материала, а слои на расстоянии более

0,5 мкм от поверхности могут свободно смещаться один отно­сительно другого. Это относится к идеально гладким поверх­ностям. Для шероховатых поверхностей минимальная толщи­на смазочного слоя для получения жидкостного трения должна быть не менее суммы максимальных высот выступов шерохо­ватости, а с учетом отклонений формы и волнистости поверх­ностей и возможных деформаций под нагрузкой максимальная толщина слоя должна в 2 раза превышать указанную сумму.

В условиях внешнего нагружения полное разделение по­верхностей может быть получено только при определенном давлении в слое смазочного материала, которое и уравновесит нагрузку. Существует два способа создания давления в несу­щем слое: гидростатический и гидродинамический. При гид­ростатическом способе подача смазочного материала к паре трения осуществляется от внешнего источника под давлени­ем. При гидродинамическом способе давление в жидкости возникает непосредственно между поверхностями трения. Не­обходимыми условиями для этого является наличие клиново­го зазора и взаимного перемещения, а размер зазора и ско­рость перемещения находятся в зависимости от нагрузки на поверхностях трения и вязкости смазочного материала.

Вязкость, или внутреннее трение, — это свойство текучих тел оказывать сопротивление перемещению одной их части относительно другой. Основной закон вязкости Ньютона

где F — сила, вызывающая сдвиг слоев жидкости; S — площадь сдвигаемого слоя; dV/dh — градиент скорости жидкости по толщине слоя; μ - коэффи­циент динамической вязкости. Он количественно характеризует сопротивление жидкости сме­щению ее слоев и имеет размерность Н·с/м².

Трение приполужидкостной смазке — это режим трения, при котором на одной части поверхности трения осуществля­ется жидкостная смазка, а на другой части — граничная смаз­ка. Нормальная нагрузка уравновешивается суммой сил моле­кулярного взаимодействия в граничной пленке на площадках контакта и сил гидродинамического давления в смазочном слое между площадками контакта. Сила трения состоит из сил взаимодействия поверхностей, покрытых граничной пленкой, и сил сопротивления вязкому сдвигу в слое смазки. Относительная доля каждой из этих составляющих зависит от нагрузки, скорости взаимного перемещения, геометрии по­верхностей трения, количества и вязкости смазочного матери­ала. Гидродинамическое действие смазочного материала при полужидкостной смазке возникает, когда поверхности трения располагаются под углом, образуя клиновой зазор, и ког­да между неровностями в направлении движения образуют­ся клиновые микрозазоры в виде сужений и расширений по высоте. Трение при полужидкостной смазке имеет место в подшип­никах скольжения, в парах винт—гайка, в парах с возврат­но-поступательным движением. Этот режим сопровождается износом поверхностей трения. Для предотвращения интен­сивного изнашивания контактное давление на поверхностях трения р не должно превышать определенной величины. Ве­личина допускаемого контактного давления [р]зависит от ма­териалов пары трения, шероховатости поверхностей, характе­ристик смазочного материала и в конкретных случаях от­ражает опыт применения трущихся пар. Ориентировочно можно принимать [р] = 10МПа.

Трение при эластогидродинамическойсмазке — это ре­жим трения, при котором характеристики трения и толщина пленки смазочного материала определяются упругими свойст­вами материалов контактирующих тел и свойствами, харак­теризующими текучесть смазочного материала. При качении или качении со скольжением смазочный материал не успевает покинуть зону контакта. Большое контактное давление де­формирует тела качения, увеличивает область малого зазора, делая его почти постоянным. При высоком давлении вязкость смазочного материала возрастает и жидкость с большим тру­дом вытекает из узкой щели. Образуется пленка смазочного вещества в виде линзы толщиной 0,1... 10мкм.

Трение при твердой смазке— режим трения, при котором поверхности трения разделяются твердым смазочным мате­риалом. Условия смазки промежуточные между несмазанны­ми и смазанными поверхностями, так как поверхности кон­такта сухие, а твердый смазочный материал придает им такие свойства, как будто они смочены (эквивалент смазочного эф­фекта). Режим смазки напоминает граничное трение, по­скольку твердый смазочный материал образует слой с необхо­димыми качествами по сжатию и сдвигу, но без строго ориен­тированной структуры.

Изнашивание — процесс разрушения поверхностных сло­ев при трении, приводящий к изменению размеров, формы и состояния поверхности детали. Результом изнашивания явля­ется износ, выражаемый в единицах длины, объема, массы. Например, износ оценивают толщиной слоя h, снятой в ре­зультате изнашивания. Отношение толщины износа детали к пути трения J_h = h/s называется интенсивностью изнашива­ния. Отношение толщины слоя износа детали к времени, в те­чение которого происходит изнашивание, J_t = h/t называется скоростью изнашивания. Износостойкость, т. е. способность детали оказывать сопротивление изнашиванию, оценивают величиной, обратной интенсивности или скорости изнаши­вания.

Интен­сивное изнашивание приводит к потере точности, понижению КПД, дополнительным динамическим нагрузкам, вибрациям и увеличению шума, к уменьшению прочности и потере рабо­тоспособности. Около 80% деталей механизмов и машин вы­ходят из строя из-за изнашивания.

Изнашивание представляет собой разнообразное, много­факторное и очень сложное явление. Вид изнашивания зави­сит от геометрии и физико-химических свойств поверхностей, нагрузки, условий смазывания и окружающей среды.

Согласно стандарту различают 13 видов изнашивания. В механизмах и машинах представляют интерес механические виды изнашивания. Чаще всего в механизмах возника­ет усталостное изнашивание,которое проявляется в виде выкрашивания. Выкрашивание происходит при длительной эксплуатации. При повторном деформировании микрообъе­мов материала возникают усталостные трещины, развитие ко­торых приводит к выходу их на поверхность, чему способству­ет наклонное ориентирование трещин к поверхности из-за пластического сдвига поверхностного слоя при трении. Нали­чие на поверхности смазочного материала способствует росту трещин. При контактировании в смазочном материале, попа­дающем в трещины, возникает давление, и он, будучи несжи­маемым, действует подобно клину. Трещины в процессе раз­вития выходят на поверхность, и материал отслаивается. Ямки, возникающие в результате отслаивания материала, приводят к уменьшению фактической площади контакта и росту напряжений, а в результате — к ускорению разру­шения. Абразивное изнашиваниепроявляется в виде царапаю­щего действия твердых частиц, находящихся в зоне контакта. Эти частицы в открытых передачах попадают извне, а в за­крытых могут являться продуктами износа (из-за наклепа их твердость выше, чем у основного материала). Внедряясь в ме­нее твердую поверхность, эти частицы, двигаясь с ней, при скольжении по другой поверхности действуют на нее как мик­рорезцы. Изнашивание при заеданиипроявляется при высоких нагрузках и в вакууме, когда контакт чистых участков мате­риала приводит к схватыванию (местному свариванию) и по­следующему разрушению мостиков сварки. В результате про­исходит задирание (вырывание приварившихся частиц), пере­нос материала с одной поверхности трения на другую и воздействие возникших неровностей на сопряженную поверх­ность, приводящие к повреждениям. Изнашивание при фреттинг-коррозиипроисходит в результате колебательных микросмещений одной поверхно­сти относительно другой. При этом разрушаются, возникают снова и опять разрушаются окисные пленки, а также происходит схватывание на участках чистого материала и разрушение очагов схватывания. Механическое изнашивание пластическим деформи­рованиемсостоит в сглаживании и разрушении неровностей за счет среза и смятия микрообъемов, что особенно проявляет­ся при качении со скольжением.

Следует отметить, что разные виды изнашивания часто действуют одновременно и каждый конкретный вид, как пра­вило, стимулирует другие виды изнашивания.