ОСНОВНЫЕ сведения о трении

В. П. Багмутов, А. Н. Савкин, С. Н. Паршев

Изнашивание деталей узлов трения

Наземных транспортных средств

2φ0

ВВЕДЕНИЕ

Научно-технический прогресс, эффективность производства во многих сферах народного хозяйства определяются уровнем развития машиностроения – ключевой отраслью экономики. Комплексная механизация и автоматизация, прогрессивная технология, новые материалы с повышенными характеристи­ками позволяют повысить технический уровень, ресурс и надеж­ность техники, ускорить выпуск новых поколений машин и оборудования. Решение проблемы – увеличение сроков служ­бы до капитального ремонта основных видов машин, обо­рудования и приборов, снижение их металлоемкости, сокраще­ние численности рабочих, занятых ремонтом, сохранение энер­гии, материалов, повышение производительности, обеспечение экологичности и безопасности зависит от повышения износостойкости и надежности узлов трения.

Долговечности элементов и деталей сельскохозяйственных тракторов определяются его нагрузочной способностью, режимами работы и условиями эксплуатации. Так, установлено, что на современном уровне развития техники 85–90 % машин сельскохозяйственного назначения выходят из строя в результате накопления постепенных повреждений (изнашивания) и только 10–15 % по другим причинам, в основном в результате недостаточной усталостной прочности деталей, связанной со спецификой работы сельхозмашин. Следует отметить, что незащищенные части трактора работают в абразивной среде, а в защищенные от внешней среды агрегаты, такие как планетарный механизм поворота, коробка передач и другие, абразив попадает из-за несовершенства уплотнений, неправильного технического обслуживания, а также насосного эффекта в уплотнениях. При этом абразивный износ деталей трактора часто сопровождается переменной загруженностью сопрягаемых поверхностей и наличием на поверхности усталостных явлений. Интенсивность абразивного изнашивания зависит от климатических условий и вида почв района, в котором осуществляется эксплуатация трактора. Накопление повреждений деталей исследовалось при поступлении на ремонтные предприятия на первый капитальный ремонт 350 тракторов серии ДТ и ВТ. Основная масса из этих машин (73 %) обследовалась на базе Дубовского ремонтного предприятия Волгоградской области. Поэтому большинство машин отражают условия работы, эксплуатации и технического обслуживания тракторов в Волгоградской области.

Волгоградская область расположена в основном в степной зоне, характеризуется континентальным климатом с холодной и малоснежной зимой, но продолжительным жарким и сухим летом.

Северо-западная часть области занята черноземными почвами обыкновенными и южными, а в остальной ее части распространены темно-каштановые и каштановые почвы. Обследованные трактора работали на следующих видах работ: бороновании, снегозадержании, культивации, пахоте зяби, севе, очистных и планировочных работах. Среднегодовая наработка в моточасах тракторов ДТ-75 и ДТ-75М составляла 1000 моточасов. Оценка уровня поврежденности (износостойкости) деталей шасси тракторов в условиях рядовой эксплуатации проводилась на основе дефектовки деталей по методике НАТИ.

Наработка исследуемых тракторов в период эксплуатации до первого капитального ремонта составляла 4100–4850 моточасов со среднеквадратичным отклонением S =1000–1500 моточасов и коэффициентом вариации υ=0,27–0,30. Распределение по долговечности хорошо согласовывалось с нормальным законом распределения (по данным НАТИ), законом Вейбулла и логарифмически нормальным законом распределения (по данным ВСХИ).

Основными причинами постановки тракторов на первый капитальный ремонт были:

• потребность в капитальном ремонте двигателя;

• плохая управляемость машины (основной ответственный агрегат-трансмиссия);

• шум шестерен в коробке передач и механизме поворота (большая изношенность);

• нарушение нормальной работы главной муфты сцепления и тормозов карданной передачи.

Статистический анализ кинетики изнашивания деталей различных агрегатов трактора позволяет оценить повреждение того или иного элемента, выявить его слабые места, принять решения о конструктивных и технологических мероприятиях с целью повышения эксплуатационной надежности деталей, в первую очередь тех, которые лимитируют его ресурс до первого капитального ремонта.

Правильное использование трибологических достижений дает экономический эффект от 1,3 до 2,0 % стоимости валового национального продукта.

Ремонт и техническое обслуживание (из раз­ных источников) приблизительно обходятся для различных изделий техники в 3... 10 раз больше стоимости их изготов­ления. Значительная часть (около 30 %) мировых энергетических ресурсов в различных формах расходуется на трение, 80...90 % подвижных сопряжений машин выходят из строя вследствие износа. При этом снижаются КПД, точность, экономичность, надежность и долговечность машин, ухудшаются динамические и акустические характеристики. Износ лимитирует ресурс газонефтепромыслового оборудования в 50...70 % случаев, усталостные поломки – в 15...20 %, он является главной причиной отказов горнодобывающей и обрабатывающей техники.

Трибология как научно-техническая дисциплина объединяет проблемы трения, износа и смазки, изучает процесс взаимодействия поверхностей при их относительном движении. Термин появился в 1966 г. в Англии (автор П. Джост).

Возросли требования к срокам службы и надежности узлов трения, к уровню нагрузок и температур, скоростей в зоне контакта. Контактные напряжения для локального герцевского контакта определяются условиями: (30–40)∙10³ МПа, темпе­ратуры от –200 до 2500 °С, скорости от близких к нулю до нескольких тысяч метров в секунду.

Качество, надежность и долговечность узлов трения обеспечиваются посредством интенсивного развития трибологического материаловедения, применением износостойких и антифрикционных покрытий. Толщина покрытий изменяется от долей микрометров до нескольких миллиметров. Защита тонкого поверхностного слоя массивной детали позволяет сэкономить дорогостоящие легированные стали, цветные металлы и другие дефицитные материалы, успешно решить проблему восстановления изношенных деталей.

Настоящее учебное пособие содержит основные сведения о трибологических процессах, видах и механизмах изнашивания, методах расчета пар трения по критериям износа и путях повышения износостойкости подвижных сопряжений. Приводится, в качестве примера, расчет на износ фрикционной передачи. В пособие включено индивидуальное контрольное задание и даны рекомендации для его выполнения. Данное учебное пособие предназначено для студентов всех форм обучения при изучении соответствующей дисциплины.

ОСНОВНЫЕ сведения о трении,

Изнашивании и смазке

Триботехника – наука о контактном взаимодействии твердых тел при их относительном движении, охватывающая весь комплекс вопросов трения, изнашивания и смазывания машин. В последние годы в триботехнике получили развитие новые разделы – трибохимия, трибофизика и трибомеханика.

Трибохимия – изучает взаимодействие контактирующих поверхностей с химически активной средой. Она исследует проблемы коррозии при трении, химические основы избирательного переноса и воздействие на поверхность деталей химически активных веществ, выделяющихся при трении вследствие деструкции полимеров или смазочного материала.

Трибофизика – изучает физические аспекты взаимодействия контактирующих поверхностей при их взаимном перемещении.

Трибомеханика – изучает механику взаимодействия контактирующих поверхностей при трении. Она рассматривает законы рассеяния энергии, импульса, а также механическое подобие, релаксационные колебания при трении, реверсивное трение, уравнения гидродинамики и другие применительно к задачам трения, изнашивания и смазывания.

В некоторых странах вместо термина триботехника употребляют термины трибология и трибоника. В технической литературе встречается термин динамическое металловедение – раздел металловедения, изучающий структуру и свойства поверхностных слоев металлов и сплавов в процессе трения и изнашивания.

Ряд терминов, относящихся к триботехнике, стандартизован. ГОСТ 23.002–78 включает 98 терминов, которые классифицированы по условиям трения, видам изнашивания, характеристикам смазки, способам смазывания и смазочным материалам.

К общим понятиям триботехники относятся следующие термины.

Внешнее трение – явление сопротивления относительному перемещению, возникающее между двумя телами в зонах соприкосновения поверхностей по касательным к ним, сопровождаемое диссипацией энергии.

Изнашивание – процесс разрушения и отделения материала с поверхности твердого тела и (или) накопления его остаточной деформации при трении, проявляющийся в постепенном изменении размеров и (или) формы тела.

Износ – результат изнашивания, определяемый в установленных единицах. Износ может выражаться в единицах длины, объема, массы и др.

Износостойкость – свойство материала оказывать сопротивление изнашиванию в определенных условиях трения, оцениваемое величиной, обратной скорости изнашивания или интенсивности изнашивания. Смазочный материал - материал, вводимый на поверхности трения для уменьшения силы трения и (или) интенсивности изнашивания.

Смазка – действие смазочного материала, в результате ко­торого между двумя поверхностями уменьшается сила трения и (или) интенсивность изнашивания.

Смазывание – подведение смазочного материала к поверхности трения.

Трение покоя – трение двух тел при микроперемещениях до перехода к относительному движению.

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

Трение без смазочного материала – трение двух тел при отсутствии на поверхности трения введенного смазочного материала любого вида.

Трение со смазочным материалом – трение двух тел при наличии на поверхности трения введенного смазочного материала любого вида.

Трение скольжения – трение движения двух твердых тел, при котором скорости тел в точках касания различны по величине и направлению или по величине, или направлению.

Трение качения – трение движения двух твердых тел, при котором их скорости в точках касания одинаковы по величине и направлению.

Сила трения – сила сопротивления при относительном перемещении одного тела по поверхности другого под действием внешней силы, направленной по касательной к общей границе между этими телами.

Наибольшая сила трения покоя – сила трения покоя, любое превышение которой ведет к возникновению движения.

Предварительное смещение – относительное микроперемещение двух твердых тел при трении в пределах перехода от состояния покоя к относительному движению.

Скорость скольжения – разность скоростей тел в точках касания при скольжении.

Поверхность трения – поверхность тела, участвующая в трении.

Коэффициент трения – отношение силы трения двух тел к нормальной силе, прижимающей эти тела друг к другу.

Коэффициент сцепления – отношение наибольшей силы трения покоя двух тел к нормальной относительно поверхностей трения силе, прижимающей тела друг к другу.