ТРЕНИЕ И ИЗНОС ЭЛЕМЕНТОВ КИНЕМАТИЧЕСКИХ ПАР МЕХАНИЗМОВ И МАШИН

При работе машин и механизмов происходит явление, которое сопро­ вождается рассеиванием механической энергии. Это явление называют трением. Подсчитано, что около 33 % мировых энергетических ресур­ сов бесполезно затрачивается на работу, связанную с трением. Вполне закономерно, что эти затраты необходимо сделать минимальными, т.е. уменьшить силы трения. Для быстроходных машин и механизмов такая задача становится еще более актуальной. Физические основы явления тре­ ния, силовой расчет механизма с учетом трения и оценка экономичности механизма посредством его коэффициента полезного действия кратко из­ ложены в настоящей главе.

Трение контактных поверхностей в механизмах и машинах приводит к изнашиванию — процессу постепенного изменения размеров и формы элементов кинематических пар, проявляющемуся в удалении с поверхно­ сти трения материала деталей и (или) его остаточной деформации. Ха­ рактер и интенсивность изнашивания зависят от большого числа фак­ торов, которые подробно изучаются в дисциплине «Трибоника» (или «Триботехника») и в других курсах. Важнейшими факторами являются химико-термические явления в зоне контакта, смазка поверхностей, ме­ ханические явления в условиях высоких локальных температур и др. В рамках данной дисциплины в гл. 8 обсуждается вопрос влияния на изна­ шивание сил и скорости скольжения в кинематических парах механизмов и их учет при расчете и прогнозировании износа механизмов.

8.1. Виды и характеристики внешнего трения

При исследовании физических основ явления трения раз­ личают трение внешнее и внутреннее. Внешнее трение — сопротивление относительному перемещению, возникающее между двумя телами в зонах соприкосновения поверхностей

по касательным к ним и сопровождаемое диссипацией энер­ гии. Внутреннее трение — процессы, происходящие в твер­ дых телах при их деформации и приводящие к необратимому рассеянию механической энергии. Силу сопротивления при от­ носительном перемещении одного тела по поверхности другого под действием внешней силы, тангенциально направленную к общей границе между этими телами, называют силой трения.

Материал, вводимый на поверхности трения для умень­ шения силы трения и интенсивности изнашивания, называют смазочным материалом. Подведение смазочного материала к поверхности трения называют смазыванием, а действие сма­ зочного материала, в результате которого между двумя по­ верхностями уменьшается сила трения и (или) интенсивность изнашивания, — смазкой.

В зависимости от состояния поверхностей трения различа­ ют два вида трения: трение без смазочного материала (сухое трение) и трение со смазочным материалом.

Трением без смазочного материала называют трение твердых тел 1 к 2 при отсутствии на поверхностях трения введенного смазочного материала любого вида (рис. 8.1, а)*

Трением со смазочным материалом называют трение твердых тел 1 и 2 при наличии на поверхностях трения уве­ денного смазочного материала любого вида (рис. 8.1, б).

Различают следующие виды смазки: твердую, при ко­ торой разделение поверхностей трения деталей 1 к 2 осуще­ ствляется твердым смазочным материалом (рис. 8.2, а); исидкостную, при которой полное разделение поверхностей трения

б

Рис. 8.4

Процессы трения рассматривают на моделях, позволяю­ щих оценить молекулярное взаимодействие материалов кон­ тактирующих тел с учетом влияния внешней среды (оксиды, пленка, смазка). Первоначально разработанные теории ме­ ханического сцепления, молекулярного притяжения, сварива­ ния, среза и пропахивания получили значительное развитие в молекулярно-механической теории трения, нашедшей наи­ более широкое распространение. Согласно этой теории, про­ цесс трения происходит не только на границе раздела твердых тел, но и в некотором объеме поверхностных слоев, физико­ механические свойства которых отличаются от свойств ма­ териалов в объеме тел. Это связано с деформированием по­ верхностных слоев, с изменением температуры, с образованием слоев адсорбированных паров влаги или газов, с образованием пленок оксидов, атомов или молекул окружающей среды и т.п.

Общее представление о значении коэффициентов трения скольжения / т дают экспериментальные данные для разных

FTi

б

Рис. 8.5

видов трения, приведенные ниже: трение ювенильных поверх­ ностей при отсутствии смазки и оксидов — 0,8 .. .6,0; трение окисленных поверхностей — 0,4 .. .0,8; граничное трение при наличии мономолекулярного слоя смазки на поверхности — 0,2 ...0,6; граничное трение при наличии мультимолекулярного слоя полярных молекул — 0 ,1 ... 0,4; гидродинамическое трение при наличии слоя неполярных молекул — 0,008 ... 0,02; гидродинамическое трение при наличии жидкокристалличе­ ской объемной фазы — 0,0001... 0,001.

Для расчетов механизмов, работающих при разных режи­ мах и видах трения, важное значение имеет зависимость силы трения от скорости VCK относительно движения трущихся по­ верхностей.

Обобщение экспериментальных данных позволяет прини­ мать для тех или иных условий следующие принципиальные зависимости:

сила сухого трения FT не зависит от скорости скольжения vCK= х (рис. 8.5, а):

FT — U F д Г ,

сила вязкого трения FT линейно зависит от скорости скольжения х (рис. 8.5, б):

FT — кх\

сила сухого трения FT линейно зависит от скорости сколь­ жения i, но имеет относительно граничной скорости vK пада­ ющую 1 и возрастающую 2 ветви характеристики (рис. 8.5, в).

Резкое падение силы трения с увеличением скорости дви­ жения обычно наблюдается в зоне малых скоростей перемеще­ ний. Это, например, характерно для технологического обо­ рудования (перемещение суппортов по направляющим, пози­ ционирование автооператоров и роботов). При крутопадаю­ щей скоростной характеристике силы трения наблюдаются не­ устойчивость движения, характерное скачкообразное движе­ ние. Это сопровождается неравномерностью подач, снижением точности обработки, неточностью позиционирования. В связи с этим снижается производительность оборудования, возраста­ ет износ направляющих и инструментов, ухудшается качество обработанных на станках поверхностей деталей, возникают до­ полнительные динамические нагрузки в механизмах привода.

Для уменьшения вредных последствий скачкообразного движения при малых скоростях перемещения используют раз­ ные способы. Широко применяют следующие:

использование разгрузки (механической, пневматической, гидравлической и т.п.) для уменьшения нормального давле­ ния;

уменьшение коэффициента трения во фрикционной паре применением фторопласта (кривая 3 на рис. 8.6) взамен чугуна (кривая 1) и бронзы (кривая 2) и антискачковой смазки (кри­ вая 4);

использование гидростатической смазки; применение вместо опор скольжения направляющих каче­

ния.