Затраты энергии на внутренний сдвиг материала и внут­ рисхемное выделение теплоты при внутреннем трении оцени­ вают демпфирующей способностью или коэффициентом погло­ щения.

Коэффициентом поглощения ф (или относительным ги­ стерезисом) называют отношение энергии W , рассеиваемой за один период гармонического колебания, к максимальной упру­ гой энергии U:

ф = W/U.

Для металлов коэффициент поглощения при внутреннем трении очень мал (около 0,01... 0,02 для сталей разных марок) и при расчете звеньев из металла внутреннее трение обычно не учитывают. Однако для высокомолекулярных материалов (на­ пример, резины и пластмасс) коэффициент поглощения имеет порядок в пределах 0 ,1 ... 1,0, т.е. почти в 100 раз больше, чем для металлов. Поэтому при расчетах деталей из резины и пластмасс необходимо учитывать потери на внутреннее тре­ ние в материале.

Внутреннее трение в твердых телах используется в основ­ ном для снижения уровня шумов при ударных и вибрационных нагрузках путем замены металлических материалов пластмас­ сами и композиционными материалами, а также за счет сниже­ ния напряжений в конструкциях, возникающих при колебаниях вблизи резонанса.

8.2. Основные понятия и определения, используемые в триботехнике

Износ — изменение размеров, формы и состояния поверх­ ности элементов кинематических пар механизмов, обусловлен­ ное разрушением поверхностного слоя, в процессе их относи­ тельного движения.

Изнашивание — процесс постепенного разрушения поверх­ ностных слоев элементов кинематических пар при трении на стадии или установившегося режима, или при приработке, или при катастрофическом износе.

Факторы, влияющие на износ:

Механическое (абразивное, усталостие, энное)

куляр-

хани-

в

Рис. 8.7

физико-механические характеристики материалов тру­ щихся элементов;

наличие пленок смазки, оксидов, сульфидов, полимеров и т.п. соединений между трущимися поверхностями;

силы в зоне контакта; скорость относительного движения;

тепловой режим в зоне контакта; геометрия поверхностных слоев. Виды изнашивания (рис. 8.7):

механическое (абразивное и усталостное), при котором из­ нос происходит вследствие механических взаимодействий в зо­ не контакта;

молекулярно-механическое (адгезионное и избирательное трение), при котором износ сопровождается воздействием мо­ лекулярных или атомарных сил;

коррозионно-механическое (окислительное и фреттингкоррозия), при котором износ сопровождается химическим вза­ имодействием материала со средой.

8.3. Механика контакта и основные закономерности изнашивания

Контакт элементов кинематических пар является дис­ кретным в связи с наличием на поверхностях отклонений от номинальных размеров, расположения и формы и шероховато­ сти, т.е. совокупности неровностей с относительно малыми

шагами и высотой от 0,05 .. .0,10 мкм (гладкие поверхности) до 100 ... 200 мкм (грубые металлические поверхности). Дис­ кретный контакт происходит на отдельных площадках в кон­ тактной зоне. Поэтому при расчетах износа различают три вида площади контакта: номинальную Аа, контурную Ас и фактическую Аг. Реальный контакт твердых тел дискретен, поэтому деформируются микрообъемы материала, к которым неприменимы классические расчеты на прочность. Свойства материалов, участвующих в трении, обычно сильно отлича­ ются от свойств исходных материалов деталей и изменяются в процессе изнашивания поверхностных слоев. Различают три стадии процесса изнашивания: приработка, установившийся процесс изнашивания и катастрофический износ, который от­ личается интенсивностью изнашивания. Составить простую модель изнашивания не удается, так как следует учитывать огромное число факторов: скорости относительного движения, нормальные и тангенциальные составляющие силы, вид де­ формации (упругая, пластическая, упругопластическая), меха­ нические свойства тел (твердость, модули упругости и т.д.), топографию шероховатых поверхностей, макрогеометрию эле­ ментов пар (плоские и пространственные контакты), темпера­ турный режим, химическое взаимодействие и т.д.

В связи с этим инженерные расчеты по износу элемен­ тов кинематических пар проводят с помощью интегральных характеристик: скорость изнашивания и интенсивность изна­ шивания.

Различают износ линейный И/^ (в направлении, нормаль­ ном к поверхности трения), износ по массе Ит и износ объем­ ный ttv.

Отношение износа к пути трения Zr, на котором произо­ шел этот износ, называют интегральной интенсивностью из­ нашивания соответственно:

линейной /д = Ид/Хт (мкм/км); массовой 1т = Иm/LT (г/м); объемной Iv = ИV/LT (мм3/м).

Отношение линейного износа ко времени, в течение кото­ рого он произошел, называют скоростью линейного изнаши­ вания (мкм/ч):

d}h

7 Л= ДИЛ/Д* = dt

Отношение объема изношенного материала к работе сил трения FT, вызвавших это изнашивание за время t, называ­ ют энергетической интенсивностью изнашивания (мм3/Дж):

J FxVcxdt

о

Свойство материала оказывать сопротивление изнашива­ нию в определенных условиях трения называют износостойко­ стью. Износостойкость — величина, обратная скорости изна­ шивания или интенсивности изнашивания. В расчетах иногда используют удельную работу сил трения на единицу объема изношенного материала в мм3 или массы в г, или толщины слоя в мкм:

[iwh] = Дж/мкм.

Линейная интенсивность изнашивания меняется в широ­ ких пределах: от 10~ 3 до 10-13. Конкретные значения для разных условий получают на основе накопленного опыта и экс­ периментальных исследований.

Для примера можно проанализировать следующие харак­ терные значения интенсивности изнашивания некоторых де­ талей машин (безразмерный коэффициент, например: 1 0 - 1 2 = = 0 , 0 0 1 мкм на 1 км пути трения).

1 . Коленчатые валы автомобилей: шатунные шейки — 4 •10~п ... 5 •10-12; коренные шейки — ( 1 , 6 ... 1 , 8 )1 0 -12.

2.Гильзы цилиндров двигателей автомобиля — (1 ,1 ... 5,6)10-11.

3.Поршневые кольца двигателей — (0 , 6 ... 1 , 2 ) 1 0 11.

4.Направляющие станин станков — (0,4 .. .2,0)10-1 °.

5. Зубчатые колеса экскаватора — 5 10- 1 2 ... 1 ,5 - 10-11. 6 . Зуб ковша экскаватора — 10- 4 .. 10- 3 7. Режущий инструмент из твердого сплава —

Ю- 1 0 .. .(1 ,3 .. .2,9)Ю - 1 0

дуля упругости Е в зависимости влияния на интенсивность изнашивания изменяется в широких пределах, например для направленной шероховатой поверхности 0,6 ... 7,0.

Прочность материала. Чем прочнее материал при испы­ тании на разрыв, тем выше его износостойкость.

Коэффициент трения. Коэффициент трения зависит от многих условий (свойств материала, нагрузки, шероховатости, молекулярного взаимодействия на контакте и др.). Показатель степени при коэффициенте трения изменяется в пределах от 2 до 10.

Шероховатость и волнистость поверхности оказывают на износ значительное влияние на стадии приработки (иног­ да до 2—4 порядков). После приработки поверхности исход­ ная микрогеометрия шероховатой поверхности практически не оказывает влияния.

Вид относительного движения. Износ деталей машин связан с четырьмя основными видами относительного движе­ ния: скольжением, качением, ударом и вибрацией. На прак­ тике часто наблюдается сочетание этих движений, например скольжение с качением, скольжение с вибрацией, качение с ударами и т.д.

Действующие при этих движениях механизмы поверх­ ностного изнашивания очень сложны и взаимосвязаны.

Механическое изнашивание обусловлено механическим взаимодействием между материалами трущихся тел. Это — все виды абразивного изнашивания в результате режущего или царапающего действия твердых частиц и включений; эрози­ онное изнашивание при воздействии потока газов, жидкостей