Строительные машины и оборудование, справочник







Виды трения и износов

Категория:
   Техническое обслуживание дорожных машин


Виды трения и износов

В зависимости от кинематических признаков относительного перемещения тел различают следующие виды трения: трение скольжения, трение качения и трение верчения.

Наименее изученным является трение верчения, поэтому при решении практических задач этот род трения стараются свести к трению скольжения или качения.

При относительном перемещении деформирующихся тел касание между ними происходит не в точках, а в зонах, называемых площадками контакта. На этих площадках контакта могут происходить весьма разнообразные физико-механические явления, например: упругие и пластические деформации частиц, молекулярное сцепление частиц, адсорбция тонких слоев газа, дисперсность коллоидальных частиц и др. Некоторые ученые при изучении этого вопроса насчитали более 20 таких явлений, причем, многие из них оказались во взаимной связи. Количественные и качественные соотношения между этими явлениями, происходящими на упругих площадках двух соприкасающихся (трущихся) тел, в значительной степени зависят от наличия между ними жидкостной или газообразной прослойки — смазки.

Поэтому в зависимости от наличия или отсутствия смазки, а также характера трущихся поверхностей различают:
а) чистое трение, возникающее на трущихся поверхностях при полном отсутствии на них посторонних примесей в виде жидкостной или газовой прослойки. Практически чистое трение очень трудно осуществимо; оно может быть реализовано только в вакууме;
б) сухое трение появляется при отсутствии смазки и загрязнений между трущимися поверхностями;
в) граничное трение, при котором трущиеся поверхности разделены слоем смазки толщиной не более 0,1 мк. Граничная пленка обладает особыми свойствами и не подчиняется общим законам гидродинамики вязких жидкостей; поэтому ее не следует смешивать с масляной пленкой нормальных размеров;
г) жидкостное трение, при котором трущиеся поверхности полностью разделены слоем жидкости необходимого размера, не допускающим контакта между трущимися телами и воспринимающим всю нагрузку;
д) полусухое трение, когда при наличии между трущимися поверхностями смазочного слоя отдельные выступы поверхностей приходят в непосредственное соприкосновение (т. е. одновременно граничное и сухое трения);
е) полужидкостное трение — такое, при котором большая часть нагрузки передается масляной пленкой, а меньшая часть воспринимается непосредственно контактом трущихся поверхностей (т. е. одновременно жидкостное и граничное или жидкостное и сухое трения).

В технике чаще всего встречаются одновременно полусухое и полужидкостное трения, из которых первое обычно принимают за сухое, а второе за жидкостное.
Напомним основные законы и математические зависимости сухого и жидкостного трений.

Основными положениями закона сухого трения скольжения являются:
1. Сила трения скольжения на плоскости прямо пропорциональна нормальному давлению в определенном диапазоне скоростей и и нагрузок.
2. Направление силы трения скольжения противоположно относительной скорости трущихся тел.
3. Точное положение точки приложения силы трения скольжения неизвестно.
4. Трение зависит от материала и состояния трущихся поверхностей.
5. С увеличением скорости движения сила трения в большинстве случаев уменьшается, приближаясь к некоторому постоянному значению.
6. С возрастанием удельного давления сила трения в большинстве случаев увеличивается.

Законы сухого трения качения в первом приближении были выведены Кулоном.

Основными положениями этого закона являются:
1. Сила трения качения прямо пропорциональна нормальному давлению и обратно пропорциональна радиусу катка
где N — нормальное давление, кГ;
R — радиус катка, см;
X — коэффициент трения качения, см.
2. Сила трения качения направлена в противоположную сторону относительно скорости.
3. Точное положение точки приложения силы трения качения неизвестно.

При жидкостном трении отсутствует непосредственное соприкосновение между поверхностями, движущимися относительно друг друга, так как между ними находится слой жидкости. При относительном движении поверхностей в этом случае происходит сдвиг отдельных слоев жидкости относительно друг друга и поэтому трение в жидкостном слое сводится к вязкому сдвигу. Основоположником гидродинамической теории смазки является выдающийся русский ученый Н. П. Петров. Основная сущность этой теории сводится к следующему.

Основное значение при жидкостном трении имеет коэффициент т), т. е. коэффициент внутреннего трения или коэффициент абсолютной вязкости. Поэтому наименьшая толщина жидкостного слоя должна быть больше неровностей двух соприкасающихся поверхностей А я В, иначе между ними будет непосредственный контакт.

Из гидродинамической теории смазки следует, что для сохранения нормальной толщины масляного слоя трущиеся поверхности могут и не быть строго параллельны, а шейки вала и подшипника могут не быть концентричными. Такой вывод можно сделать на основании свойств клиновидного слоя смазки, заключающихся в cледующем.

При клинообразной форме слоя масла между двумя скользящими поверхностями А и В масло прилипает к этим поверхностям вследствие своей маслянистости. Такое явление приводит к тому, что скорость протекания масла значительно снижается, а давление внутри масляного слоя соответственно повышается. Это давление, как показывают опытные данные, в самом узком месте клиновидной формы достигает 200 кГ/см2 и вызывает большую подъемную силу, благодаря чему тело А всплывает, обеспечивая необходимую толщину масляного слоя, разъединяющего поверхности А и В.

Рис. 1. Схемы жидкостного трения

Исходя из свойств клиновидной формы слоя смазки, можно считать, что при пуске машины, когда вал начнет вращаться, клиновидный слой смазки будет отсутствовать, а следовательно, будет отсутствовать и условие жидкостной смазки, т. е. возникнет полусухое или полужидкостное трение.

Еще в 1883 г. Н. П. Петровым были даны следующие основные положения жидкостного трения.
1. Смазочная жидкость, находящаяся между трущимися поверхностями, должна удерживаться в зазорах.
2. В слое смазки при относительном скольжении смазываемых поверхностей должно возникать и поддерживаться внутреннее давление, уравновешивающее внешнюю нагрузку, прижимающую трущиеся поверхности друг к другу.
3. Смазочная жидкость должна полностью разделять трущиеся поверхности.
4. Слой жидкости, находящийся между трущимися поверхностями, должен иметь толщину не менее определенного минимального предела.

Трение и износ тесно связаны между собой. Износ есть результат работы трения. По утверждению ряда ученых, работающих в этой области, до настоящего времени общепризнанного определения износа трением в технической литературе еще нет. По определению проф. М. М. Хрущова, износ деталей машин есть нежелательное постепенное изменение их размеров в процессе работы, которое возникает под действием усилий на их трущиеся поверхности.

Износы, появляющиеся при эксплуатации машин, можно подразделить на естественные и аварийные.

Естественные износы деталей машин происходят в результате действия сил трения и определяются условиями работы деталей, качеством материала, характером обработки и др. Эти износы являются неизбежными и появляются в результате относительно длительного периода работы машины.

Аварийные износы являются результатом быстро нарастающего естественного износа и нарушения нормального режима работы машины, нарушения правил технического ухода, эксплуатации и ремонта машин. Эти износы почти всегда характеризуются резкими деформациями деталей, разрушением отдельных узлов, агрегатов и всей машины.

Износы машин, встречающиеся на практике, весьма разнообразны по форме проявления, по причинам возникновения, характеру нарастания и многим другим признакам.

Наиболее распространенным видом естественного износа является механический износ.

Проф. А. К. Зайцев, учитывая природу явлений и процессов, происходящих при износе, дает следующую классификацию механического износа: I класс износа — чисто механический; II класс — физико-механический; III класс — химико-механический; IV класс — комплексный.

Чисто механический износ (эрозия металла) сопровождается изменением формы и объема трущихся деталей без существенных проявлений химических процессов. Этот вид износа является результатом работы сил трения, которые возникают при движении поверхностей деталей относительно друг друга.

В зависимости от рода трения чисто механический износ разделяется на три основных вида: износ от трения скольжения, от трения качения и сложный износ, который проявляется при одновременном действии трения скольжения и трения качения.

Износ от трения скольжения имеет наибольшее распространение в узлах и агрегатах дорожных машин; возникает он, например, на поверхностях шеек валов и подшипников, поршневых колец и цилиндров, стержней клапанов и направляющих втулок и т. д.

Наиболее наглядным износом от трения качения является износ в шариковых и роликовых подшипниках, которые имеют широкое распространение в дорожных машинах.

Характерным примером сложного износа в дорожных машинах является износ, возникающий при работе зубьев шестерен.

Физико-механический износ происходит в тех случаях, когда механический износ сопровождается физическими изменениями трущихся деталей. Эти изменения тесно связаны с внутренними процессами, происходящими в деталях, которые обычно приводят к изменению их твердости, жесткости, хрупкости и к появлению наклепа. Примером такого износа является износ щек камнедробилок.

Химико-механический износ (коррозия металла) характеризуется тем, что механический износ сопровождается химическими процессами. В качестве примера такого износа можно указать коррозию, при наличии которой значительно усиливается и ускоряется механический износ. Явление коррозии имеет существенное значение в износе деталей дорожных машин и двигателей.

Коррозия возникает в результате воздействия органических кислот, присутствующих в смазке или образующихся при сгорании топлива, а также в результате действия газов при высоких температурах, паров воды и т. д.

При работе дорожных машин возникают следующие виды коррозии: атмосферная, почвенная, электрохимическая, жидкостная и коррозия при высоких температурах.

Причиной атмосферной и почвенной коррозии является влажность воздуха или почвы, особенно при наличии углекислоты, аммиака и др.

Электрохимическая коррозия происходит, если при контакте двух различных металлов образуется гальваническая пара, т. е. один металл с более отрицательным потенциалом служит анодом, а другой — катодом. Металл, имеющий более отрицательный потенциал, будет, как правило, коррозировать.

Жидкостная коррозия появляется в пароводяных системах из- за присутствия в воде воздуха, обогащенного кислородом. Одновременно в воде содержатся минеральные вещества, дающие растворы минеральных солей, кислот и щелочей. Такие водные растворы представляют собой электролиты, которые, взаимодействуя с металлом, вызывают активную коррозию.

Коррозия при высоких температурах вызывается нагревом металла и воздействием на него тепла. Активность коррозии в этом случае во многом зависит от качества металла и способности его окисляться при высоких температурах, например коррозия, наблюдающаяся в верхней части цилиндров двигателей внутреннего сгорания. Из исследования процесса сгорания топлива в двигателях следует, что частички продуктов неполного сгорания, сильно окисленные при внезапном падении температуры, прилипают к стенкам цилиндров, и кислород, содержащийся в них, воздействует на металл.

Комплексный износ возникает тогда, когда механический износ сопровождается одновременно химическим и физическим процессами. К комплексному износу относится такой износ выпускных клапанов двигателя, когда под действием высоких температур происходит частичное (поверхностное) сгорание металла, изменяются его структура и механические свойства, а химический процесс, происходящий от воздействия газов, вызывает коррозию металла. Клапан настолько теряет свои качества, что в определенный момент его головка совершенно перегорает, а иногда и отрывается.

Абразивный износ является разновидностью чисто механического износа, который обусловливается присутствием в сопряженных трущихся деталях абразивных частиц.

При работе дорожных машин отдельные детали и сопряжения имеют непосредственное соприкосновение с грунтом, например ножи автогрейдеров, бульдозеров и скреперов, детали гусеничного хода и др., работающие в самых тяжелых условиях. В этих случаях абразивные частицы имеют решающее значение в отношении износа.

При шлифовании цилиндров и клапанов при недостаточной их очистке после обработки некоторая часть абразивной пыли остается в цилиндрах двигателя.
Основным проводником попадания абразивных материалов в цилиндры двигателя является его впускная система. При наличии у двигателя даже наиболее усовершенствованного воздухоочистителя некоторое количество пыли в него все же проникает.

Абразивная пыль, попадающая в цилиндры двигателя, смешивается с маслом и образует подобие притирочной пасты, которая значительно усиливает износ деталей (поршней, колец, клапанов и т. п.).

Абразивный износ является наиболее распространенным среди деталей дорожных машин, работающих с песком, щебнем, бетоном, шлаком и т. п. Износ металла в этом случае происходит под воздействием зерен различных абразивных материалов, которые вдавливаются в основу металла детали и образуют в нем канавку (рис. 2). Выдавленный металл в виде буртиков располагается по обеим сторонам этой канавки. Так как структура металла в значительной части неоднородна, то в вытесненном металле появляются трещины, которые ослабляют его и создают возможность абразивным зернам постепенно деформировать и разрушать его. На дне же полученной канавки происходит наклеп, благодаря чему твердость металла значительно повышается.

Рис. 2. След от абразивного зерна на трущейся поверхности

В последние годы абразивному изнашиванию было уделено много внимания, поскольку износостойкость деталей этому виду износа имеет существенное значение для продления срока службы машин и их надежности в работе. Заслуживают внимания исследования в области абразивного изнашивания, проведенные канд. техн. наук М. М. Тененбаум. Вызывает несомненный интерес его точка зрения в вопросе активного абразивного действия твердых частиц абразива в контакте трущихся деталей.

Тененбаум указывает, что одно и то же количество абразивного вещества в контакте твердых тел в зависимости от различных факторов вызывает по объему различные разрушения поверхности этих тел. Например, активность абразивного действия определенного количества зерен кварцевого песка в контакте двух тел зависит во многом от характера взаимодействия этих зерен с двумя телами. Если абразивное зерно, не разрушаясь, вдавливается в поверхностный слой детали, то происходит вроде частичной изоляции зерна в контакте сопряженных деталей и их шаржирование. Это шаржирование абразивными частицами поверхностных слоев сопряженных деталей увеличивает износ их по сравнению с износом деталей в сопряжении которых отсутствуют абразивные частицы.

Как было отмечено при исследованиях, наибольший износ получается в том случае, когда абразивные зерна, находящиеся в контакте двух сопряженных деталей, раздробляются. Энергия, необходимая для раздробления зерен абразива, передается через небольшие по площади контактные участки поверхностного слоя, что вызывает разрушение определенных объемов материала деталей. Вновь образованные частицы кварцевого абразива будут иметь свою определенную геометрию, которая будет содействовать высокой концентрации контактных напряжений в поверхностных слоях трущихся деталей, что в свою очередь вызовет повышенное изнашивание поверхностей.

Таким образом при раздроблении в контакте одного и того же количества абразивных зерен, износ сопряженных деталей в определенных условиях будет значительно больше, так как абразивное действие при этом будет сопровождаться более высокой активностью. Только этим в основном и можно объяснить, что твердые бронзовые подшипники изнашивают шейку вала больше, чем баббитовые в условиях одинаковой загрязненности смазки.

В литературных источниках очень часто встречаются мнения, что сопряженная пара деталей из стали и капрона при абразивном износе имеет более высокую износостойкость, чем сопряжения металлических деталей. Это объясняется тем, что капрон частично поглощает абразивные зерна и этим снижает активность абразивного изнашивания.

Вследствие этих явлений можно сделать вывод, что действие абразивных частиц, находящихся в сопряжении деталей, может быть разным в зависимости от состояния этих частиц и материала сопряженных деталей. Повысить износостойкость сопряженных деталей абразивному износу можно путем подбора деталей с повышенной износостойкостью или подбирать детали из материалов сравнительно невысокой износостойкости, но способных поглощать абразивные частицы.

Институт строительной механики Академии наук Украинской ССР провел большую работу по изучению износов деталей автомобилей, тракторов и сельскохозяйственных машин. В результате работы этого института проф. Б. И. Костецким были установлены принципиально различные виды износа деталей, подчиняющиеся закономерности определенного процесса.

Б. И. Костецкий дает следующую классификацию видов износа деталей машин: износ схватыванием I рода; износ схватыванием II рода, или тепловой; окислительный износ; абразивный и оспо- видный износы.

В связи с тем что каждая деталь имеет ведущий вид износа, она будет иметь наиболее изнашиваемую поверхность обязательно там, где этот вид износа проявляется. Отчетливо выраженный вид износа обычно определяет износостойкость детали, характер и скорость его износа. Например, ведущий вид износа тяжело нагруженных зубьев шестерни — осповидный, а сопутствующие виды износа — тепловой и окислительный. Осповидный износ определяет износостойкость зубьев шестерни и появляется в зоне начальной окружности зуба, два же других вида износа — тепловой (на ножке зуба) и окислительный (на головке зуба шестерни) — не имеют решающего значения в отношении общей износостойкости зубьев шестерни при определенных условиях работы.


Читать далее:

Категория: - Техническое обслуживание дорожных машин





Главная → Справочник → Статьи → Форум



Разделы

Строительные машины и оборудование
Для специальных земляных работ
Дорожно-строительные машины
Строительное оборудование
Асфальтоукладчики и катки
Большегрузные машины
Строительные машины, часть 2,
Дорожные машины, часть 2
Ремонтные машины
Ковшовые машины
Автогрейдеры
Экскаваторы
Бульдозеры
Скреперы
Грейдеры Эксплуатация строительных машин
Эксплуатация средств механизации
Эксплуатация погрузочных машин
Эксплуатация паровых машин
Эксплуатация экскаваторов
Эксплуатация подъемников
Эксплуатация кранов перегружателей
Эксплуатация кузовов машин
Крановщикам и стропальщикам
Ремонт строительных машин
Ремонт дорожных машин
Ремонт лесозаготовительных машин
Ремонт автомобилей КАмаЗ
Техническое обслуживание автомобилей
Очистка автомобилей при ремонте
Материалы и шины