Теоретические основы расчетов узлов трения на износ

Министерство сельского хозяйства Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«Орловский государственный аграрный университет»

Факультет агротехники и энергообеспечения

Кафедра Механизации технологических процессов в АПК

 

РЕФЕРАТ

 

Теоретические основы расчетов узлов трения на износ

 

 

 

 

Выполнил:

магистрант 1 курса факультета

агротехники и энергообеспечения

111 группы направления подготовки  « Агроинженерия »

Гуцев Роман Олегович

Проверил:

к.ф.н., доцент Кузнецов И.С.

 

 

 

Орел, 2014

 

                   

 

 

                     СОДЕРЖАНИЕ.

 

Глава 1.

Историческая справка……………………………………………..2

Современная картина трения……………………………………..3

Глава 2.

Проблема разработки методов расчета деталей на износ

 

2.1 Трение скольжения……………………………………………..4

2.2 Трение качения, жидкостное трение………………………….6

2.3 Фрикционные автоколебания………………………………....7

2.4 Вибрационное сглаживание…………………………………...8

Заключение………………………………………………………….9

Список литературы……………………………………………….11                                                           

     

 

 

 

 

 

 

 

     

 

 

 

 

Глава 1.                                                                            

      1.1 Историческая справка.           

    

  Трение может быть полезным  и вредным - эту аксиому человек освоил еще на заре цивилизации. Ведь два самых главных изобретения - колесо и добывание огня - связаны именно со стремлением уменьшить и увеличить эффекты трения. Однако понимание природы трения и законов, которым подчиняется это явление, возникло не так уж давно и, к сожалению или к счастью, еще далеко от совершенства.  

  Талантливый человек во всем  талантлив, но лишь немногие гении  были гениальны во всем, что  бы они ни делали, и, пожалуй, за  всю историю человечества только  один человек - Леонардо да Винчи заслуживает звания абсолютно универсального гения. Как художник, скульптор и инженер он превосходил своих современников. Как ученый он обогнал свою эпоху на века. Среди бесчисленных научных достижений и первая формулировка законов трения. Он ещё в 1519 утверждал, что сила трения, возникающая при контакте тела с поверхностью другого тела, пропорциональна нагрузке (силе прижима), направлена против направления движения и не зависит от площади контакта. Модель Леонардо да Винчи была переоткрыта через 180 лет Г. Амонтоном и получила окончательную формулировку в работах Ш. О. Кулона (1781). Амонтон и Кулон ввели понятие коэффициента трения как отношения силы трения к нагрузке, придав ему значение физической константы, полностью определяющей силу трения для любой пары контактирующих материалов. До сих пор именно эта формула

Fтр = fтрP,

где P - сила прижатия, а Fтр - сила трения, является единственной формулой, фигурирующей в учебниках по физике, а значения коэффициента трения fтр для различных материалов (сталь по стали, сталь по бронзе, чугун по коже и т.д.) входят в стандартные инженерные справочники и служат базой для традиционных технических расчетов. Однако уже в XIX веке стало ясно, что закон Амонтона-Кулона не дает правильного описания силы трения, а коэффициенты трения отнюдь не являются универсальными характеристиками. Прежде всего, было отмечено, что коэффициенты трения зависят не только от того, какие материалы контактируют, но и от того, насколько гладко обработаны контактирующие поверхности. Выяснилось также, что сила статического трения отличается от силы трения при движении. Чтобы напомнить, что обычно понимается под статическим трением, представим схему простейшего эксперимента. Будем пытаться сдвинуть с места тело потянув за трос с пружинным динамометром. При малом перемещении конца троса тело остается на месте: силы, развиваемой пружиной динамометра, недостаточно. Обычно говорят, что на контактирующих поверхностях развивается сила трения, уравновешивающая приложенную силу. Постепенно увеличиваем перемещение и вместе с ним упругую силу, приложенную к телу. В какой-то момент она оказывается достаточной для того, чтобы стронуть тело с места. Зарегистрированное в этот момент показание динамометра и называют обычно силой статического трения, характеризующего предельные возможности неподвижного (статического) сцепления тел. Если мы будем продолжать медленно вытягивать трос, то тело поедет по поверхности. Оказывается, что регистрируемые в ходе движения показания динамометра будут не такими, как в момент страгивания. Обычно сила трения при медленном движении меньше силы страгивания, статического трения. Кулон изучал именно силу трения при медленном взаимном перемещении контактирующих тел и установил, что эта сила не зависит от величины скорости, а только от направления движения (всегда направлена против движения).

Конец XIX века ознаменовался замечательными достижениями в исследовании вязкости, то есть трения в жидкостях. Наверное, с доисторических времен известно, что смазанные жиром или даже просто смоченные водой поверхности скользят значительно легче. Смазка трущихся поверхностей применялась с момента зарождения техники, но только О. Рейнольдс в 1886 году разработал первую и принципиально на то время новую теорию смазки.

Она заключалась в том, что при наличии достаточно толстого слоя смазки, обеспечивающего отсутствие непосредственного контакта трущихся поверхностей, сила трения определяется только свойствами (гидродинамикой) смазочного слоя. Сила статического трогания равна нулю, а с ростом скорости сила сопротивления движению увеличивается. Если же смазки недостаточно, то действуют все три механизма: сила статического сопротивления страгиванию с места, Кулонова сила и сила вязкого сопротивления. Итак, к концу XIX века выяснилась картина зависимости силы трения от скорости. Но уже на пороге XX века возникло сомнение в правильности этой картины при очень малых скоростях. В 1902 году Штрибек опубликовал данные, свидетельствующие о том, что при отсутствии смазки сила сопротивления не падает сразу с уровня силы трогания до кулоновой силы, а возникает постепенное падение силы с ростом скорости - эффект, противоположный гидродинамической вязкости. Этот факт был многократно перепроверен в дальнейшем и теперь обычно именуется Штрибек-эффектом. Картина зависимости силы трения от скорости приобрела форму, использующуюся до сегодняшнего дня.

Быстро развивавшаяся техника XX века требовала все большего внимания к исследованию трения. В 30-е годы исследования в области трения стали настолько интенсивными, что потребовалось выделить их как специальную науку - трибологию, лежащую на стыке механики, физики поверхностных явлений и химии (создание новых смазочных материалов - дело химиков). Только в США в этой области работают в настоящее время более 1000 исследователей, и в мировой науке ежегодно публикуется более 700 статей.                                        

1.2 Современная картина  трения. 

 

 

  ТРИБОЛОГИЯ (от греч. tribos - трение и ...логия) - научная дисциплина, занимающаяся изучением трения и износа узлов машин и механизмов в присутствии смазочных материалов. 

Для того чтобы понять хотя бы основы трибологии, следует прежде всего обратиться к топографии поверхностей контактирующих между собой частей реальных механизмов. Эти поверхности никогда не являются идеально плоскими, имеют микронеровности. Места выступов на одной поверхности отнюдь не совпадают с местами выступов на другой. Как образно выразился один из пионеров трибологии, Ф. Боуден, "наложение двух твердых тел одного на другое подобно наложению швейцарских Альп на перевернутые австрийские Альпы - площадь контакта оказывается очень малой". Однако при сжатии остроконечные "горные пики" пластически деформируются и подлинная площадь контакта увеличивается пропорционально приложенной нагрузке. Именно сопротивление относительному сдвигу этих контактных зон и является основным источником трения движения. Само сопротивление сдвигу при идеальном контакте определяется межмолекулярным взаимодействием, зависящим от природы контактирующих материалов. 

  Таким образом, объясняется влияние двух главных факторов: нагрузки (силы прижатия) и свойств материалов. Однако имеются два осложняющих обстоятельства. Во-первых, металлические поверхности на воздухе быстро покрываются тонкой пленкой окислов и фактически контакт осуществляется не между чисто металлическими поверхностями, а между окисными пленками, имеющими более низкое сопротивление сдвигу. Проникновение же любой жидкой или пастообразной смазки вообще меняет картину контакта. Во-вторых, при относительном сдвиге осуществляется не только скольжение по контактным площадкам, но и упругое деформирование выступов, пиков. Выделим мысленно только два пика (наклон их склонов порядка 10-20). При попытке сдвинуться в горизонтальном направлении один пик начинает прогибать другой, то есть сначала пытается сгладить дорогу, а потом уже скользить по ней. Ширина пиков мала (порядка сотых долей миллиметра), и в пределах таких микросмещений главную роль играет именно упругое сопротивление, то есть сила должна подчиняться закону Гука, быть пропорциональной смещению. Иначе говоря, при микросмещениях контактирующие поверхности оказываются как бы связанными многочисленными пружинками. Но после того как верхний пик в ходе движения перевалит через нижний (причем оба они сплющиваются), пружинка рвется вплоть до встречи с новым препятствием. Таким образом, после приложения продольной силы, стремящейся сдвинуть два тела, могут возникнуть следующие четыре основных режима: режим I упругих микросмещений, режим II скольжения по площадкам контактов мягкого поверхностного слоя (окисных пленок), режим III, когда при большей скорости выдавливаемая жидкая смазка создает подъемную силу, нарушающую большую часть прямых контактов и тем самым снижающую силу трения, режим IV, когда прямые контакты вообще исчезают, одно тело "плывет" над другим по смазочному слою и с увеличением скорости возрастает вязкое сопротивление.

Этим качественным представлениям соответствует график зависимости коэффициента трения от скорости. Заметим, что зона спадания коэффициента трения (зона Штрибек-эффекта) обычно очень мала, порядка 1 мм/с. Если же смазка не вводится искусственно, то увеличение трения с ростом скорости почти незаметно и мы возвращаемся к закону Амонтона-Кулона, за исключением зоны очень малых скоростей на получившемся графике зависимости.                                                          

          Глава 2.                              

Проблема разработки методов расчета деталей на износ

Наибольшее внимание при разработке методов расчета деталей на износ необходимо уделить методам расчета типовых наиболее изнашиваемых узлов машины: направляющих металлорежущих станков, зубчатых передач, подшипников скольжения и качения, кулачковых механизмов, фрикционных передач, уплотнений валов. По вопросам расчета указанных сочленений имеются фундаментальные разработки, которые подробно описаны в технической литературе и широко используются на практике.

Главной трудностью на пути подобных расчетов является то, что в процессе трения происходят физико-химические изменения в поверхностных слоях трущихся металлов, которые трудно поддаются математическому анализу.

Проблемы необычных условий работы машин и приборов

Сложность этой проблемы состоит, прежде всего, в том, что все узлы трения все чаще обязаны работать в условиях, принципиально отличных от тех, которые сформировались в нашу эпоху на поверхности Земли и которые с точки зрения человека являются наиболее привычными и естественными. 
Неудивительно, что опыт по разработке узлов трения, накопленный в машиностроении за весь период его развития, относится главным образом именно к земным условиям. Совершенно иными являются условия работы космических объектов, характеризуемые высоким и сверхвысоким вакуумом, интенсивным воздействием различных излучений, необычными тепловыми условиями и невесомостью. Промежуточными между земными и космическими можно считать условия, возникающие при полетах высотных самолетов и ракет. Очень специфичны также условия, возникающие при работе технических устройств в атомной промышленности (интенсивное жесткое облучение и высокие температуры), энергомашиностроении (высокие температуры и химически активные среды), вакуумной и полупроводниковой промышленности (разреженные среды строго определенного состава), криогенной технике (сверхнизкие температуры) и ряде других. Параллельно и одновременно с повышением температуры окружающей среды в современной технике все настойчивее проявляются тенденции к увеличению быстроходности механизмов и росту рабочих нагрузок, что особенно типично для военной авиации и ракет. Таким образом, при переходе от обычных условий к экстремальным решающее значение приобретает внешнее воздействие на узел трения, связанное со специфическими условиями окружающей среды. Наиболее характерными и важными факторами здесь являются плотность и физико-химическая активность среды, а также наличие теплового, ионизирующего и других излучений. Влияние каждого из перечисленных факторов оказывается настолько специфичным, что требует специального рассмотрения. Поэтому полезно классифицировать узлы трения, работающие в напряженных и необычных условиях, по характеру воздействия на них окружающей среды.

Необычные и напряженные условия все чаще заставляют создателей новой техники пересматривать традиционные, сложившиеся в течение многих лет принципы разработки узлов трения и основанные на них конструкторские решения.

 

 

 

                                                  2.1 Трение скольжения. 

 

 

   Под трением понимают сопротивление, возникающее при перемещении  одного тела относительно другого, прижатого к первому. При этом различают трение покоя, скольжения и качения. 

  Силой трения покоя (Fn) называют сдвиговое усилие, прикладываемое к контактирующим телам, и не вызывающее их взаимного скольжения. При этом взаимное перемещение (Ln) достигается за счет деформации материала выступов шероховатости в зоне контакта и называется предварительным смещением. Оно носит в основном упругий характер и исчезает при снятии сдвигающего усилия. Однако по мере роста сдвигающего усилия предварительное смещение приобретает пластический характер и становится частично необратимым.  

  Силу трения можно представить  в виде произведения удельной  силы трения (t) и фактической площади  контакта (Аr):

F = tAr.                                           (1) 

  Под коэффициентом трения понимают  отношение силы трения к действующему на контакте нормальному усилию:

m = F/N.                                                (2)

Здесь также различают коэффициенты трения покоя (статический) и скольжения (кинетический).  

  В зависимости от характера  смазочной прослойки различают 4 вида трения: сухое, граничное, гидродинамическое (жидкостное) и смешанное (одновременно имеются элементы сухого, граничного и гидродинамического трения). В первом случае контактируют несмазываемые поверхности, покрытые окисными пленками и тончайшими слоями молекул газов и воды, адсорбированными из окружающей среды. Во втором случае, помимо перечисленных пленок, присутствуют молекулы смазочных материалов в виде тонкого слоя толщиной в несколько молекул, которые прочно связаны с поверхностью. В третьем случае слой жидкой смазки полностью разделяет сопряженные поверхности. 

  Сухое и граничное трения сходны  по своей природе и имеют  общие закономерности. Причиной  служит то обстоятельство, что  при граничном трении мономолекулярные  слои смазки прочно связаны с твердой поверхностью, обладают твердообразными свойствами и как бы служат продолжением твердой фазы. Поэтому, как и при сухом трении, фактически имеет место контакт двух твердых поверхностей. Отличие проявляется в разных значениях коэффициента трения. Если при сухом трении он обычно больше 0,2 , то при граничном его величина заключена в интервале 0,05-0,2.