Основные понятия о трении и изнашивании.

Matn

Основные понятия о трении и изнашивании.

План

Введение.
Трение и износ.
Основные понятия процесса трения.

{spoiler=Подробнее}

Со времени создания первых механических устройств человек обнаружил, что любое перемещение реальных тел в горизонтальной плоскости всегда встречает внешнее сопротивление. Еще не понимая природы этого сопротивления движению, человек уже ощущал, что на его преодоление необходимо затратить определенную энергию. Сейчас хорошо известно, что причиной этого сопротивления движению является трение.

Трением в широком смысле слова можно назвать такое взаимодействие движущегося тела с окружающей средой или с другими телами, которое сопровождается рассеянием энергии. Трение - это вредное явление, на борьбу с которым человечество в наши дни расходует до 25-30% всей используемой энергии. Указанная энергия не просто теряется, а превращается в тепло, которое нагревает механизмы и узлы машин. Это во многих случаях приводит к авариям и отказам. Трению почти всегда сопутствует изнашивание - основной враг механических устройств.

В то же время известна и полезная роль трения. Трудно даже вообразить, насколько катастрофическими были бы последствия исчезновения трения. Даже в результате частичного его исчезновения, например в условиях гололеда, в сотни раз увеличивается уровень дорожных происшествий. Без трения немыслимо представить себе работу тормозных устройств.

Современный человек научился побеждать трение и в значительной мере подчинил его себе. Однако природа этого явления до сих пор остается во многом загадочной, а трудности, обусловленные трением, по-прежнему стоят перед инженерами.

Многочисленные исследования показывают, что до 70-80% отказов машин происходит из-за износа узлов трения. В нашей стране на ремонт машин и оборудования ежегодно расходуются многие миллиарды рублей, выпускается огромное количество запасных частей, на ремонт работает большой парк станочного оборудования, в сферу ремонта и обслуживания машин втягивается все большее число людей.

Поэтому важнейшая проблема современной техники - внедрение и дальнейшее развитие работ по изысканию эффективных методов повышения износостойкости, решением которой занимается наука о трении и изнашивании - триботехника (от греческого слова «трибос» - «трение»).

В инженерную практику все более внедряются методы оценки износа деталей на стадии их проектирования, разрабатываются руководящие материалы, регламентирующие оценку износостойкости деталей, совершенствуются существующие и создаются новые методы расчета на износ. Нормативы износостойкости используются при разработке новых и совершенствовании серийно выпускаемых машин, для оценки уровня технико-эксплуатационных свойств изделий. Показатели износостойкости включаются в стандарты на готовую продукцию. Использование расчетных методов износа и нормируемых показателей износостойкости позволяет устанавливать оптимальные межремонтные ресурсы машин и агрегатов, номенклатуру и нормы расхода запасных частей. С повышением износостойкости увеличивается надежность и долговечность машин.

Эффективность применения триботехники в народном хозяйстве огромна: специалисты оценивают ее примерно в 2% государственного бюджета страны. Одна из особенностей триботехники, выгодно отличающей ее от других отраслей технических знаний, состоит в том, что огромный экономический эффект достигается в основном не техническим перевооружением промышленности, связанным с затратами дополнительных средств и труда, а благодаря использованию знаний, накопленных в этой области.

Все сказанное позволяет утверждать, что в современных условиях знание основ триботехники обязательно для каждого инженера-механика. Инженеру-конструктору оно даст возможность правильно применить конструкцию подвижного сопряжения, подобрать соответствующие материалы трущихся деталей, назначить оптимальный режим работы сопряжения. Инженеру-технологу триботехника поможет выбрать совершенные технологические методы обработки, инженеру-эксплуатационнику - обеспечить надлежащий режим эксплуатации и обслуживания машин. Вопрос подготовки инженерно-технических и научных кадров специалистов по триботехнике в настоящее время является весьма актуальным. Курс «Триботехника» дает представление о природе и закономерностях внешнего трения и изнашивания шероховатых поверхностей; современных теориях трения, в частности молекулярно-механической теории; методах расчета коэффициентов трения; методах расчета и прогнозирования интенсивности изнашивания; видах абразивного изнашивания; природе и механизме абразивного изнашивания; значении смазки и присадок при трении и изнашивании; закономерностях изнашивания и методике подбора материалов для трущихся сопряжений; конструктивных, технологических и эксплуатационных методах повышения износостойкости; трении и изнашивании в специфических условиях (в агрессивных средах, в вакууме, в условиях низких температур и т.д.); современных методах и оборудовании, применяемых для исследования процессов трения и изнашивания; основных направлениях развития триботехники.

Большой вклад в развитие триботехники, особенно за последние годы, внесли и ученые Узбекистана — Г. А. Кошевников, А. Д. Мотков, Р. Г. Махкамов, С. С. Негматов и другие.

Первые попытки осмыслить природу трения были сделаны Аристотелем. Опираясь на наблюдаемые факты, он отмечал, что любое, в том числе равномерное, перемещение реальных тел в горизонтальной плоскости всегда встречает внешнее сопротивление, причем это сопротивление зависит от веса тела. Но Аристотель не знал принципа инерции и потому не мог понять разницы между сопротивлением, связанным с самим телом (инерцией), и сопротивлением, обусловленным взаимодействием движущегося тела с внешней средой (то, что мы теперь называем силой трения).

Значительный вклад в изучение причин трения внес Леонардо да Винчи. Обосновывая невозможность создания вечного двигателя, одной из причин этого он считает трение. Леонардо да Винчи впервые ввел понятие коэффициента трения, показал, что сила трения зависит от материала соприкасающихся поверхностей, от качества их обработки, прямо пропорциональна нагрузке и может быть уменьшена путем установки роликов или введения смазки между поверхностями трения. Леонардо да Винчи является изобретателем роликового и шарикового подшипников. I

Открытие Галилеем в конце XVI в. закона инерции и понятия о массе тела явилось крупным шагам в механике. Галилей доказал, что свободное тело (т. е. тело, движущееся в пустоте, без всякого внешнего сопротивления) -под действием постоянной силы движется равноускоренно. При этом движущая сила (а следовательно, и сила сопротивления ускорению) прямо пропорциональна массе тела. Открытие Галилея позволило четко разграничить сопротивление движению, вызываемое инерцией и возникающее лишь при изменении скорости (появлении ускорения), от сопротивления внешней среды, которое имеется и при постоянной скорости (без ускорения) и вызвано силами -внешнего трения.

В 1699 г. француз Амонтон впервые сформулировал знаменитый эмпирический закон линейной зависимости силы трения от нагрузки:

(1.1)

где f - коэффициент трения; N - нормальная к плоскости трения нагрузка.

Большую роль в дальнейшем развитии представлений о трении ;ыграл Л. Эйлер, первый убедительно объяснивший (в 1750 г.) причину того факта, что 'сопротивление при переходе от состояния покоя к относительному движению всегда больше, чем сопротивление скольжению при тех же условиях. Обнаруженный Эйлером эффект уже в его время нашел практическое применение. Открытие Эйлера позволяло при спуске на воду судов предусмотреть усиление тяги в момент страгивания судна с места, в результате чего избежать опасных последствий, связанных с резким ускорением скольжения судна по стапелям сразу после начала движения.

Другим известным достижением Эйлера в области трения была выведенная им формула для каната, «намотанного на кнехт и удерживающего судно», которая до сих пор используется в инженерной практике.

Создателем науки о трении по праву считается великий французский ученый Шарль Кулон. В своем труде «Теория простых машин» (1781 г.) он охватил основные аспекты трения: сопротивление скольжению, сопротивление качению и сопротивление страгиванию.

При исследовании трения скольжения различных металлов, минералов и сортов дерева Кулон обобщил закон Амонтона, показав, что часть силы трения не зависит или слабо зависит от нагрузки:

(1.2)

где А - часть силы трения, зависящая от «сцепляемости» поверхностей трения и площади касания.

Кулон был первым, кто понял, что трение обусловлено множествам факторов (нагрузкой, скоростью скольжения, материалом трущихся деталей, шероховатостью их поверхностей и др.). исследуя трение качения, Кулон впервые вывел формулу сопротивления перекатыванию:

(1.3.)

где - коэффициент трения качения, имеющий размерность длины;

N - вес свободно катящегося цилиндра радиусом г.

Эта классическая формула используется и сейчас, хотя предпринимались многочисленные попытки ее опровергнуть. Несмотря на фундаментальный вклад Кулона в теорию трения, он игнорировал энергетический и тепловой аспекты этого явления, без которых механизм трения понять невозможно. В этой связи следует отметить, что высказанная еще Амонтоном идея, объясняющая природу трения как подъем одного тела по неровностям другого, разделялась многими крупными учеными вплоть до конца XVIII в.

Первым ученым, доказавшим, что механическая энергия при трении не исчезает, а превращается в тепло, был англичанин Бенджамин Томпсон (1798 г.). Наблюдая за сверлением пушечных Стволов, он пришел к выводу, что сильный нагрев заготовок есть прямой результат перехода подводимой к сверлу механической энергии в тепловую вследствие интенсивного трения инструмента о металл. Дальнейший вклад в энергетические аспекты теории трения был сделан Майером (1842 г.), Джоулем (1843 г.), Гельмцгольцем (1847 г.). Тогда же (в середине XIX в.) были высказаны и первые предположения об адгезионной природе трения (адгезия — сцепление, слипание поверхностей прижатых друг к другу тел). Исследование роли адгезионных связей в трении получило дальнейшее развитие в различных физических теориях трения в 3040-х годах нашего столетия (ученые В. Д. Кузнецов, Б. В. Дерягин, Д. А. Томпинсон и др.).

В 50 – 60 х годах прошлого столетия с развитием научно-технической революции триботехника получила дальнейшее развитие. В этот период И. В. Крагельским, Ф. Боуденом и Д. Тейбором была создана современная молекулярно-механическая теория трения. Согласно этой теория процесс трения представляется как результат двух взаимосвязанных процессов: деформации контактирующих микронеровностей и молекулярного взаимодействия материалов на пятнах фактического контакта. Силы молекулярного взаимодействия, развивающиеся в зоне фактического контакта, оказывают сопротивление взаимному перемещению поверхностей и тем самым влияют на силу трения. Согласно молекулярно-механической теории трения суммарный коэффициент трения равен

(1.4)

где F - суммарная сила трения; N - нормальная нагрузка; F_м - молекулярная (адгезионная) составляющая силы трения; F_Д - механическая (деформационная) составляющая силы трения; f_м - молекулярная (адгезионная) составляющая коэффициента трения; f_Д - механическая (деформационная) составляющая коэффициента трения.

Приведем некоторые основные определения, связанные с процессами трения и изнашивания, в соответствии с ГОСТ 23.002-78.

Внешнее трение - явление сопротивления относительному перемещению, возникающего между двумя телами в зонах соприкосновения поверхностей по касательным к ним, сопровождаемое диссипацией (рассеиванием) 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 (длины, объема, массы и др.).

Износостойкость - свойство материала оказывать сопротивление изнашиванию в определенных условиях трения, оцениваемое величиной, обратной скорости изнашивания или интенсивности изнашивания.

Скорость изнашивания - отношение значения износа к интервалу времени, в течение которого он возник. Различают мгновенную (в определенный момент времени) и среднюю скорость изнашивания (за определенный интервал времени).

Интенсивность изнашивания - отношение значения износа к обусловленному пути, .на котором происходило изнашивание, или объему выполненной работы. Различают мгновенную и среднюю интенсивность изнашивания.

Трение покоя - трение двух тел при микросмещениях до перехода к относительному движению.

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

Трение скольжения - трение движения, при котором скорости тел в точке касания различны по величине и (или) направлению.

Трение качения - трение движения двух твердых тел, при котором их скорости с точках касания одинаковы по величине и^;направлению.

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

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

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

Контрольные вопросы.