9 Основы триботехники

9.1 Общие сведения

Триботехника — научная дисциплина о контактном взаимодействии твердых тел при их относительном движении, изучающая вопросы их трения, изнашивания и смазывания.

Соприкасающиеся поверхности взаимно перемещающихся тел составляют пару трения. Узлы машин, содержащие па­ры трения, называют узлами трения. Величина трения в уз­ле зависит от многих факторов: геометрии поверхностей тре­ния, сочетания материалов, условий смазывания, конструк­ции узла и режима его работы.

Отрицательное влияние трения проявляется в виде потерь энергии и изнашивания деталей. В промышленности на пре­одоление сопротивления, создаваемого трением в подвижных соединениях, затрачивается около половины потребляемой энергии. Изнашивание приводит к изменению размеров, фор­мы и состояния поверхностей деталей, а в итоге — к потере их работоспособности.

Нежелательные проявления трения сглаживаются и ком­пенсируются смазыванием поверхностей трения. Смазка — это введение смазочного материала между поверхностями для уменьшения силы трения и/или интенсивности изнашивания.

Понятия «трение», «смазка» и «изнашивание» связаны не­разрывно и зависят от состояния поверхностей. Поверхность реального твердого тела имеет отклонение от идеальной гео­метрической формы. Это макроотклонения формы, например в виде неплоскостности или нецилиндричности, являющиеся следствием неточности обработки. Это шероховатость в виде неровностей высотой от 0,05 до 500 мкм с углом наклона до 10°, зависящая от способа и режима обработки. Выступы ше­роховатости расположены на волнах неровностей высотой до 100 мкм и шагом 50...5000 мкм. Волнистость возникает из-за неравномерностей относительных движений и колебаний сис­темы станок—инструмент—деталь при обработке деталей.

Указанные отклонения приводят к тому, что при контакти­ровании реальных поверхностей они воспринимают нагрузку вершинами выступов. Первыми в контакт вступают противо­стоящие выступы, сумма высот которых наибольшая. По ме­ре увеличения нагрузки деформация неровностей и частично их основ приводит к сближению поверхностей и в контакт вступают пары выступов с меньшей суммой высот. Разновременность вхождения в контакт приводит к различной дефор­мации выступов. Часть выступов деформируется упруго, часть — пластически. В итоге площадь фактического контакта поверхностей со­стоит из множества дискретных малых площадок, располо­женных на различных высотах в местах наиболее полного сближения поверхностей. Площадь фактического контакта зависит от геометрии поверхностей, от физических и механи­ческих свойств поверхностного слоя, от величины нагрузки и продолжительности ее приложения.

Поверхности пар трения в результате их окисления покры­ты пленками. Поверхностный слой материала под пленками в результате механической обработки имеет измененную струк­туру в сравнении с глубинной частью. Например, из-за накле­па микротвердость поверхностного слоя часто выше, чем у ос­новы. На свойства поверхностного слоя оказывают влияние поверхностно-активные вещества, содержащиеся в смазочных материалах. Кроме того, после повышения температуры при механической обработке в поверхностном слое появляются ос­таточные напряжения. В результате действия указанных факторов площадь фак­тического контакта на практике составляет под нагрузкой ма­лую часть номинальной (контурной) площади и только при очень высоких нагрузках достигает 30...40% номинальной площади. Величина площади фактического контакта и из­менение ее под действием нагрузок являются факторами, от которых зависит трение, смазка и изнашивание поверхностей трения.