Трение и изнашивание элементов триботехнических систем энергетических установок

По характеру относительного движения различают трение скольжения и трение качения. Иногда оба вида трения проявляются совместно, когда качение сопровождается про­скальзыванием, например, в зубчатых и зубчато-винтовых пере­дачах или между колесами и рельсами.

В зависимости от того, является ли относительное перемещение соприкасающихся пар макро- или микросмещением, различают силу трения движения, неполную силу трения покоя, наибольшую силу трения покоя. Сила трения движения – сила сопротивления при относительном перемещении одного тела по поверхности другого под действием внешней силы, тангенциально направленной к общей границе между этими телами. Наибольшая сила трения покоя – сила предельного сопротивления относительному перемещению соприкасающихся тел без нарушения связи между ними и при отсутствии смещения на контакте. Приложенная к одному из тел параллельно плоскости касания сила, превышающая хотя бы на бесконечно малую величину си­лу трения покоя, уже нарушает равновесие. Неполная сила трения покоя – сила сопротивления, направленная противоположно усилию сдвига, при отсутствии смещения на контакте. Она изменяется от нуля (при отсутствии сил, стремящихся нарушить от­носительный покой тел в плоскости их касания) до наибольшего значения, когда она переходит в силу трения покоя.

В зависимости от наличия смазочного материала различают следующие виды трения: трение без смазочного материала и тре­ние со смазочным материалом.

Трение без смазочного материала

Трение без смазочного материала и при отсутствии загрязнений между поверхностями трения бывает в тормозах, фрикционных передачах, в узлах машин текстильной, пищевой химической промышленности, где смазочный материал во из­бежание порчи продукции либо по соображениям безопасности недопустим, а также в узлах машин, работающих в условиях высоких температур, когда любой смазочный материал не при­годен.

Трение имеет молекулярно-механическую природу. На площадках фактического контакта поверхностей действуют си­лы молекулярного притяжения, которые проявляются на рас­стояниях, в десятки раз превышающих межатомное расстояние в кристаллических решетках, и увеличиваются с повышением температуры.

Молекулярные силы при наличии либо отсутст­вии промежуточной вязкой прослойки (влаги, загрязнения, смазочного материала и т.п.) вызывают на участках контакта адгезию. АДГЕЗИЯ – это поверхностное явление, заключающееся в сцеплении поверхностей контактирующих деталей в результате воздействия поля сил, возникающего в системе поверхностный слой + окружающая среда. КОГЕЗИЯ – это силовое взаимодействие внутри тела. (если успеваю то вставка (1)).

Она возможна между металлами и пленками окислов. Адгезия может быть обусловлена одновременно и действием электростатических сил. Силы адгезии, как и молекулярные си­лы, прямо пропорциональны площади фактического контакта. Приложенное давление влияет на эти силы косвенно, через пло­щадь фактического контакта.

Молекулярные силы как силы, перпендикулярные поверхно­сти, казалось бы, не должны производить работу при относи­тельном тангенциальном перемещении поверхностей. То же должно относиться и к силам адгезии, если образовавшаяся вследствие адгезии связь между телами разрушается по месту соединения. На самом же деле относительное смещение поверх­ностей при наличии взаимного притяжения и адгезии сопровож­дается деформацией сдвига, что вследствие неидеальной упруго­сти материала требует дополнительных затрат энергии. [Разуме­ется, большую тангенциальную силу надо приложить, если связь между телами нарушается не по месту соединения, а на некото­рой глубине от поверхности контакта.]

Более сильным проявлением молекулярных сил является схватывание поверхностей. Сила трения в этом слу­чае зависит от протяженности зон схватывания и сопротивления их разобщению.

Сила трения F_тр обусловлена механическим и молекулярным взаимодействиями:

,

где а – средняя интенсивность молекулярной составляющей си­лы трения; S_ф – фактическая площадь контакта; b – коэффици­ент, характеризующий механическую составляющую силы трения; Р – сила давления (на поверхность).

Коэффициент трения f представляет собой отношение силы трения к силе давления

.

Приведенные формулы для определения Fтр и f действительны для трения со смазочным материалом и без него.

Статическая сила трения в зависимости от продолжительно­сти неподвижного контакта возрастает до некоторого предела. Сила трения движения зависит от скорости скольжения, причем соответственно давлению и параметрам поверхности трущихся тел коэффициент трения может монотонно изменяться и иметь максимум или минимум.

Трение без смазочного материала сопровождается скачкооб­разным скольжением поверхностей, с чем связаны, например, вибрация автомобиля при включении сцепления, «дергание» при торможении, «визг» тормозов, вибрация резцов при резании и нарушение плавности работы медленно движущихся деталей.

Скачкооб­разное скольжение способствует повышению интенсивности износа контактирующих поверхностей. Для борьбы со «скачками» при трении рекомендуются следующие мероприятия (табл. 5.3). Таблица 5.3

Т р е н и е б е з с м а з к и
Причина повышенного износа	Результат	Меры борьбы со «скачками» при трении
Скачкообразное скольжение контактирующих поверхностей	Повышенная вибрация Прерывистое движение Шум Нарушение плавности хода	Увеличение жесткости системы Повышение скорости скольжения Подбор пар трения по коэффициенту трения

При высоких температурах на поверхностях трения очень быстро образуется оксидная пленка, которая уменьшает силу трения и интенсивность изнашивания, а также предохраняет контактирующие поверхности от коррозии и непосредственного контакта. Свойства этой пленки зависит от состава материала и параметров окружающей среды.

(ВСТАВКА №1) Противодействие силам сцепления имеет место при внутреннем трении при взаимном перемещении элементов структуры какого-нибудь тела (газа, жидкости, твердого тела) или при внешнем трении, когда при контакте поверхностных неровностей двух тел эти неровности срезаются, упруго или пластически деформируются. Противодействие силам адгезии двух контактирующих поверхностей тел начинается при попытке их взаимного перемещения.

Поле сил создается зарядом атомов (ионов, молекул), из которых состоит верхний слой контактирующих между собой тел. Это поле экспоненциально уменьшается с увеличением расстояния от поверхности. Практически поверхностное взаимодействие типа вандер-ваальсова исчезает на расстоянии 1—2 нм (1 нм = 10^-9 м), поэтому для адгезии необ­ходимо соответствующее сближение поверхностей.

Адгезия и когезия вызываются одними и теми же силами, различие заключается в их локализации. Если силы действуют внутри рассматриваемого тела, то вызывают когезию, если действуют на поверхности – адгезию (рис. 2.3). Силы адгезии тем больше, чем больше воздействие электростатических и электродинамических сил в зоне контакта тел. Это тесно связано со структурой тел и, следовательно, их поверхности. Характер сил адгезии — аддитивный, поэтому, чем больше реальная поверхность контакта, тем прочнее адгезионное сцепление.

Всякое воздействие, приводящее к отрыванию элементов тела, встречает сопротивление когезионных сил, а отрывание или взаимное перемещение тел, соприкасающихся между собой, встречает сопротивление адгезионных сил. При взаимном перемещении тел с идеально гладкими поверхностями существовало бы только сопротивление адгезионных сил. Взаимное перемещение реальных шероховатых поверхностей контакта встречает не только адгезионное сопротивление, но и со­противление неровностей обеих поверхностей, возникающее в результате упругих и пластических деформаций, срезания неровностей, царапания и т. д. Все эти воздействия уравновешиваются силами сцепления при декогезии материала. Можно сделать следующий вывод.

Трение является следствием действия сил адгезии и когезии.