Основные понятия (стр. 5 )

ПОТЕРИ НА ТРЕНИЕ В МАШИНАХ И КАЧЕСТВЕННАЯ КАРТИНА ИЗНОСА ДЕТАЛЕЙ

Автомобили, теплоходы, самолеты перемещаются в пространстве за счет сжигания колоссального количества топлива. Такой расход топлива связан с затратами определенной энергии на трение. Несмотря на крупные успехи в повышении экономичности теплосиловых установок, удельный расход топлива до сих пор остается одной из важнейших характеристик любого теплового двигателя.

Основная энергия при транспортировке груза затрачивается на преодоление внешнего сопротивления в результате трения о твердое покрытие, воздух или воду. Энергетическую эффективность любого транспортного средства, равномерно движущегося в сопротивляющейся среде, можно оценить безразмерным коэффициентом (энергетическим критерием):

К=v*/К*,

где v*=v/v0- скоростной коэффициент; К*=R(v)/G - коэффициент сопротивления; v - скорость перемещения груза транспортным средством; v0- скорость пешехода; R(v)- сила сопротивления среды при скорости v; G - масса груза.

Из приведенной формулы следует, что эффективность перевозки тем выше, чем больше масса груза и скорость его перемещения и чем меньше преодолеваемое сопротивление при той же скорости перемещения.

Энергетическая эффективность транспортных средств

Способ транспортировки груза	Скоростной коэффициент, v*	Коэффициент сопротивления, K*	Энергетический критерий, К
Волок	1.0	0.3	3.3
Автомобиль	30.0	0.2	150
Железная дорога	15.0	0.006	2500
Теплоход	10.0	0.004	2500
Самолет	200	1.1	182

Из сопоставления данных следует, что наиболее экономичным видом транспорта являются железнодорожный и водный, которые имеют более высокие значения параметра К. Рентабельность современного автомобильного и авиационного транспорта обусловлена не расходом топлива, а экономией во времени, достигаемой перевозкой грузов и пассажиров

При скорости 30 км/час на преодоление сопротивления воздуха затрачивается половина мощности современного автомобиля, а при 130 км/час встречный воздушный поток съедает уже 2/3 мощности. Сопротивление внешней среды, коэффициент внешнего трения R(v) для среднего легкового автомобиля составляет 0.16 при 80 км/час и 0.33 при 130 км/час. Такие данные свидетельствуют, что на борьбу с сопротивлением воздуха ежегодно затрачивается десятки миллионов тонн бензина, керосина, масел.

Пути увеличения энергетического критерия К. Необходимо снизить сопротивление среды R(v). Это можно достичь:

- способностью автоматически изменять форму транспортного средства в соответствии с конкретными условиями так, чтобы обтекание во всех случаях оказалось оптимальным;

- созданием вакуумированных транспортных туннелей, которые позволили бы исключить или резко уменьшить сопротивление воздушной среды (электромагнитная тяга, гравитационная). Транспортные кабины в указанных условиях могли бы иметь скорость 400-600 км/час и К=104. Наиболее эффективным является создание транспортных средств обтекаемой формы. Каплеобразная форма наиболее выгодная. Выступающие части - антенна, багажник увеличивают расход топлива (багажник на крыше без груза - дополнительный расход 600 г на 100 км пути).

СМАЗКА В ТРИБОСОПРЯЖЕНИЯХ

Для снижения трения и изнашивания деталей машин в технике используют смазочные материалы, которые вместе с деталями трибосопряжения, формируют трибосистему, состоящую из двух деталей и «третьего тела»- смазочного материала. Оптимально подобранные смазки в десятки и сотни раз снижают интенсивность трибологических процессов в узлах трения машин по сравнению с интенсивностью тех же процессов без смазки.

В зависимости от количества смазочного материала, поступающего в зону контакта твердых тел, возможны различные виды трения со смазкой. Иллюстрация этих видов (диаграмма Герси-Штрибека, f - коэффициент трения; S0- число Зоммерфельда) представлена на рисунке 1.

Рис. 1. Диаграмма Герси-Штрибека

Число Зоммерфельда рассчитывают по формуле:

S0=(py2)/(hw),

где р - среднее давление в подшипнике; y - (dвт-dв)/dв - относительный зазор в подшипнике; dвт и dв - диаметр отверстия во втулке и вала под подшипником; h - коэффициент динамической вязкости масла; w - угловая скорость вращения вала.

В зоне смазки А-В имеет место граничное трение, в зоне В-С - жидкостное трении. Жидкостная смазка обеспечивает устойчивый режим работы сопряжения. Некоторое увеличение коэффициента трения правее точки В связано с повышением толщины слоя смазки. Граничная смазка является неустойчивой фазой. Увеличение коэффициента трения на участке В-А связано со снижением частоты вращения вала. Это приводит к уменьшению толщины масляной пленки и, соответственно, повышению среднего давления р. Условия работы сопряжения ухудшаются.

Наиболее благоприятные условия работы сопряжения обеспечивает жидкостное трение. При его реализации обеспечиваются минимальные значения коэффициента трения и снижение интенсивности изнашивания материалов.

Второе положительное качество смазки заключается в отводе тепла из зоны трения. С ростом температуры масло теряет свои качества - снижается коэффициент динамической вязкости h, а значит, толщина гидродинамической пленки, разделяющей сопряженные поверхности.

Принудительное прокачивание масла через узел трения позволяет удалить из зоны трения продукты износа.

Третье положительное свойство смазки заключается в защите сопряженных деталей от коррозии. Защитные свойства масел реализуются путем механической изоляции поверхности металла от атмосферного воздействия и торможением электрохимических процессов коррозии на поверхности металлов.

Смазка улучшает динамические и акустические характеристики трибосопряжения, т. е. сглаживает динамические нагрузки и снижает шум, возникающий в процессе эксплуатации механизмов.

По агрегатному состоянию смазочные материалы делят на газообразные, жидкие, пластичные и твердые. В последнее время находят применение магнитные жидкие и порошковые смазочные материалы.

ПРОРОДА И ВИДЫ ВНЕШНЕГО ТРЕНИЯ

По кинематическим признакам различают трение покоя, скольжения и качения (рис. 2).

Рис. 2. Виды трения: а)- покоя; б)- скольжения; в)- качения.

Силой трения покоя называют тангенсальную силу, прикладываемую к покоящимся телам и не вызывающую их скольжение (рис.2, а).

При трении скольжения сопряженные тела перемещаются поступательно и относительные скорости различных точек перемещающегося тела одинаковы (рис. 2, б).

При трении качения одно тело перекатывается по другому и относительные скорости разных точек катящегося тела различны (рис.2, в). Известно, что реальные тела, обладающие упругостью, контактируют не в точке, а на некоторой площадке. Поэтому иногда виды трения проявляются совместно.

ТРЕНИЕ СКОЛЬЖЕНИЯ ПРИ ОТСУТСТВИИ СМАЗОЧНОГО МАТЕРИАЛА (СУХОЕ ТРЕНИЕ)

Имеет место при отсутствии смазочного материала между трущимися поверхностями только в вакууме. Условное сухое трение при наличии адсорбированных пленок на поверхности твердого тела встречается в тормозах, фрикционных передачах, муфтах (работающих всухую), в узлах, где смазка во избежание порчи продукции, либо по соображениям безопасности недопустима.

Мерой оценки трения служит коэффициент трения f, который определяется как отношение силы сопротивления относительному перемещению двух тел при трении Fтр к нормальной составляющей реакции внешних сил Fn, действующих на поверхность тела:

f= Fтр/ Fn.

В соответствии с молекулярно-механической теорией, вследствие шероховатости и волнистости поверхностей контактирование всегда дискретно, т. е. происходит в отдельных пятнах контакта. Механическое взаимодействие обусловлено взаимным внедрением отдельных точек касания. Одна поверхность внедряется в другую не только за счет имеющейся шероховатости, но и деформации, образующейся под нагрузкой вследствие анизотропии механических свойств (рис. 3).

Рис. 3. Контакт двух шероховатых тел:

а)- сила трения, возникающая при контактном взаимодействии двух неровностей ; б)- контакт жесткой сферы с деформированным телом;

Fn - нормальная нагрузка; Fтр - сила трения; tмол- касательное напряжение среза; r и h- радиус неровности и глубина ее внедрения; Fтр. мол и Fтр. деф- молекулярная и деформационная составляющие силы трения, действующие на отдельную неровность.

Общий коэффициент трения для единичной неровности будет иметь вид:

f=fмол+fдеф=(t0/рr)+b+kÖ(h/r),

где t0- удельная сдвиговая прочность молекулярной связи; рr- давление на площади фактического контакта; b - коэффициент упрочнения молекулярных связей под воздействием нормальных сжимающих напряжений (пъезокоэффициент); h - глубина внедрения неровности; r - радиус неровности.

Особенности трения в вакууме. Внешнее трение в глубоком вакууме приводит к прочному сцеплению двух поверхностей – их сватке. Жидкая смазка под влиянием атомарного кислорода и водорода изменяется. Отдельные компоненты смазки, имеющие различное парциальное давление, испаряются. Состав смазки ухудшается. Коэффициент трения в вакууме растет. Теплообразование при трении возрастает, т. к. отсутствует газовая или жидкая среда и тепло не может отводиться от пары трения конвективным путем. Все это приводит к перегреву и заеданию деталей в сопряжении.

Для обеспечения работы узлов трения в вакууме необходимо создать на поверхности трения устойчивую защитную пленку, которая исключала бы чистый металлический контакт. Целесообразно применять пленки из твердого вещества. Так, одно из тел сопряжения можно покрыть оловом, серебром, кадмием, золотом или свинцом. Для трибоспоряжений очень актуальным является использование самосмазывающихся компаундов, состоящих из материала основы меди или серебра с наполненителями MoS2, WS2, графитом и др.