РОСЖЕЛДОР
Государственное образовательное учреждение
высшего профессионального образования
«Ростовский государственный университет путей сообщения»
(РГУПС)
, ,
ВЛИЯНИЕ МАКРОСРЕДЫ НА ТРИБОЛОГИЧЕСКУЮ СИСТЕМУ
Методические указания к лабораторным работам
по дисциплине «Основы теории трения и изнашивания»
Часть 2
Ростов-на-Дону
2005
УДК 621.9
Коротков, В. М.
Влияние макросреды на трибологическую систему: методические указания к лабораторным работам по дисциплине «Основы теории трения и изнашивания». Ч. ІІ / , , ; Рост. гос. ун-т путей сообщения. – Ростов н/Д, 2005. – 18 с. : ил.
Методические указания включают в себя лабораторные работы по изучению влияния макросреды на трибологические системы.
Рассмотрены свойства макросреды ее формирование в зависимости от различных условий (нагрузки, скорости, температуры и смазочных композиций).
Приведены сведения из теории, порядок выполнения лабораторных работ и список рекомендованной литературы.
Предназначена для студентов 3-4 курсов очной и заочной форм обучения специальности «Оборудование и технология повышения износостойкости и восстановления деталей машин и аппаратов».
Рецензент: канд. техн. наук, доц. (РГУПС)
Учебное издание
ВЛИЯНИЕ МАКРОСРЕДЫ НА ТРИБОЛОГИЧЕСКУЮ СИСТЕМУ
Методические указанияк лабораторным работам по дисциплине «Основы теории трения и изнашивания» Часть ІІ
Редактор
Корректор
Подписано в печать 28.12. 2005 Формат 60 х 84 /16
Бумага офсетная. Ризография. Усл. печ. л. 0,9
Уч.-изд. л. 0,7. Тираж 100 экз. Изд. № 000. Заказ №
Ростовский государственный университет путей сообщения
Ризография РГУПС.
Адрес университета: 344038, г. Ростов н/Д, пл. Ростовского Стрелкового Полка Народного Ополчения, 2
ãРостовский государственный университет путей сообщения, 2005
ОГЛАВЛЕНИЕ
Лабораторная работа № 1. Влияние нагружения на интенсивность изнашивания зоны трибологического контакта
Лабораторная работа № 2. Влияние относительной скорости в зоне трибологического контакта на интенсивность изнашивания
Лабораторная работа № 3. Влияние температуры зон трения металлов на интенсивность процессов изнашивания
Лабораторная работа № 4. Влияние смазывания зоны трибологического контакта на интенсивность изнашивания
Библиографический список.
Лабораторная работа № 1
ВЛИЯНИЕ НАГРУЖЕНИЯ НА ИНТЕНСИВНОСТЬ ИЗНАШИВАНИЯ ЗОНЫ ТРИБОЛОГИЧЕСКОГО КОНТАКТА
1. Цель работы
Изучение степени влияния нагружения на интенсивность изнашивания.
2. Сведения из теории
Трибологическое изнашивание, являясь результатом процессов, происходящих в зонах трения, зависит от свойств деталей и внешнего воздействия.
Нагружение зоны контакта существенно влияет на интенсивность абразивного изнашивания, которая обычно пропорциональна давлению (линейно и нелинейно) и пути трения. Интенсивность адгезионного изнашивания также пропорциональна давлению (нелинейно). На границе перехода от схватывания 1 рода к схватыванию 2 рода рост нагружения сокращает время перехода. Нагружение зоны трения, в которой изнашивание материалов является следствием питтинга, оказывает основное влияние на интенсивность изнашивания. Разрушение при питтинге заключается в образовании мелких трещин и в последующем отслаивании материала с типично усталостным характером.
Усталостная прочность характеризуется количеством циклов нагружения, она, в частности, обратно пропорциональна давлению в третьей степени
, (1.1)
где p – давление;
s – усталостная прочность.
Незначительное увеличение нагружения зоны трения приводит к значительному снижению усталостной прочности. Увеличение нагружения зоны трения может быть вызвано внешним нагружением или динамическим действием движущихся масс. При фреттинге износ линейно зависит от нагружения, если амплитуда скольжения постоянна. При небольшом нагружении процесс изнашивания в результате фреттинга в принципе не существует даже при количестве циклов больше 1010.
Из сказанного выше следует, что нагружение является основным фактором, определяющим интенсивность изнашивания при всех механизмах разрушения материалов в зонах трения.
3. Рабочее задание
Опытным путем определить зависимость изменения величины весового износа от степени нагружения в зоне трибоконтакта.
4. Оборудование и материалы
Исследование влияния степени нагружения на величину весового износа образцов проводится на машине трения ИИ-5018, конструктивные возможности которой позволяют реализовать широкий спектр нагрузок, необходимых для проведения исследований.
В объекта исследования принимаются образцы, изготовленные из стали ВСт3, диаметром d = 36мм.
Для определения величины весового износа применяются весы лабораторные квадратные модели ВЛ 8134 с механизмом компенсации тары, дающие необходимую, в нашем случае, точность измерения.
5. Порядок выполнения работы
1. Ознакомиться с основными характеристиками процесса трения и изнашивания при различных величинах нагружения в зоне контакта, изложенных в сведениях из теории настоящей работы.
2. Провести испытания на машине трения для различных величин нагрузок в зоне сопряжения.
3. Измерить вес испытуемых образцов до проведения испытаний и после для каждой величины нагрузки.
4. Определить величину весового износа после каждого испытания.
5. Оформить отчет по лабораторной работе с заполнением рабочей формы, приводимой ниже, и построить график зависимости изменения весового износа образцов от величины нагружения.
Результаты испытаний
№ опыта | Величина нагрузки Р, Н | Масса образца, г | Величина весового износа I, г | |
до испытания | после испытания | |||
1 | ||||
2 | ||||
3 | ||||
4 | ||||
5 |
6. Содержание отчета
В отчете по лабораторной работе должны быть отражены:
o название и цель работы;
o теоретическая часть;
o результаты испытаний;
o график зависимости по результатам исследования;
o выводы по результатам исследований.
7. Контрольные вопросы
1. Как влияет характер нагружения на интенсивность износа:
- при абразивном износе;
- при схватывании 1-го рода;
- при схватывании 2-го рода?
2. Что происходит при увеличении нагружения в зоне трибосопряжения?
3. Как зависит усталостная прочность от степени нагружения?
4. Что происходит с трущимися поверхностями с ростом нагружения?
Лабораторная работа № 2
ВЛИЯНИЕ ОТНОСИТЕЛЬНОЙ СКОРОСТИ В ЗОНЕ ТРИБОЛОГИЧЕСКОГО КОНТАКТА НА ИНТЕНСИВНОСТЬ ИЗНАШИВАНИЯ
1. Цель работы
Изучение степени влияния относительной скорости в зоне трения на интенсивность изнашивания.
2. Сведения из теории
Относительная скорость перемещений в зоне контакта является главной характеристикой спектра воздействий, вызывающих трибологическое изнашивание деталей машин. При абразивном изнашивании относительная скорость в зоне трения имеет незначительное влияние на интенсивность изнашивания в диапазоне малых скоростей. Если при сухом трении относительная скорость превышает некоторое предельное значение, то возникают лавинные процессы резания, царапания, приводящие к аварийному износу (заеданию).
При большой скорости движения охлаждающей или смазывающей жидкости, загрязненной абразивными частицами, может возникнуть эрозионное изнашивание, значительно интенсифицирующее процесс. Если в ТС ведущим процессом физического старения является адгезионное изнашивание, то относительная скорость перемещения в зоне контакта оказывает большое влияние на качественные и количественные характеристики схватывания.
При практически встречаемом диапазоне относительных скоростей в зоне трибологического контакта машин протекают три основных процесса: схватывание 1 рода, схватывание 2 рода, окисление.
Схватывание 1 рода наблюдается у металлов обычно при относительной скорости 0,0025-0,5 м/с и приводит к образованию на поверхности трения углублений, наростов, царапин при значительном изменении шероховатости. Толщина пластически деформированной подповерхностной зоны составляет 100-150 мкм, ее микротвердость 4500 МПа. Температура зон трибологического контакта при схватывании 1 рода 60-180°С, коэффициент трения равен 0,6-1,1.
При относительной скорости 0,5-1 м/с износ в зонах трибологического контакта вызывается процессами окисления.
При относительной скорости 1-5 м/с разрушение зоны трибологического контакта происходит в результате схватывания 2 рода, которое характеризуется очень интенсивным изнашиванием металла. В результате этих процессов изнашивания поверхность становится очень шероховатой с отчетливыми следами течения и размазывания материала параллельно направлению относительного движения. В процессе схватывания температура в зоне контакта составляет около 400°С (и даже до 1000-1100°С). Такое термическое состояние сталей в зонах трения вызывает рекристаллизацию, отпуск и закалку металла ПС и образование вторичных структур. Микротвердость подповерхностных зон ПС 450 - 10500 МПа.
При фреттинге скорость относительного смещения не оказывает существенного влияния на развитие усталостных трещин. А вот скорости качения и скольжения существенно сказываются на толщине эластогидродинамического слоя, влияющего на образование усталостных трещин. При фреттинге значительное влияние на интенсивность процесса изнашивания оказывает количество циклов.
3. Рабочее задание
Изучить влияние скорости относительного смещения на величину интенсивности изнашивания и характер механизма разрушения пары трения.
4. Оборудование и материалы
Машина трения с возвратно-поступательным перемещением, образцы.
5, Порядок выполнения работы
1. Ознакомиться с основными характеристиками процесса изнашивания при различных скоростях перемещения, изложенных в сведениях из теории настоящей работы.
2. Провести испытания на машине трения при разных скоростях перемещения.
3. Провести измерения весового износа образцов для каждой величины скорости.
4. Оформить отчет о лабораторной работе с заполнением рабочей формы, приведенной ниже:
Результаты измерений
№ опыта | Скорость относительного перемещения, м/с | Масса образца, г | Величина весового износа I, г | |
до испытания | после испытания | |||
1 | ||||
2 | ||||
3 | ||||
4 | ||||
5 | ||||
6 |
6. Содержание отчета
В отчете по лабораторной работе должны быть отражены:
o название и цель работы;
o определение разновидностей адгезионного изнашивания;
o результаты испытаний;
o график зависимости изменения износа от скорости перемещения;
o выводы по результатам исследований.
7. Контрольные вопросы
1. Что является основной характеристикой процесса изнашивания при наличии относительного перемещения в зоне трибоконтакта?
2. Что происходит при увеличении скорости смещения в зоне контакта?
3. Условия возникновения схватывания в зоне контактирующих пар?
4. Влияние скорости смещения на процесс фриттинга?
Лабораторная работа № 3
ВЛИЯНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ ЗОН ТРЕНИЯ МЕТАЛЛОВ НА ИНТЕНСИВНОСТЬ ПРОЦЕССОВ ИЗНАШИВАНИЯ
1. Цель работы
Изучение степени влияния температуры зон трения металлов на интенсивность изнашивания.
2. Сведения из теории
В трибологических процессах интенсивность изнашивания материалов деталей ТС (твердые тела, жидкости), как правило, возрастает с увеличением температуры. При абразивном изнашивании количество теплоты, выделяющейся в зоне трения, невелико, потому что почти вся энергия расходуется на образование новых поверхностей. При небольших относительных скоростях скольжения температура существенно не повышается, поскольку теплота работы трения интенсивно отводится из зоны трения материалами контактирующих деталей и среды. В случае адгезионного изнашивания влияние температуры на интенсивность процесса существенно, потому что она благоприятствует схватыванию металлов.
Адгезионное изнашивание схватыванием 2 рода зависит в основном от температуры трибологических деталей. Максимальная температура поверхности трения 
равна сумме объемной температуры 
, среднеповерхностной 
и температурной вспышки 
вызванных трением,
(3.1.)
Температура является важнейшим параметром адгезионных процессов и их интенсивности.
При схватывании 1 рода температура существенно влияет на интервал процесса: чем выше температура, тем уже интервал. При схватывании 2 рода увеличение температуры зон трения приводит к расширению границ существования этого процесса. С увеличением температуры изменяется химический состав материала ПС и уменьшается концентрация легирующих присадок из-за интенсификации диффузии из подповерхностных зон на поверхность металла, где легирующие присадки окисляются.
Изнашивание при схватывании 1 рода имеет место при температуре 100 -180°С, изнашивание вследствие окисления – при температуре 180-560°С и вследствие схватывания 2 рода – при температуре 560-1200°С.
Если зоны трения изнашиваются вследствие питтинга при смазке, то влияние температуры на интенсивность процесса незначительно. Температура существенно влияет на вязкость масла и сорбционное действие присадок, и с этой точки зрения рост температуры интенсифицирует усталостное изнашивание. Влияние температуры на интенсивность фреттинг-изнашивания неоднозначно. На воздухе увеличение температуры приводит к снижению интенсивности изнашивания материалов, а в защитных средах к росту интенсивности.
Для хорошо механически обработанных поверхностей существует температура перехода, при которой износостойкость возрастает. Для меди эта температура около 50°С, для стали -140°С. При температуре около 500°С интенсивность фреттинга невелика, так как окислы, выполняющие функцию твердой смазки в зоне трения, стабильны.
Из сказанного можно сделать вывод, что температура оказывает неодназначное влияние на разные процессы трибологического изнашивания твердых тел.
3. Рабочее задание
Изучить влияние изменения температуры в зоне трения на износ образцов сопряженной пары.
4. Оборудование и материалы
Машина трения ИИ 5018, образцы.
5. Порядок выполнения работы
1. Ознакомиться с основными характеристиками влияния температуры в зоне трения на механизм изнашивания сопряженной пары.
2. Провести испытания на машине трения при различных скоростях вращения и постоянной нагрузке в зоне контакта.
3. Провести измерения температуры и весового износа для каждой величины скорости вращения.
4. Оформить отчет по лабораторной работе с заполнением рабочей формы, приведенной ниже:
6. Содержание отчета
В отчете по лабораторной работе должны быть отражены:
o название и цель работы;
o определение влияния температуры на процессы трения и изнашивания;
o результаты испытаний;
o выводы по результатам исследований.
7 Контрольные вопросы
1. Как влияет температура на процессы трения и изнашивания при абразивном износе?
2. Из чего складывается температура поверхности трущихся тел?
3. Что происходит с температурой при относительно небольших скоростях скольжения?
4. Что такое температура перехода и ее влияние на состояние поверхности?
Результаты испытаний
№ опыта | Скорость вращения, м/с | Масса образца, г | Величина весового износа I, г | Температура поверхности трения, оС | |
до испытания | после испытания | ||||
1 | |||||
2 | |||||
3 | |||||
4 | |||||
5 | |||||
6 |
Лабораторная работа № 4
ВЛИЯНИЕ СМАЗЫВАНИЯ ЗОНЫ ТРИБОЛОГИЧЕСКОГО КОНТАКТА
НА КОЭФФИЦИЕНТ ТРЕНИЯ
1. Цель работы
Изучение степени влияния смазывания на интенсивность изнашивания.
2. Сведения из теории
Смазываемые зоны трения изнашиваются значительно менее интенсивно, чем зоны при сухом трении. Смазываемые эластогидродинамические и гидродинамические узлы трения обычно не подвержены абразивному изнашиванию. Поэтому стационарность гидродинамической смазки, зависящая от вязкости смазочного материала и его склонности к адсорбции и хемосорбции, практически исключает абразивное изнашивание зон трения. С увеличением вязкости смазочного материала вообще уменьшается интенсивность изнашивания трибологических деталей. Сорбционные свойства смазочного материала, особенно с поверхностно-активными присадками, влияют на интенсивность изнашивания ПС деталей машин, поскольку они увеличивают способность к образованию граничных пленок. Смазочные материалы уменьшают интенсивность изнашивания деталей машин также вследствие вымывания продуктов износа из зон трения.
При адгезионном изнашивании смазка существенно снижает интенсивность изнашивания деталей машин, поскольку адсорбируемые ПАВ пластифицируют материалы ПС.
Очень сложный механизм имеет влияние смазочного материала на интенсивность питтинга. Вязкость смазочного материала вообще увеличивает усталостную прочность деталей машин. Интенсивность питтинга зависит от толщины эластогидродинамической пленки и высоты неровностей в зоне трения.
Эффективность эластогидродинамической смазки зон трения зависит не только от вязкости смазочного материала, но и от индекса вязкости и давления, т. е. от пьезокоэффициента вязкости.
Смазывание зон трения значительно ограничивает их изнашивание по сравнению с изнашиванием при сухом трении, поскольку смазочный материал улучшает передачу нагрузок, снижает сопротивление трения и количество выделяющейся теплоты, отводит продукты износа (например, окислы металлов), отводит теплоту.
3. Рабочее задание
Изучить влияние различных смазочных композиций на коэффициент трения.
4. Оборудование и материалы
Машина трения ИИ-5018, образцы, масла: жидкое минеральное, пластичное, твердое.
5. Порядок выполнения работы
1. Ознакомиться с основными свойствами масел.
2. Провести испытания на машине трения для случаев трения для различных смазочных композиций в зоне трения.
3. Оформить отчет по лабораторной работе с заполнением рабочей формы, приведенной ниже:
6. Содержание отчета
В отчете по лабораторной работе должны быть отражены:
o название и цель работы;
o определение влияния смазочной композиции на процессы изнашивания пары трения;
o результаты испытаний;
o выводы по результатам исследований.
7. Контрольные вопросы
1. Как влияет смазочная композиция на процессы трения и изнашивания?
2. От чего зависит эффект гидродинамического смазывания?
3. Как влияют сорбционные свойства смазочных композиций на различные виды изнашивания?
4. Механизм действия смазочных композиций?
Результаты испытаний
№ опыта | Наличие смазочного материала | Масса образца, г | Величина весового износа I, г | Величина среднего износа, г | |
до испытания | после испытания | ||||
1 | Жидкая минеральная смазочная композиция | ||||
2 | |||||
3 | |||||
4 | Пластичная смазочная композиция | ||||
5 | |||||
6 | |||||
7 | Твердая смазочная композиция | ||||
8 | |||||
9 |
Библиографический список
1. Хебды, М., Чичинадзе, А. В. Справочник по триботехнике. В 3-х т. Т. 3. Триботехника антифрикционных, фрикционных и сцепных устройств. Методы и средства триботехнических испытаний / Под общ. ред. М. Хебды, .– М.: Машиностроение, 1992.– 730 с.
2. Крагельский, И. В. Трение и износ / . – М.: Машино-строение, 1968. – 480 с.
3. , Современные серийные машины трения / , // Трение и износ. – 1984. Т. V. – № 1. – С. 94 – 99.
4. Хебды, М., Чичинадзе, А. В. Справочник по триботехнике. В 3-х т. Т. 1. Теоретические основы / Под общ. ред. М. Хебды, .– М.: Машиностроение, 1989.– 400 с.
5. Шведков, Е. Л., Ровинский, Д. Я., Зозуля, В. Д., Браун, Э. Д. Словарь-справочник по трению, износу и смазке деталей машин / , , . – Киев: Наукова думка, 1979. – 188 с.
6. Международный стандарт ISO 4378/1, 2, 3.
7. Гаркунов, Д. Н. Триботехника / . – М.: Машиностроение, 1985. – 424 с.
