ТРИБОЛОГИЯ
Физические основы,
Механика и технические
Приложения
Учебник для вузов
 |
Под редакцией д-ра техн. наук, профессора
Д.Г. Громаковского
Самара 2000
ББК 34.41 2 075
УДК 620.179.112
Трибология. Физические основы, механика и технические приложения: Учебник для вузов/ И.И. Беркович, Д.Г. Громаковский; Под ред. Д.Г. Громаковского; Самар. гос. техн. ун-т. Самара, 2000. 268 с.
Изложены современные научные представления трибологии о физической природе явлений, протекающих на фрикционном контакте, механика и термодинамика процессов трения, изнашивания и смазки. Рассмотрены молекулярно-кинетические аспекты и термоактивационный механизм формирования и разрушения поверхностных слоев, основы фрикционного материаловедения, применяемые физические методы исследования свойств поверхностных слоев, технологические способы повышения износостойкости и эксплуатационных свойств деталей узлов трения.
В основе учебника лежат курсы лекций по трибологии, которые авторы читали студентам в Самарском и Тверском государственных технических университетах.
Предназначен для студентов специальностей 12.06.00 «Оборудование и технология повышения износостойкости и восстановления деталей машин и аппаратов», 12.01.55 «Ремонт и восстановление автомобилей» и 23.01.00 «Сервис и техническое обслуживание транспортных и технологических машин и оборудования», а также может быть полезен для студентов специальности 07.12.00 «Инженер - триботехник», инженеров, аспирантов и научно-технических работников, связанных с расчетом, конструированием, испытаниями и эксплуатацией транспортных машин.
Рекомендован Министерством образования РФ в качестве учебника для студентов высших учебных заведений, изучающих трибологию и машиностроительные дисциплины по автомобилестроению, двигателестроению и эксплуатации транспортных машин. JSBN 5-7964-0164-5.
Табл. 41. Ил. 145. Библиогр.: 92 назв.
Печатается по решению редакционно-издательского Совета Самарского Государственного технического университета
Рецензент: д-р техн. наук Ф.Р.Геккер
 |
JSBN 5-7964-0164-5 © И.И. Беркович, Д.Г. Громаковский, 2000
© Самарский Государственный технический
университет, 2000
Оглавление
ВВЕДЕНИЕ............................................................................................................................................ 7
Глава 1. ОСНОВНЫЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЯ О КОНТАКТИРОВАНИИ И ТРЕНИИ СОПРИКАСАЮЩИХСЯ ПОВЕРХНОСТЕЙ.......................................................... 10
1.1. Анализ контактирования и оценка площади соприкосновения.................................. 11
1.2. Трение скольжения................................................................................................................ 23
1.3. Влияние скорости скольжения и температуры на свойства контакта и фрикционные колебания................................................................................................................ 29
1.4. Трение качения....................................................................................................................... 31
1.5. Гидродинамическое трение................................................................................................. 32
Заключение..................................................................................................................................... 35
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК......................................................................................... 36
Глава 2. ДИНАМИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫВ УЗЛАХ ТРЕНИЯ................................................. 37
2.1. Общая характеристика динамических явлений в узлах трения.................................. 37
2.2. Узел трения как объект моделирования в динамике машин........................................ 38
2.3. Динамическая характеристика узлов трения.................................................................. 40
2.3.1. Инерционные свойства узлов трения........................................................................ 40
2.3.2. Характеристика возбуждающих сил в узлах трения............................................. 40
2.3.3. Упругие свойства узлов трения.................................................................................. 40
2.3.4. Диссипативные свойства узлов трения..................................................................... 42
2.3.5. Механизм рассеяния энергии при тангенциальных колебаниях........................ 45
2.4. Общая схема оценки величины динамического нагружения в узлах трения........................................................................................................................................ 46
ЗАКЛЮЧЕНИЕ.............................................................................................................................. 47
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК......................................................................................... 48
Глава 3. СТРОЕНИЕ, ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА И ОСОБЕННОСТИ СОСТОЯНИЯ ПОВЕРХНОСТНОГО СЛОЯ ТРУЩИХСЯ ДЕТАЛЕЙ............................................................................................................................................. 49
3.1. Строение, структура и дефекты материалов пар трения............................................... 49
3.2. Физические свойства поверхностных слоев.................................................................... 55
3.3. Влияние механической обработки на служебные свойства поверхностного слоя. Характеристики шероховатости поверхностей.......................................................................... 58
3.4. Краткая характеристика некоторых вопросов теории строения, природы свойств и состояния материала поверхностных слоев.................................................. 60
3.5. Обзор известных способов оценки активационных параметров разрушения материалов.............................................................................................................. 64
3.6. Разработка и теоретическое обоснование нового способа оценки активационных параметров материалов при склерометрировании....................................... 67
3.7. Применение склерометрии для оценки энергии активации термомеханической деструкции смазочных материалов............................................................. 83
ЗАКЛЮЧЕНИЕ.............................................................................................................................. 86
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК......................................................................................... 86
Глава 4. ИЗНАШИВАНИЕ............................................................................................................... 88
4.1. Основные характеристики и виды изнашивания............................................................. 88
Усталостное изнашивание.................................................................................................... 89
Абразивное изнашивание..................................................................................................... 89
Коррозионно-механическое изнашивание....................................................................... 90
Водородное изнашивание.................................................................................................... 91
4.2. Кинетическая интерпретация изнашивания..................................................................... 92
4.3. Термодинамическая интерпретация изнашивания......................................................... 95
4.4. Физические методы изучения состояния поверхностных слоев................................ 98
Фрактография износа.......................................................................................................... 101
4.5. Применение рентгеновских методов исследования в трибологии.......................... 105
4.5.1. Пример исследования изнашивания шарниров шасси самолетов................. 107
4.5.2. Пример исследования изнашивания чугунных поверхностей........................ 108
4.5.3. Пример комплексного исследования изнашивания при фреттинг-коррозии титановых сплавов................................................................................................... 111
4.6. Общие сведения о проблеме моделирования изнашивания...................................... 116
4.6.2. Феноменологический подход................................................................................. 118
4.6.3. Концептуальный подход.......................................................................................... 121
4.6.4. Металлофизический подход................................................................................... 125
4.6.5. Термодинамический подход................................................................................... 125
4.6.6. Кинетический подход............................................................................................... 127
4.6.7. Синергетический подход......................................................................................... 128
4.6.8. Системе понятий использованных при разработке новой кинетической модели изнашивания.............................................................................................................. 129
4.6.9. Процесс разработки и характеристика кинетической модели изнашивания.................................................................................................................. 132
Заключение................................................................................................................................... 137
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК....................................................................................... 138
Глава 5. ТРИБОТЕХНИКА............................................................................................................. 140
5.1. Характерные узлы трения транспортных машин......................................................... 140
5.1.1. Основные узлы трения и изнашивание в двигателях внутреннего сгорания. 140
5.1.2. Агрегаты шасси, трансмиссии и рулевого управления...................................... 147
5.1.3. Шины и проблемы движения колесных машин.................................................... 152
5.2. Конструкционные материалы узлов трения.................................................................. 156
5.2.1. Металлические антифрикционные материалы..................................................... 157
5.2.2. Антифрикционные материалы, получаемые из порошков и пластмасс......... 159
5.2.3. Фрикционные материалы........................................................................................... 161
5.2.4. Полимерные материалы............................................................................................. 164
Материалы на основе полиимидов......................................................................... 169
Материалы на основе поликарбоната.................................................................... 171
Материалы на основе полиэтилена........................................................................ 172
Материалы на основе полиарилатов...................................................................... 173
Материалы на основе эпоксидных смол............................................................... 173
Материалы на основе фенолформальдегидных полимеров (ФФП)............... 175
5.3. Смазывание и смазочные материалы.............................................................................. 175
5.3.1. Назначение смазочных материалов........................................................................ 175
5.3.2. Смазочные масла, их физико-механические свойства и методики оценки характеристик.............................................................................................................. 176
5.3.3. Состав масел и механизм смазочного действия. Роль функциональных присадок к смазочным маслам..................................................................................................... 179
5.3.4. Опыт разработки и применения ресурсоповышающих фторсодержащих присадок к смазочным материалам.............................................................................. 191
Характеристика карбонофторидов..................................................................................... 194
5.3.5. Требования к смазочным системам транспортных машин................................ 199
5.4. Методы обеспечения высоких эксплуатационных свойств узлов трения.............. 201
5.4.1. Специфика конструирования узлов трения........................................................... 201
5.4.2. Основы расчетов при проектировании подшипников скольжения.................. 209
5.4.3. Инженерные расчеты при использовании подшипников качения................... 214
Классификация подшипников качения.................................................................. 214
Расчет подшипников качения при статическом нагружении........................... 214
Нагрузки на тела качения......................................................................................... 217
Оценка предельной быстроходности подшипников качения........................... 218
Расчет потерь на трение в подшипниках качения............................................... 219
Гидродинамический режим смазки подшипника качения................................ 220
5.4.4. Основные принципы конструирования подшипниковых узлов........................ 221
5.4.5. Новое направление в обеспечении надежности и высокого ресурса опор роторных систем - магнитный подвес................................................................... 223
5.4.6. Оценка долговечности узлов трения методами теории вероятности............. 227
5.5. Технологические методы обеспечения высокой износостойкости узлов трения 230
Химико-термическая обработка (ХТО)................................................................. 231
Поверхностная закалка............................................................................................. 232
Электрохимические покрытия................................................................................. 234
Химическая обработка.............................................................................................. 235
Механотермическое формирование износостойких покрытий....................... 237
Наплавка износостойких слоев............................................................................... 238
Напыление покрытий из порошковых материалов............................................. 239
Ионно-плазменные методы...................................................................................... 240
Плакирование.............................................................................................................. 241
Механическое упрочнение поверхностей............................................................ 241
Характеристика электролитического осталивания............................................. 248
Основные элементы ресурсоповышающих мероприятий:............................... 249
5.6. Обеспечение надежности узлов трения транспортных машин в эксплуатации.... 252
Система обеспечения надежности......................................................................... 252
Силовые платформенные стенды............................................................................ 256
Методы и средства диагностирования рулевого управления и элементов передней подвески..................................................................................................... 260
5.7. Новая техника для промывки деталей узлов трения................................................... 264
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК....................................................................................... 266
Обращение к читателю
Уважаемые читатели!
Главная мысль, которую мы старались провести через всю книгу, пожалуй, состоит в следующем.
Трибология своеобразна синтезом многих фундаментальных и технических дисциплин и требует от инженера более широкой осведомленности, чем знание узконаправленных дисциплин, например таких как Детали машин и т.п., которые имеют единую терминологию, понятийный аппарат и общую теоретическую базу механики деформируемого твердого тела. По этой причине мы полагали, что инженер-триболог и другие специалисты, занимающиеся проектированием, производством, испытаниями и эксплуатацией узлов трения, прежде всего, должны быть вооружены знанием физических основ и механики процессов, протекающих при трении, изнашивании и смазке.
Триботехнику мы рассматриваем как дело всей жизни трибологов, знания которых будут накапливаться в работе по созданию и эксплуатации все более совершенных узлов трения различных машин и механизмов.
Авторы выражают благодарность доценту канд. техн. наук Ковшову А.Г., с.н.с. Ибатуллину И.Д. и всем сотрудникам отдела надежности трибосистем НИИ проблем надежности механических систем Самарского ГТУ, а также сотрудникам кафедры физики Тверского ГТУ, научные работы которых широко использованы авторами во многих разделах книги.
И.И. Беркович, Д.Г. Громаковский
ВВЕДЕНИЕ
Гибкость и мобильность автомобильного транспорта при сравнительно невысокой стоимости перевозок способствуют развитию промышленного производства, что призвано сыграть решающую роль в развитии новой экономики России. Поэтому одной из важнейших задач, стоящих перед транспортом Российской Федерации, является улучшение эксплуатационных свойств транспортных средств за счет повышения надежности, долговечности и экономичности. Значимость этой задачи постоянно возрастает из-за конкуренции с железнодорожными и другими видами перевозок и в связи с развитием сети шоссейных дорог.
Надежность и долговечность автомобильного и других видов транспорта во многом обусловлены явлениями трения и изнашивания, происходящими в узлах машин. Изнашивание приводит к нарушению герметичности узлов, теряется точность взаимного расположения деталей и перемещений. Возникают заклинивания, удары, вибрации, приводящие к поломкам. Трение приводит к потерям энергии, перегреву механизмов, снижению передаваемых усилий, повышенному расходу горючего и других материалов. Положительно роль трения необходима для обеспечения работы тормозов, сцепления, движения колес. Явления трения и изнашивания взаимно обусловлены: трение приводит к изнашиванию, а изнашивание поверхностей деталей в ходе работы приводит к изменению трения.
Для ликвидации последствий изнашивания проводятся текущие и капитальные ремонты, в ходе которых изношенные детали и узлы либо заменяют, либо восстанавливают. В процессе эксплуатации с изнашиванием борются путем проведения плановых техобслуживаний.
Даже в США в начале 90-х гг. затраты на ремонт автотранспортных средств составили около 24 млрд. долларов в год. В России же эти расходы (в ценах начала 90-х гг.) составили в среднем 40 млрд рублей. При этом установлено, что из-за износа и плохой регулировки теряется около 15% мощности двигателя. Изношенные ДВС выбрасывают в атмосферу большое количество СО, соединений свинца и других вредных веществ. В связи с этим обострена экологическая проблема применения ДВС. Простои автомобилей из-за технических неисправностей в среднем автохозяйстве достигают 30-40% календарного времени.
В силу сложившегося отставания от международного технологического уровня производства автомобильные ДВС у нас имеют весьма малый ресурс (дизельные двигатели - порядка 7500 моточасов). После ремонта ресурс сокращается до 2500-3000 ч. Автомобили (грузовые) за весь срок службы ремонтируют до 5 раз, как правило, в полукустарных условиях, что приводит к резкому снижению технико-экономических показателей. С учетом перечисленных обстоятельств, трудозатраты за срок службы автотранспорта распределены таким образом: 1,4% - на изготовление; 45,4% - на техническое обслуживание; 46% - на текущий ремонт; 7,2% - на капитальный ремонт.
Проблемы трения, износа и смазки в машинах изучает трибология. Прикладными задачами по повышению износостойкости и управлению трением за счет применения новых конструкций узлов, материалов и эксплуатационных приемов занимается триботехника.
Одним из стимулов для развития науки о трении, изнашивании и смазки явилось бурное развитие автомобилестроения и других видов транспортного машиностроения в начале ХХ века. К настоящему времени трибология окончательно оформилась, как самостоятельная отрасль знаний. Во всех развитых странах имеются научные трибологические центры, и ведется подготовка инженеров-трибологов. Решение проблем трения, изнашивания и смазки позволило добиться высокого экономического эффекта. По оценкам международных экспертов широкое внедрение достижений в этой области способно на треть сократить затраты на ремонт и эксплуатацию автотранспортных средств, причем на одну шестую без заметных капитальных вложений. Иллюстрацию прогресса в деле внедрения достижений трибологии в 90-х гг. дают данные, опубликованные по Великобритании.
Результаты внедрения по статьям Годовой эффект,
млн ф. ст.
Снижение потребления энергии 28
Сокращение ручного труда 10
Снижение затрат на смазочные материалы 10
Снижение затрат на обслуживание и ремонт 230
Исключение потерь, связанных с поломками 115
Интенсификация использования оборудования и повышение КПД 22
Экономия вложений за счет повышения долговечности 100
Итого: 515
Несомненно, что расширение применения достижений трибологии в нашей стране тоже позволит существенно повысить эксплуатационное качество транспортных средств и достигнуть значительных экономических и экологических результатов.
Считается, что основными направлениями работ по существенному повышению эксплуатационных свойств транспортных средств на основе использования трибологии являются следующие:
совершенствование конструкции узлов трения транспортных машин, снижение материалоемкости, веса, повышение надежности и ресурса;
применение новых материалов и технологий для повышения износостойкости и несущей способности пар трения;
разработка и применение смазочных материалов четвертого и пятого поколений, на которые уже переходят развитые страны;
использование экологически чистых методов эксплуатации, новых антифрикционных и фрикционных материалов с повышенными параметрами, не содержащих асбест, свинец, соединения тяжелых металлов и другие токсичные и канцерогенные вещества;
совершенствование конструкции уплотнений, обеспечивающих низкое трение, герметичность и исключающих попадание абразива в сопряжения деталей;
ускорение перевода транспортных энергетических установок на более эффективные и экологически чистые энергоносители: топливный газ, электроэнергию, водород, солнечную энергию, применение энергоемких аккумуляторов энергии, как электрохимических, так и механических. Применение эффективных каталитических устройств газоочистки;
повышение образовательного уровня инженеров-конструкторов, технологов и эксплуатационников в области трения, износа, смазки и других проблем трибологии.
Глава 1
Основные ПРЕДСТАВЛЕНИЯ О КОНТАКТИРОВАНИИ И ТРЕНИИ СОПРИКАСАЮЩИХСЯ ПОВЕРХНОСТЕЙ
В современной механике под трением понимают широкий круг явлений, вызываемых взаимодействием соприкасающихся поверхностей твердых тел при относительном перемещении, а также внутренним движением в твердых, жидких и газообразных средах при их деформации.
Первоначальное развитие получило изучение внешнего трения как силы сопротивления относительному движению соприкасающихся тел при трогании с места, скольжении, качении, верчении, при смазке в гидродинамическом режиме, образовании на поверхностях тонких слоев в несколько молекул (граничная смазка) либо в отсутствие смазки (сухое трение).
Внутреннее трение в твердых, жидких и газообразных средах подробно изучено в аэро- и гидродинамике и связано с необратимым рассеянием механической энергии, т.е. ее преобразованием во внутреннюю энергию.
В технике трение является инициатором деформационных, динамических, тепловых, акустических, электрических, адгезионных и других процессов, определяющих ресурс работоспособности узлов трения машин, их энергетику и эффективность.
Первичной проблемой при изучении трения является контактирование соприкасающихся поверхностей. В понятие контактирования входит взаимодействие поверхностей, принадлежащих твердым телам, под действием относительного смещения и сжимающих сил с учетом их отклонения от идеальной формы и влияния среды (газы и смазочные материалы), присутствующей в зоне контакта.
Отклонениями от идеальной формы, которые считаются макроскопическими, являются неплоскостность, извернутость, волнистость и т.п. Они обычно имеют масштаб, измеряемый в диапазоне 10-3÷10-4м. Макроскопические неровности несут на себе микронеровности, измеряемые на уровне 10-5 ÷ 10-6 м. В свою очередь микронеровности имеют субшероховатость порядка молекулярных размеров.
В основе представлений о фрикционном взаимодействии шероховатых поверхностей лежит понятие о площади соприкосновения трущихся тел.