Основные понятия о трении и изнашивании. Исполнитель

Основные понятия о трении и изнашивании.

План

1. Введение. 
2. Трение и износ.
3. Основные понятия процесса трения.

 {spoiler=Подробнее}

         Со времени создания первых механических устройств человек обнаружил, что любое перемещение реальных тел в горизонталь­ной плоскости всегда встречает внешнее сопротивление. Еще не понимая природы этого сопротивления движению, человек уже ощущал, что на его преодоление необходимо затратить опреде­ленную энергию. Сейчас хорошо известно, что причиной этого со­противления движению является трение.

         Трением в широком смысле слова можно назвать такое взаи­модействие движущегося тела с окружающей средой или с дру­гими телами, которое сопровождается рассеянием энергии. Трение - это вредное явление, на борьбу с которым человечество в наши дни расходует до 25-30% всей используемой энергии. Ука­занная энергия не просто теряется, а превращается в тепло, которое нагревает механизмы и узлы машин. Это во многих случа­ях приводит к авариям и отказам. Трению почти всегда сопутст­вует изнашивание - основной враг механических устройств.

         В то же время известна и полезная роль трения. Трудно даже вообразить, насколько катастрофическими были бы последствия исчезновения трения. Даже в результате частичного его исчезновения, например в условиях гололеда, в сотни раз увеличивается уровень дорожных происшествий. Без трения немыслимо предста­вить себе работу тормозных устройств.

         Современный человек научился побеждать трение и в значи­тельной мере подчинил его себе. Однако природа этого явления до сих пор остается во многом загадочной, а трудности, обуслов­ленные трением, по-прежнему стоят перед инженерами.

         Многочисленные исследования показывают, что до 70-80% отказов машин происходит из-за износа узлов трения. В нашей стране на ремонт машин и оборудования ежегодно расходуются многие миллиарды рублей, выпускается огромное количество за­пасных частей, на ремонт работает большой парк станочного оборудования, в сферу ремонта и обслуживания машин втягива­ется все большее число людей.

         Поэтому важнейшая проблема современной техники - внед­рение и дальнейшее развитие работ по изысканию эффективных методов повышения износостойкости, решением которой занима­ется наука о трении и изнашивании - триботехника (от греческого слова «трибос» - «трение»).

         В инженерную практику все более внедряются методы оценки износа деталей на стадии их проектирования, разрабатываются руководящие материалы, регламентирующие оценку износостой­кости деталей, совершенствуются существующие и создаются но­вые методы расчета на износ. Нормативы   износостойкости   ис­пользуются при разработке новых и совершенствовании  серийно выпускаемых машин, для оценки уровня технико-эксплуатационных свойств изделий. Показатели износостойкости включаются в стандарты на готовую продукцию. Использование расчетных ме­тодов износа и нормируемых показателей износостойкости позво­ляет устанавливать оптимальные межремонтные ресурсы машин и агрегатов, номенклатуру и нормы расхода   запасных частей. С повышением износостойкости увеличивается надежность и долго­вечность машин.

         Эффективность применения триботехники в народном хозяйстве огромна: специалисты оценивают ее примерно в 2% государствен­ного бюджета страны. Одна из особенностей триботехники, выгодно отличающей ее от других отраслей технических знаний, состоит в том, что огромный экономический эффект достигается в основном не техническим перевооружением промышленности, связанным с затратами дополнительных средств и труда, а благодаря исполь­зованию знаний, накопленных в этой области.

         Все сказанное позволяет утверждать, что в современных   ус­ловиях знание основ триботехники обязательно для каждого инжене­ра-механика.    Инженеру-конструктору   оно   даст   возможность правильно   применить   конструкцию   подвижного   сопряжения, подобрать соответствующие материалы трущихся деталей, назна­чить оптимальный режим работы сопряжения. Инженеру-техноло­гу триботехника поможет выбрать совершенные технологические ме­тоды обработки, инженеру-эксплуатационнику - обеспечить над­лежащий режим эксплуатации и обслуживания   машин. Вопрос подготовки инженерно-технических и научных кадров специалис­тов по триботехнике в настоящее время является весьма актуальным. Курс «Триботехника» дает представление о природе и закономерностях внешнего трения и изнашивания шероховатых по­верхностей; современных теориях трения, в частности молекулярно-механической теории; методах расчета коэффициентов трения; методах  расчета и прогнозирования   интенсивности  изнашивания; видах абразивного   изнашивания;   природе и механизме аб­разивного изнашивания; значении смазки и присадок при трении и изнашивании; закономерностях изнашивания и методике подбо­ра материалов для трущихся сопряжений; конструктивных, тех­нологических и эксплуатационных методах   повышения   износо­стойкости;   трении и изнашивании в специфических   условиях (в агрессивных средах, в вакууме, в условиях низких температур   и т.д.); современных методах и оборудовании, применяемых для исследования процессов трения и изнашивания; основных направ­лениях развития триботехники.

         Большой вклад в развитие триботехники, особенно за последние годы, внесли и ученые Узбекистана — Г. А. Кошевников, А. Д. Мотков, Р. Г. Махкамов, С. С. Негматов и другие.

         Первые попытки осмыслить природу трения были сделаны Аристотелем. Опираясь на наблюдаемые факты, он отмечал, что любое, в том числе равномерное, перемещение реальных тел в горизонтальной плоскости всегда встречает внешнее сопротивле­ние, причем это сопротивление зависит от веса тела. Но Аристо­тель не знал принципа инерции и потому не мог понять разницы между сопротивлением, связанным с самим телом (инерцией), и сопротивлением, обусловленным взаимодействием движущегося тела с внешней средой (то, что мы теперь называем силой тре­ния).

         Значительный вклад в изучение причин трения внес Леонардо да Винчи. Обосновывая невозможность создания вечного двигате­ля, одной из причин этого он считает трение. Леонардо да Винчи впервые ввел понятие коэффициента трения, показал, что сила трения зависит от материала соприкасающихся поверхностей, от качества их обработки, прямо пропорциональна нагрузке и мо­жет быть уменьшена путем установки роликов или введения смазки между поверхностями трения. Леонардо да Винчи являет­ся изобретателем роликового и шарикового подшипников. I

         Открытие Галилеем в конце XVI в. закона инерции и понятия о массе тела явилось крупным шагам в механике. Галилей дока­зал, что свободное тело (т. е. тело, движущееся в пустоте, без всякого внешнего сопротивления) -под действием постоянной силы движется равноускоренно. При этом движущая сила (а следова­тельно, и сила сопротивления ускорению) прямо пропорциональ­на массе тела. Открытие Галилея позволило четко разграничить сопротивление движению, вызываемое инерцией и возникающее лишь при изменении скорости (появлении ускорения), от сопро­тивления внешней среды, которое имеется и при постоянной ско­рости (без ускорения) и вызвано силами -внешнего трения.

         В 1699 г. француз Амонтон впервые сформулировал знамени­тый эмпирический закон линейной зависимости силы трения от нагрузки:                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                 

                    (1.1)

         где f - коэффициент трения;  N - нормальная к плоскости трения нагрузка.

         Большую роль в дальнейшем развитии представлений о трении ;ыграл Л. Эйлер, первый убедительно объяснивший (в 1750 г.) причину того факта, что 'сопротивление при переходе от состояния покоя к относительному движению всегда больше, чем сопротивление скольжению при тех же условиях. Обнаруженный Эйлером эффект уже в его время нашел практическое применение. Открытие Эйлера позволяло при спуске на воду судов предусмотреть усиление тяги в момент страгивания судна с места, в результате чего избежать опасных последствий, связанных с резким ускорением скольжения судна по стапелям сразу после начала движения.

             Другим известным достижением Эйлера в области трения была выведенная им формула для каната, «намотанного на кнехт и удерживающего судно», которая до сих пор используется в инженерной практике.

          Создателем науки о трении по праву считается великий французский ученый Шарль Кулон. В своем труде «Теория простых машин» (1781 г.) он охватил основные аспекты трения: сопротивление скольжению, сопротивление качению и сопротивление страгиванию.

         При исследовании трения скольжения различных металлов, минералов и сортов дерева Кулон обобщил закон Амонтона, показав, что часть силы трения не зависит или слабо зависит от  нагрузки:

    (1.2)

         где А - часть силы трения, зависящая от «сцепляемости» поверхностей трения и площади касания.

         Кулон был первым, кто понял, что трение обусловлено множествам факторов (нагрузкой, скоростью скольжения, материалом трущихся деталей, шероховатостью их поверхностей и др.). исследуя трение качения, Кулон впервые вывел формулу сопротивления перекатыванию:

    (1.3.)

где   ­- коэффициент трения качения, имеющий размерность  длины;

       N - вес свободно катящегося цилиндра радиусом г.      

Эта классическая формула используется и сейчас, хотя предпринимались многочисленные попытки ее опровергнуть.  Несмотря на фундаментальный вклад Кулона в теорию трения,  он игнорировал энергетический и тепловой аспекты   этого   явления, без которых механизм трения понять невозможно. В этой связи следует отметить, что высказанная еще Амонтоном идея, объясняющая природу трения как подъем одного тела по неров­ностям другого, разделялась многими крупными учеными вплоть до конца XVIII в.

         Первым ученым, доказавшим, что механическая энергия   при трении не исчезает, а  превращается в   тепло,   был   англичанин Бенджамин Томпсон (1798 г.). Наблюдая за сверлением пушечных Стволов, он пришел к выводу, что сильный нагрев заготовок есть прямой результат перехода подводимой к сверлу   механической энергии в тепловую вследствие интенсивного трения инструмента о металл. Дальнейший вклад в энергетические   аспекты   теории трения был сделан Майером (1842 г.), Джоулем (1843 г.), Гельмцгольцем (1847 г.). Тогда же (в середине XIX в.) были высказаны и первые предположения об адгезионной природе  трения (адге­зия — сцепление, слипание поверхностей прижатых друг к другу тел). Исследование роли адгезионных связей в трении   получило дальнейшее развитие в различных физических теориях трения   в 30­40-х годах нашего столетия (ученые   В. Д. Кузне­цов, Б. В. Дерягин, Д. А. Томпинсон и др.).

                В 50 – 60 х годах прошлого столетия с развитием научно-техни­ческой революции триботехника получила дальнейшее развитие. В этот период И. В. Крагельским, Ф. Боуденом и Д. Тейбором была создана современная молекулярно-механическая теория трения. Согласно этой теория процесс трения представляется как резуль­тат двух взаимосвязанных процессов: деформации контактирую­щих микронеровностей и молекулярного взаимодействия материа­лов на пятнах фактического контакта. Силы молекулярного взаимодействия, развивающиеся в зоне фактического контакта, оказывают сопротивление взаимному перемещению поверхностей и тем самым влияют на силу трения. Согласно молекулярно-механической теории трения суммарный коэффициент трения равен

                                                         (1.4)                                                                                                                                                                                                       

         где F­ - суммарная сила трения; N - нормальная нагрузка; F_м - молекулярная (адгезионная) составляющая силы трения; F_Д - меха­ническая (деформационная) составляющая силы трения; f_м - моле­кулярная (адгезионная) составляющая коэффициента трения;  f_Д - механическая (деформационная) составляющая коэффициента трения.

         Приведем некоторые основные определения, связанные с про­цессами трения и изнашивания, в соответствии с ГОСТ 23.002-78.

Внешнее   трение - явление   сопротивления    относительному перемещению, возникающего между двумя телами в зонах сопри­косновения поверхностей по касательным к ним, сопровождаемое диссипацией (рассеиванием) энергии.

Изнашивание - процесс разрушения и отделения материала с поверхности твердого тела и (или) накопления его остаточной деформации при трении, проявляющийся в постепенном измене­нии размеров и (или) формы тела.

Износ - результат изнашивания, определяемый в установлен­ных единицах (длины, объема, массы и др.).

Износостойкость - свойство материала оказывать сопротив­ление изнашиванию в определенных условиях трения, оценивае­мое величиной, обратной скорости изнашивания или интенсивнос­ти изнашивания.

Скорость изнашивания - отношение значения износа к ин­тервалу времени, в течение которого он возник. Различают мгно­венную (в определенный момент времени) и среднюю скорость изнашивания (за определенный интервал времени).

Интенсивность изнашивания - отношение значения износа к обусловленному пути, .на котором происходило изнашивание, или объему выполненной работы. Различают мгновенную и среднюю интенсивность изнашивания.

Трение покоя - трение двух тел при микросмещениях до перехода к относительному движению.

Трение движения - трение двух тел, находящихся в относи­тельном движении.

Трение скольжения - трение движения, при котором скорости тел в точке касания различны по величине и (или) направлению.

Трение качения - трение движения двух твердых тел, при котором их скорости с точках касания одинаковы по величине и^; направлению.

Сила трения - сила сопротивления при относительном пере­мещении одного тела по поверхности другого под действием внеш­ней силы, тангенциально направленная к общей границе между этими телами.

Скорость скольжения - разность скоростей тел в точках ка­сания при скольжении.

Коэффициент трения - отношение силы трения двух тел к нормальной силе, прижимающей эти тела друг к другу.

Контрольные вопросы.

1. Что такое трения?
2. Как происходить процесс изнашивания?
3. Как определяется коэффициент трения?
4. Почему трения является вредным явлением?

{/spoilers}