Триботехника, ее основные цели и задачи

МИНИСТЕРСТВО  ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ

РОССИЙСКОЙ  ФЕДЕРАЦИИ

 

 

 

 

Брянский государственный  технический университет

 

 

 

 

РЕФЕРАТ по дисциплине «Химмотология»

Тема:

«Триботехника, ее основные цели и задачи»

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

                             Студент: гр. 08-ДВС

 

                                                      Аксенов К.А.______________________

                                                                                

                  Руководитель:

 

Киселев. С.А.____________________                                                                                                    

 

 

                                                                                         

 

 

 

 

 

Брянск 2012

 

 

 

 

СОДЕРЖАНИЕ

 

 ВВЕДЕНИЕ …………...……………………………………………………..…..3

1.Общие сведения…………………………………………………………….….4

2. Контактирование и  трение в узлах машин…………..…………….…………6                                                                                                                                                                                                                                                                  2.1.Взаимное контактирование деталей……………………………...……….…6

2.2.Классификация видов трения …………………………………………….....7

3.Потери на трение в автомобильных двигателях.………………………….....17

3.1.Потери на трение относительно полной энергии ………….……………...17

3.2.Потери на трение и влияющие на них факторы…………..……………….15                                                                                              4.Триботехнические методы повышения долговечности узлов трения автотранспортных средств………………………………………………………21

4.1 Конструктивные методы повышения  долговечности узлов трения………...22

4.2 Технологические методы  повышения долговечности узлов  трения…….26

4.3 Эксплуатационные методы повышения долговечности узлов трения…...32

СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ………………………………...36

 

ВВЕДЕНИЕ

 

 

Важнейшая проблема современной  техники - внедрение и дальнейшее развитие работ по изысканию эффективных  методов повышения износостойкости, решением которой занимается триботехника.

Эффективность применения триботехники в народном хозяйстве  огромна и оценивается 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, 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 спроектировать 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 актуальной задачей.

Триботехника дает представление  о природе и закономерностях  внешнего трения и изнашивания шероховатых  поверхностей; значении смазки и присадок при трении и изнашивании; закономерностях изнашивания и методике подбора материалов для трущихся сопряжений; конструктивных, технологических и эксплуатационных методах повышения износостойкости.

 

1. Общие сведения

 

Большинство машин (85 – 90%) выходит из строя по причине износа деталей. Затраты на ремонт и техническое обслуживание машин в несколько раз превышают ее стоимость: для автомобилей в 6 раз, для самолетов до 5 раз, для станков до 8 раз. Касаясь двигателей автомобилей, следует отметить, что за весь срок службы их ремонтируют до 5 раз. Ресурс двигателя после ремонта по сравнению с ресурсом нового двигателя составляет 30 - 50%. Число рабочих, занятых ремонтом двигателей, в несколько раз превышает число рабочих, изготовляющих двигатели. Материальные затраты на ремонт также во много раз превосходят затраты на изготовление нового двигателя. Интересны данные по распределению трудовых затрат на весь срок службы автомобиля: на изготовление – 1,4%, на техническое обслуживание – 45,4%, на текущий ремонт – 46%, на капитальный ремонт – 7,2%.

Повышенный износ деталей  в сочленениях в одних случаях  нарушает герметичность рабочего пространства машины (например, в поршневых машинах), в других – нарушает нормальный температурный режим смазки, в  третьих – приводит к потери кинематической точности механизма. В результате изнашивания снижается мощность двигателей, увеличивается расход горючесмазочных материалов, падает производительность компрессоров, возникает возможность утечки ядовитых и взрывоопасных продуктов через сальники и уплотнения, понижаются тяговые качества и ухудшается управление у транспортных машин, уменьшается производительность, снижается точность и качество обработки изделий на металлорежущих станках.

Износ и повреждение  поверхностей снижают сопротивление  усталости деталей. Повышенные износы нарушают нормальное взаимодействие деталей в узлах, могут вызвать значительные дополнительные нагрузки, удары в сопряжениях и вибрации, стать причиной внезапных разрушений и недопустимого шума. В многозвенных механизмах даже небольшой износ отдельных элементов может суммироваться на ведомом звене и нарушать нормальное функционирование механизма. Причем, масса механизма или машины по мере износа уменьшается незначительно. Например, автомобильный двигатель средней мощности после полного износа имеет потерю массы не более 1% от исходной.

В последние годы стремительными темпами во всех развитых странах  мира развивается триботехника, что  в первую очередь связано с  требованиям создания экономичных  и долговечных машин, приборов и  аппаратов, технологического оборудования и инструментов, а также с экологическими проблемами.

Триботехника – наука  о контактном взаимодействии твёрдых  тел при их относительном движении, охватывающая весь комплекс вопросов трения, изнашивания и смазки машин.

В последние годы в  триботехнике получили развитие новые разделы – трибохимия, трибофизика и трибомеханика.

Трибохимия – изучает  взаимодействие контактирующих поверхностей с химически активной средой. Она  исследует проблемы коррозии при  трении, химические основы избирательного переноса и воздействие на поверхность деталей химически активных веществ.

Трибофизика – изучает  физические аспекты взаимодействия контактирующих поверхностей при их взаимном перемещении.

Трибомеханика – изучает  механику взаимодействия контактирующих поверхностей при трении. Она рассматривает законы рассеяния энергии, импульсы, а также механическое подобие, релаксационные колебания при трении, реверсивное трение, уравнения гидродинамики и др.

Вопросы развития триботехники можно подразделить на следующие  части, которые содержат самостоятельные этапы: учение о трении и изнашивании деталей машин; конструктивные решения вопросов трения и изнашивания; технологические методы повышения износостойкости деталей; эксплуатационные мероприятия по повышению долговечности машин.

 

 

 

2. Контактирование  и трение в узлах машин

 

2.1. Взаимное контактирование деталей

 

Взаимное контактирование  деталей происходит на выступах поверхностей по вершинам, образованным микронеровностями (рисунок 1.1). Выделяют три площади  контакта:

• номинальную площадь контакта, соответствующую номинальным сопрягаемым размерам деталей;
• фактическую (физическую) площадь контакта, равную сумме фактических малых площадок соприкосновения;
• контурную площадь касания, представляющую собой сумму площадок, ограниченных контурами, в которые вписаны области с близлежащими площадками фактического контакта.

Поверхность воспринимает нагрузку вершинами выступов неровностей, образуемых макрогеометрическими отклонениями. Здесь располагаются зоны, из которых  складывается контурная площадь касания. В контакт первыми вступают противостоящие друг другу выступы сопряжённых поверхностей, сумма высот которых наибольшая. Деформация неровностей и их основ вызывает сближение поверхностей. Возможны следующие виды деформации выступов: упругая, упругопластическая и упругопластическая с упрочнением.

Фактическая площадь  контакта возрастает с увеличением  нагрузки, снижения шероховатости поверхности  и росте радиуса закругления  вершин её неровностей; она несколько  увеличивается при большой длительности действия нагрузки. При сопряжении двух различных материалов площадь фактического контакта определяется физико-механическими свойствами более мягкого материала и геометрией поверхности более твёрдого тела.

 

 

Рисунок 1.1 - Формирование номинальной А_а, контурной А_с и фактической А_r площадей контакта при фрикционном взаимодействии твердых тел

 

 

 

 

2.2. Классификация видов трения

 

Основной целью введения смазочных материалов между поверхностями  сопряжённых деталей, находящихся  во фрикционном контакте, является уменьшение потерь на трение, предотвращение заедания и снижение износа пар трения. Это достигается тем, что внутреннее трение в смазочных материалах существенно меньше, чем внешнее трение несмазанных деталей, и исключение (минимизация) непосредственного контакта пар трения приводит к оптимизации фрикционно-износных характеристик сопряжения.

По характеру взаимоперемещения  трущихся деталей различают два  вида трения: трение покоя – трение двух тел при предварительном  смещении и трение движения – трение двух тел, находящихся в относительном движении. Трение движения в свою очередь подразделяется по характеру движения (трение скольжения и трение качения) и по наличию смазочного материала (трение без смазки, граничное трение, смешанное и жидкостное трение).

 

 

2.2.1 Трение без смазочного материала

 

Трение без смазки – это трение двух твёрдых тел  при отсутствии на поверхностях трения введённого смазочного материала или  загрязнений. Этот вид трения реализуется  в тормозах, фрикционных передачах, узлах машин пищевой, текстильной или химической промышленности, где смазочный материал во избежание порчи продукции, а также по соображениям безопасности недопустим, а также в узлах машин, работающих в условиях высоких температур, когда любой смазочный материал не пригоден. Данный вид трения имеет молекулярно-механическую природу. На площадках фактического контакта поверхностей действуют силы молекулярного притяжения, которые увеличиваются с повышением температуры. Молекулярные силы вызывают на том или ином числе участков адгезию. Адгезия – образование молекулярной связи между поверхностями разнородных твёрдых или жидких тел. Одним из проявлений действия адгезионных сил является схватывание, при этом образуются прочные металлические связи в зонах непосредственного контакта поверхностей. Схватывание зачастую сопровождается глубинным вырыванием металла с поверхности, приводящим к катастрофическому износу.

 

2.2.2 Трение со смазочным  материалом

 

Граничное трение

 

Практически все тяжелонагруженные  узлы трения современных машин и механизмов в определённые моменты времени работают в режиме граничного трения. Поверхности трения при этом не разделены слоем жидкости, а непосредственный металлический контакт, приводящий к их повышенному износу и заеданию узла трения, предотвращается (или минимизируется) образованием граничных слоёв различного происхождения на рабочих поверхностях пар трения.

Толщина и прочность  граничных слоёв зависит от химического  состава масла и входящих в  него присадок, особенностей, химической структуры и состояния поверхностей трения. Поведение граничных слоёв не зависит от вязкости, а определяется взаимодействием молекулярных плёнок масла с поверхностью металла.

Явление образования  на поверхности твёрдого тела тончайших  плёнок газов, паров или растворённых веществ, либо поглощение этих веществ поверхностью тела называют адсорбцией. Адсорбция бывает физическая и химическая (хемосорбция). При хемосорбции полярные концы молекул смазочного материала, связываясь с поверхностью, образуют на ней монослой химических соединений. Во многих случаях физическая и химическая адсорбция протекают одновременно, но одна из них является доминирующей.

Создание смазочных  плёнок силами адсорбции обуславливается  наличием в смазочных материалах поверхностно-активных веществ (ПАВ), несущих электрический заряд. Способность смазочных материалов, содержащих ПАВ, образовывать на смазываемых поверхностях достаточно прочные слои ориентированных молекул, обычно называют маслянистостью или смазывающей способностью масел. К полярным относятся соединения, содержащие карбоксильные группы, спирты, различные эфиры, смолы, сернистые соединения. В некоторые масла для улучшения их смазывающей способности вводят противоизносные и противозадирные присадки. Устойчивые химические плёнки фосфатов, хлоридов или сульфидов создаются на поверхности материала благодаря присутствию в смазочных материалах соответствующих химических элементов. К плёнкам этого типа относят также различные мыла, образовавшиеся из высших органических кислот, находящихся в масле. Большая скорость образования хемосорбированных плёнок обеспечивает их быстрое восстановление в местах разрушения граничного слоя.

Способность граничных  слоёв уменьшать потери на трение, снижать износ и предотвращать  заедание пар трения объясняется  следующими причинами:

• граничные слои разделяют трущиеся поверхности на расстояния, превышающие радиус действия адгезионных сил;
• наличием анизотропии механических свойств граничных слоёв. Граничные слои способны не разрушаясь, выдерживать большие нормальные нагрузки. В то же время, при относительно невысоких тангенциальных усилиях происходит сдвиг граничных слоёв по плоскостям наилучшего скольжения;
• активные компоненты смазочного материала вызывают адсорбированное пластифицирование поверхностных слоёв, избирательное растворение некоторых составляющих поверхностного слоя металла и перенос их на ответную поверхность, что также снижает поверхностную прочность.