Примеры вредного и полезного трения в машинах и механизмах
1. Основные понятия и законы трения
Трением называется сопротивление относительному перемещению соприкасающихся и взаимодействующих тел, возникающее в зоне их контакта.
Вектор силы трения, лежит в касательной плоскости к трущимся поверхностям и направлен против скорости относительного движения.
Сила трения покоя имеет место до начала движения при действии сдвигающей силы. Величина неполной силы трения покоя равна приложенной сдвигающей силе; величина полной силы трения равна предельному значению сдвигающей силы, при котором может начаться относительное движение тел.
Сила трения движения возникает при относительном движении тел. Ее величина не зависит от движущей силы, превышение которой над силой трения вызывает ускорение движения тела.
Величины силы трения движения и предельной силы трения покоя при скольжении зависят от следующих факторов:
- а) нормальной силы;
- б) удельного давления на трущихся поверхностях;
- в) скорости относительного движения;
- г) материалов трущихся тел;
- д) гладкости трущихся поверхностей;
- е) смазки и загрязнения трущихся поверхностей.
Величина силы трения качения кроме перечисленных факторов зависит еще от радиусов кривизны поверхностей в месте их соприкосновения.
2. Виды трения
По характеру относительного движения трущихся тел различают:
- Трение скольжения, которое может возникнуть при соприкосновении тел по поверхности, по линии или в точке. Под линейчатым понимается касание по малым площадям, протяжённость которых в одном направлении практически мала и зависит от смятия поверхностей. Под точечным подразумевается касание по еще меньшим площадям, имеющим во всех направлениях малую протяженность, зависящую от смятия поверхностей.
- Трение качения, возникающее при перекатывании одного тела по другому. Касание тел может быть линейчатым (по прямой) или точечным. Мгновенная ось вращения одного тела относительно другого при чистом качении совпадает с прямой касания или проходит через все точки касания.
- Трение верчения, которое может появиться при точечном соприкосновении (обычно в одной точке). Площадь касания мала и зависит от смятия поверхностей. Относительное движение тел вращения вокруг оси, проходящей через точку касания по нормали к соприкасающимся поверхностям.
На практике часто один вид трения сопровождается другим. По характеру смазки трущихся поверхностей различают:
- чистое трение при отсутствии на трущихся поверхностях следов посторонних веществ (в механизмах не встречается, может быть получено в вакууме);
- сухое трение при отсутствии смазки (в механизмах возможно при хорошей изоляции трущихся поверхностей от системы смазки;
- полусухое трение, сочетание сухого и граничного (смазка в порах поверхностей);
- граничное трение при очень тонкой масляной пленке (0,1 мкм и менее), прочно удерживающейся на трущихся поверхностях (смазка ненасыщенным туманом);
- полужидкостное трение — сочетание жидкостного и граничного;
- жидкостное трение, когда трущиеся поверхности полностью разделены слоем смазки.
Попадание достаточного количества смазки в зазор между трущимися поверхностями обеспечивается:
- а) самозатягиванием при достаточной скорости движения и при наличии соответствующих поверхностей, образующих масляный клин в сочетании с явлением капиллярности;
- б) подачей смазки в зазор под давлением, что обеспечивает жидкостное трение при сколь угодно малой скорости относительного движения поверхностей (применяется, например, для смазки направляющих некоторых станков).
2.1. Трение скольжения
Трение скольжения за исключением жидкостного характеризуется формулами (рис. 1).
Рис. 1. Схема взаимодействия сил при скольжении тел
Если силы, приложенные к телу А, стремятся его сдвинуть (или же двигают) по опорной поверхности В, то в месте контакта помимо нормальной составляющей реакции N возникает касательная составляющая T, направленная против движения действительного или возможного, обусловленная шероховатостью и называемая силой трения. Наибольшая величина силы сухого трения пропорциональна нормальному давлению трущихся поверхностей друг на друга.
(1)
где f — коэффициент трения скольжения (безразмерная величина). Величина f зависит от материала и степени обработки (а также от температуры) трущихся поверхностей. В момент начала движения (T=Tmax) f имеет наибольшее значение (статический коэффициент трения или коэффициент трения при покое), после чего сразу несколько уменьшается, изменяясь в дальнейшем со скоростью сравнительно мало. При этом для большинства материалов f при увеличении скорости уменьшается.
Углом трения называется угол между полной реакцией R и нормальной реакцией N. При T=Tmax этот угол называется предельным углом трения. Обозначая его через φ, имеем φ=arctg f. Ориентировочные значения коэффициентов трения скольжения приведены в табл. 1.
Таблица 1. Значения коэффициентов трения скольжения
| Материалы трущихся поверхностей | Коэффициент трения f | |||
| покоя | движения | |||
| насухо | со смазкой | насухо | со смазкой | |
| Сталь — сталь | 0,15 | 0,1 — 0,12 | 0,15 | 0,05 — 0,1 |
| Сталь—мягкая сталь | — | — | 0,2 | 0,1 — 0,2 |
| Сталь — чугун | 0,3 | — | 0,18 | 0,05 — 0,15 |
| Мягкая сталь — чугун | 0,2 | — | 0,18 | 0,05 — 0,15 |
| Сталь — бронза | 0,15 | 0,1 — 0,15 | 0,15 | 0,1 — 0,15 |
| Мягкая сталь — бронза | 0,2 | — | 0,18 | 0,07 — 0,15 |
| Чугун — чугун | — | 0,15 | 0,15 | 0,07 — 0,12 |
| Чугун — бронза | — | — | 0,15 — 0,2 | 0,07 — 0,15 |
| Бронза — бронза | — | 0,1 | 0,2 | 0,07 — 0,1 |
2.2. Трение качения
Трение качения возникает при перекатывании круглого тела по поверхности качения.
При качении тела по пoверхности другого (рис. 2) к еηо оси должна быть положена сила Р для преодоления сопротивления, выражаемого моментом сопротивления при качении (моментом пары трения качении):
(2)
где N — нормальное давление (в случае рис. 2 N равна весу G); k — коэффициент трения качения (выражается в единицах длины), называемый также плечом пары трения.
Рис. 2. Схема взаимодействия сил при качении тел
Пара N’ и N» с моментом m смещает нормальную реакцию N в сторону движения на расстояние k. Качение без скольжения имеет место, если f r > k.
Ориентировочные значения коэффициентов трения качения круглого тела по поверхности качения приведены в табл. 2.
Таблица 2. Значения коэффициентов трения качения круглого тела по поверхности качения
| Материалы круглого тела и поверхности качения | Коэффициент трения k, см |
| Мягкая сталь— мягкая сталь | 0,005 |
| Закаленная сталь — закаленная сталь | 0,001 |
| Чугун — чугун | 0,005 |
| Дерево— сталь | 0,03 — 0,04 |
2.3. Жидкостное трение
Жидкостное трение характеризуется формулой для силы внутреннего трения
(3)
где η — абсолютная вязкость; S — площадь трущихся поверхностей; υ — градиент скорости.
Абсолютная вязкость η по замеряемой относительной вязкости Е в градусах Энглера определяется по формуле:
(4)
Жидкостное трение обеспечивается, если несущая способность масляного слоя будет равна нормальной силе при заданной скорости относительного движения и при толщине масляного слоя, превышающей сумму высот неровностей на поверхностях трения. При небольшой шероховатости (с наибольшей высотой неровностей до 0,1 толщины масляного слоя) получаем надежное жидкостное трение с характером движения жидкости в зазоре, близким к ламинарному. При более шероховатых поверхностях трения и большой скорости относительного движения поверхностей движение жидкости в зазоре становится турбулентным, и потери на трение сильно возрастают. Получающийся вследствие этого нагрев масла в зазоре и снижение его вязкости создают опасность разрыва масляного слоя и нарушения жидкостного характера трения.
На практике приведенный коэффициент трения с учетом смазки определяют по формуле:
(5)
где p — среднее удельное давление в кг/см2; η — вязкость масла в сантипаузах, n — частота вращения в об/мин.
3. Моменты трения
Моменты трения можно определить по формуле:
(6)
где Q -приложенная нагрузка; f — коэффициент трения; r — плечо, на котором приложена сила трения.
Моменты трения в подвижных соединениях машин, работающих при меняющихся режимах нагружения, определяются по формулам, учитывающим форму и шероховатость поверхностей деталей в зоне контакта, а также наличие смазки с учетом ее количества и вязкости. В расчетах вместо f — коэффициента трения используют fпр — приведенный коэффициент трения, который учитывает условия работы трущейся пары (форму направляющих, наличие смазки и др).
Например, для V-образной направляющей приведенный коэффициент трения равен:
(7)
где α — угол наклона боковой направляющей.
Для колеса тележки с наружным диаметром D (качение) и с подшипником скольжения на цапфе d приведенный коэффициент трения будет равен:
(8)
Для подшипника скольжения при достаточном подводе смазки и средних кромочных давлениях момент трения можно определить по формуле:
(9)
где d и f — диаметр и длина подшипника скольжения в мм; Δ — диаметральный зазор в посадке подшипника в мм; n — частота вращения в об/мин; η — вязкость масла в сантипаузах.
Для зубчатого зацепления момент трения можно определить по формуле:
(10)
где P0 — окружное усилие в кг; d0, b — диаметр начальной окружности и ширина шестерни в мм; υ — окружная скорость в м/сек; с — коэффициент, равный 3–6 при струйной смазке и 5–10 при смазке погружением на высоту зуба и доходящий до 50 при погружении на большую глубину.
Значения f и k для конкретных передач в подвижных соединениях машин даны в соответствующих разделах технической литературы, посвященной расчету деталей машин.
Просмотров: 1 707
материал предоставил СИДОРОВ Александр Владимирович
Трение (фрикционное взаимодействие) – процесс взаимодействия тел при их относительном движении (смещении) либо при движении тела в газообразной или жидкой среде.
Изучением процессов трения занимается раздел физики, который называется трибология (механика фрикционного взаимодействия).
Трение принято разделять на:
- сухое, когда взаимодействующие твёрдые тела не разделены никакими дополнительными слоями / смазками (в том числе и твёрдыми смазочными материалами) – очень редко встречающийся на практике случай; характерная отличительная черта сухого трения – наличие значительной силы трения покоя;
- граничное, когда в области контакта могут содержаться слои и участки различной природы (окисные плёнки, жидкость и так далее) – наиболее распространённый случай при трении скольжения;
- жидкостное (вязкое), возникающее при взаимодействии тел, разделённых слоем твёрдого тела (порошком графита), жидкости или газа (смазки) различной толщины – как правило, встречается при трении качения, когда твёрдые тела погружены в жидкость, величина вязкого трения характеризуется вязкостью среды;
- смешанное, когда область контакта содержит участки сухого и жидкостного трения;
- эластогидродинамическое (вязкоупругое), когда решающее значение имеет внутреннее трение в смазывающем материале. Возникает при увеличении относительных скоростей перемещения.
Сила трения – это сила, возникающая в месте соприкосновения тел и препятствующая их относительному движению.
Причины возникновения силы трения:
- шероховатость соприкасающихся поверхностей;
- взаимное притяжение молекул этих поверхностей.
Трение скольжения – сила, возникающая при поступательном перемещении одного из контактирующих / взаимодействующих тел относительно другого и действующая на это тело в направлении, противоположном направлению скольжения.
Трение качения – момент сил, возникающий при качении одного из двух контактирующих / взаимодействующих тел относительно другого.
Трение покоя – сила, возникающая между двумя контактирующими телами и препятствующая возникновению относительного движения. Эту силу необходимо преодолеть для того, чтобы привести два контактирующих тела в движение друг относительно друга.
Сила трения прямо пропорциональна силе нормальной реакции, то есть зависит от того, насколько сильно тела прижаты друг к другу и от их материала, поэтому основной характеристикой трения является коэффициент трения, который определяется материалами, из которых изготовлены поверхности взаимодействующих тел. [1]
Износ – изменение размеров, формы, массы или состояния поверхности изделия вследствие разрушения (изнашивания) поверхностного слоя при трении. [2]
Работа любой машины неизбежно сопровождается трением при относительном движении её частей, поэтому полностью устранить износ невозможно. Величина износа при непосредственном контакте поверхностей прямо пропорциональна работе сил трения.
Абразивный износ частично вызывается действием пыли и грязи, поэтому очень важно содержать оборудование в чистоте, особенно её трущиеся части.
Для борьбы с износом и трением заменяют одни металлы другими, более устойчивыми, применяют термическую и химическую обработку трущихся поверхностей, точную механическую обработку, а также заменяют металлы различными заменителями, изменяют конструкцию, улучшают смазку (изменяют вид, вводят присадки) и т.д.
В машинах стремятся не допускать непосредственного трения скольжения твёрдых поверхностей, для чего или разделяют их слоем смазки (жидкостное трение), или же вводят между ними добавочные элементы качения (шариковые и роликовые подшипники).
Основное правило конструирования трущихся деталей машин состоит в том, что более дорогой и трудно заменяемый элемент трущейся пары (вал) изготовляют из более твёрдого и более износоустойчивого материала (твёрдая сталь), а более простые, дешёвые и легко заменяемые части (вкладыши подшипников) изготовляют из сравнительно мягкого материала с небольшим коэффициентом трения (бронза, баббит).
Большинство деталей машин выходят из строя именно вследствие износа, поэтому уменьшение трения и износа даже на 5-10% даёт огромную экономию, что имеет исключительное значение. [3]
Перечень ссылок
- Трение // Википедия. – https://ru.wikipedia.org/wiki/Трение.
- Износ (техника) // Википедия. – https://ru.wikipedia.org/wiki/Износ_(техника).
- Трение в машинах, трение и износ в машиностроении // Проект-Технарь. Прогрессивные авто-технологии. – https://www.studiplom.ru/Technology/Trenie.html.
Вопросы для контроля
- Что такое трение?
- Какие существуют разновидности трения?
- Что приводит к возникновению силы трения?
- Как классифицируют трение в зависимости от действующих сил?
- Что такое износ и как с ним борются?
Трение является важнейшим видом вредного сопротивления; в то же время на действие сил трения основан ряд важнейших технологических процессов и работы механизмов: процессы прокатки, дробления, торможения автомобиля, сцепления шины с дорогой, трение в механизме сцепления, работа фрикционов, ременные передачи и т.д. Являясь неизбежным спутником всякого движения, а следовательно и работы машины, трение иногда достигает весьма большой величины; например, при прокатке около 50% всей энергии двигателя затрачивается на преодоление трения.
Работа, развиваемая силами трения, отчасти превращается в теплоту, отчасти затрачивается на истирание твердых трущихся поверхностей; при этом появляться колебания, звук (скрип тормозов, свистит шин при резком торможении и т.д.), а также электрические заряды.
Повышение температуры частей машины всегда нежелательно и даже опасно, так как перегрев может привести к самовозгоранию смазки, заеданию и поломкам частей машины: с повышением температуры металлы теряют в большей или меньшей степени свою прочность. В современном машиностроении особенно важное значение имеет трение скольжения, в частности трение цапф в подшипниках, а также трение в зубчатых передачах.
Трение скольжение вызывается:
1) Механическим сопротивлением выступающих бугорков, всегда имеющихся на скользящих поверхностях;
2) Молекулярным воздействием; последнее невозможно без тесного контакта трущихся поверхностей, при этом неизбежен срыв бугорков. Поэтому все явление имеет двойственный характер упругопластических деформаций, сопровождающихся рядом других явлений. В настоящее время принята молекулярно-механическая теория трения покоя, разработанная советскими учеными (статья И. В. Крагельского). Физическая сторона трения скольжения в движении разработана сравнительно меньше.
Больший интерес представляет новая энергетическая теория А.Д. Дубина; он отмечает, что нельзя правильно оценить и раскрыть природу трения и износа на основе одних только общих законов классической механики и считает , что трение есть процесс возбуждения атомов и атомной решетки поверхностного слоя в результате передачи энергии от одного тела к другому.
Трение и износ – весьма сложное явление физического, механического и химического характера, в настоящее время еще не достаточно изученные.
В машинах следует различать два основных вида трения скольжения: трение сухое и трение жидкостное; промежуточные виды трения скольжения: полусухое, являющееся разновидностью первого, и полужидкостное – разновидностью второго.
При сухом трении вследствие неизбежной шероховатости скользящих поверхностей твердых тел происходят задевание, деформации (упругие и пластические) и срыв выступающих буртиков. Нормальные реакции в точках соприкосновения можно разложить на вертикальные составляющие и горизонтальные; очевидно, есть сила, сжимающая (по вертикали) тела, есть сопротивление, вызываемое трением, действующее на каждое из трущихся тел против его относительного перемещения. Отсюда получаем важное правило: СИЛА ТРЕНИЯ (ВО ВРЕМЯ ДВИЖЕНИЯ) ДЕЙСТВУЕТ НА ТЕЛО ВСЕГДА ПРОТИВ ЕГО ОТНОСИТЕЛЬНОЙ СКОРОСТИ.
При отсутствии относительного движения сила трения, точнее – сила сцепления, действует на тело противоположно направлению того относительного движения, которое имело бы тело, если бы трения (сцепления) не было. При сухом трении неизбежно нагревание трущихся тел и их изнашивание, состоящее отчасти в срыве бугорков, отчасти в деформациях и других более сложных явлениях молекулярного характера; повышение температуры при трении может довести вкладыши коленчатого вала из твердого состояния в расплавленное.
Жидкостное трение имеет совсем другой характер: при нем твердые трущиеся поверхности тел полностью отделены одна от другой сплошным слоем смазки (жидкости или газа) такой толщины, что даже самые высокие бугорки этих поверхностей не соприкасаются или почти не соприкасаются. Поэтому силами трения в этом случае являются главным образом силы сопротивления сдвигу внутри самой жидкости, обладающей определенной вязкостью, а износ твердых поверхностей теоретически полностью исключен. Таким образом, назначение смазки состоит в разъединении твердых трущихся поверхностей, в устранении непосредственного контакта между ними, неизбежно ведущего при относительном движении их к изнашиванию.
Полусухое трение получается при наличии тонкого смазочного слоя, когда значительная часть бугорков твердых трущихся поверхностей еще соприкасаются, деформируются и срезается; поэтому для этого трения можно считать достаточно правильными законы Кулона.
Полу жидкостное трение получается при недостаточной толщине слоя смазки, когда соприкасаются лишь немногие, наиболее выступающие бугорки твердых поверхностей; в этом случае можно пользоваться с достаточным приближением законами жидкостного трения. Однако провести резкую границу между полусухим и полужидкостным трением нельзя, так как оба происходят при неполной смазке: в первом случае – при преобладании контакта твердых поверхностей, во втором – при преобладании слоя смазки, прерываемого лишь в отдельных точках особенно выступающих бугорками. Обычно полусухое трение получается при малых скоростях, в особенности при пуске машины в начале ее движения, а полужидкостное – при неправильной или недостаточной смазке, в качающихся цапфах, а также при неправильной эксплуатации, например при перегрузке цапфы, и т.д. В технике оба основных вида трения (сухое и жидкостное) встречаются весьма часто; сухое трение – в фрикционных и ременных передачах, в тормозах, при прокатке и дроблении, при движении шины по дороге и т.д.; жидкостное трение – в хорошо смазываемых цапфах, пятах, ползынах и т.д.
В большинстве современных машин имеет место трение полужидкостное или полусухое, поэтому ближайшей задачей является переход на жидкостное трение, без износа трущихся поверхностей. Износ частей машин – явление чрезвычайно вредное. Износ можно определить как нежелательный результат процесса изнашивания пи наличии трения. В основном износ заключается в поверхностном разрушении трущихся твердых тел под влиянием касательных сил трения, что сопровождается перенапряжением поверхностных слоев трущихся тел выше предела текучести или предела прочности, скалывание мельчайших частиц, пластическими деформациями и другими явлениями физического и химического характера. Величина износа характеризуется толщиной стертого слоя металла.
Различают следующие виды естественного износа:
1) Коррозионный (под коррозией понимается физико-химический процесс разрушения металла под воздействием окружающей среды);
2) осповидный (выкрашивание), преимущественно при качении;
3) окислительный;
4) тепловой;
5) абразивный.
Работа любой машины неизбежно сопровождается трением при относительном движении ее частей, поэтому полностью устранить износ невозможно; величина же износа при непосредственном контакте поверхностей прямо пропорциональна работе сил трения. Абразивный износ частично вызывается действием пыли и грязи, поэтому очень важно содержать машину в чистоте, особенно ее трущиеся части, важно также, что бы работа машины была спокойной (безударной). При ударной нагрузке сопротивляемость металла износу определяется не только прочностью и твердостью поверхности, но она зависит также от его вязкости. так отбеленный чугун, твердость которого примерно вдвое выше твердости марганцевой стали, изнашивается в дробилках примерно 5-7 раз быстрее последней из-за отсутствия необходимой вязкости.
Зависимость срока службы от условий работы машины наглядно иллюстрируется следующим примером: в то время как вал стационарной паровой турбины может работать до 15 млрд. оборота, ось паровоза может выдержать лишь 400 мин. оборотов, ее срок службы почти в 40 раз меньше. Таким образом, под изнашиванием следует понимать неизбежный и вредный процесс изменения формы и размеров частей машин и сооружений по действием главным образом сил трения и других тесно связанных с ним факторов. Огромное большинство деталей машин выходят из строя именно в следствии износа. Поэтому уменьшение трения и износа даже на 5-10% даст огромную экономию, что имеет исключительное значение.
Для борьбы с износом и трением заменяют одни металлы другими, более устойчивыми, применяют термическую и химическую обработку трущихся поверхностей, точную механическую обработку, а также заменяют металлы различными заменителями (пластмассами, древесиной специальной обработки и т.п.), изменяют конструкцию, улучшают смазку и вводят новые виды ее и т.д. В машинах стремятся не допускать непосредственного трения скольжения твердых поверхностей, для чего или разделяют их слоем смазки (жидкостное трение), или же вводят между ними добавочные элементы качения (шариковые и роликовые подшипники), к перемещению грузов на катках и колесах и т.п.
Основное правило конструирования трущихся деталей машин состоит в том, что более дорогой и трудно заменяемый элемент трущейся пары (вал) изготовляют из более твердого и более износоустойчивого материала, обычно из твердой стали, а более простые, дешевые и легко сменяемый части (вкладыши подшипников) изготовляют из сравнительно мягкого материала с небольшим коэффициентом трения, обычно из бронзы, баббита, специальных сортов чугуна и т.п. Кроме физического износа, машина подвержена также старению; при этом стареет ее конструкция и машина становится невыгодной технически и экономически по сравнению с новыми, более совершенными по конструкции и работе.