|
|
КАТАЛОГ ИМПОРТНОЙ ПРОДУКЦИИ
О компании / Это интересно / Введение в разработку смазочных материалов / Трение и износ /
трение, необходимость трибологических разработок смазочных материалов для узлов механизмов и частей оборудования
Проектировщик оборудования всегда, и при разработке, и при сборке, должен помнить о требованиях, которые необходимо учесть для долгосрочной эксплуатационной надежности. Перед оператором установки встает задача необходимости гарантировать безотказность и безопасность работы путем правильного обслуживания на протяжении всего предусмотренного срока службы. Достижение обеих этих целей требует и анализа критериев трибологической разработки и сборки, и, конечно, правильного обслуживания и своевременного ремонта.
Для трибологической разработки смазанных узлов механизмов и частей оборудования, смазочный материал должен быть представлен как измеримый функциональный элемент и должен включаться, когда это возможно, в процессе разработки механизма с учетом трения и износа. Срок службы смазываемых частей механизмов зависит от функционального проектирования и оптимизации смазочных материалов как функционального элемента. Если условия меняются или использование смазочных материалов доказывает незначительность прочих условий, заводской механик должен иметь возможность взять под контроль изменившиеся условия, чтобы сделать технические требования соответствующими условиям использования, и выбрать подходящий смазочный материал.
Для достижения этой цели требуются два критерия:
1. Распространение знаний о трибологии и смазочных материалах;
2. Обмен информацией о свойствах смазок и рекомендаций по влиянию на некоторые аспекты поведения.
Необходимость трибологической основы конструкции становится ясной, если помнить о том, что:
- механизмами можно управлять и без мер по минимизации трения и износа
- смазочные материалы используются и в металлоконструкциях и при управлении ракетами и спутниками в космосе
Также, необходимо отметить отражение на экономике, т.е.:
- ежегодные убытки ФРГ из-за трения и износа в начале 90 годов составляли около 40 млрд. марок. В США убыток составлял 200 млрд., тогда как в Англии превышает приблизительно 700 млн. фунтов. Следовательно, любой механик может снизить убытки в разы при грамотном приложении трибологических знаний.
Сильное снижение убытков возможно за счет использования относительно новой технико-научной дисциплины «Трибологии и разработок смазочных материалов». Область и границы применения трибологии могут быть определены из DIN 50 323.
Трибология определена как наука и технология взаимодействия поверхностей, движущихся относительно друг друга, и проблем связанных с ними.
Вопросом пользователя или триболога является вопрос об использовании трения и его эффектов для решения проблем систем с трением и износом. Чтобы сделать это, необходимо определить явления, связанные с износом движущихся поверхностей, чтобы понять взаимное влияние параметров и оптимизировать решение проблемы.
Введение в разработку смазочных материалов
На рис.1. показана диаграмма разложения термина Трибология на «Трибо-исследование» («Исследование трения») и «Триботехнику» или «Разработку смазочных материалов». Трибо-исследование или Исследование трения включает в себя исследование явлений трения и износа. Второй ветвью является Триботехника, которая использует результаты трибо-исследований. Триботехника в таком случае включает и разработку смазочных материалов, и все технические возможности влияния сил трения и износа, даже при отсутствии смазочных материалов.
Технические возможности снижения трения и износа, путем использования смазочных материалов и доставки смазочных материалов к точке трения входят в область триботехники.
Соответственно, знание экспертов-трибологов состоит из базовых знаний химии, физики и технических разработок. Методы организации и работы будут выгодны при некотором юридическом и экономическом опыте. Знание смазочных материалов и материаловедения является необходимым для достижения успеха как в области трибо-исследований так и в области триботехники.
Взаимосвязь трения, износа и смазочных материалов
1.1. Трение
2.1.1 Основные понятия
«Трение» - это механическое сопротивление, возникающее в плоскости касания двух соприкасающихся тел при их относительном перемещении. Следовательно, любое трение скольжения связано с потерями механической энергии, что выражается в повышении температуры элементов (поверхности соприкасающихся частей, смазка, окружающая среда). В случае трения покоя потери энергии равны нулю.
Наличие трения не всегда является препятствием. Например, для лучшего соединения трение присутствует в шпоночных соединениях, в поперечной посадке с натягом, фрикционной передаче, ременной передаче и любом винтовом соединении. Это означает, что трение не должно быть минимизировано во всех случаях, оно должно быть контролируемо в соответствии с требованиями функциональности.
Чтобы достичь этого нужно систематически изучить все типы трения. С этой целью далее мы намереваемся рассмотреть все типы и формы трения детально.
Существует два основных типа трения: статическое трение и динамическое (кинетическое) трение. Эти типы и их подтипы представлены в Таблицах 1 и 2.
«Трением покоя» является сопротивление движению двух соприкасающихся поверхностей под действием сил. Сила трения высчитывается умножением коэффициента трения m0 на нормальную (т.е. перпендикулярную) силу FN:
При условии, что сила трения FR больше чем действующая сила FA никакого движения не будет. Только когда сила действия FA станет больше FR, поверхности начнут сдвигаться относительно друг друга, т.е. возникнет относительное движение между плоскостями. На Рис.3 показано как коэффициент трения покоя m0 меняется в начале движения при количественно малом коэффициенте трения скольжения m. Схожее соотношение возможно для трения покоя и трения качения, качения/скольжения и верчения. Расчетные уравнения могут быть выведены по Таблице 2.
Равномерная динамика трения возможна, когда поверхности движутся относительно друг друга. В зависимости от природы относительного движения трение можно разделить в соответствие с Рис. 2:
Типы трения
Таблица 1: Типы трения для трения покоя и динамического трения, в соответствие с /2/
Типы трения
Рис.2: Схематично представленные типы трения в соответствии с /2/
a) Статическое трение
b)-f) Динамическое трение
b)-e) Равномерное динамическое трение
b) Трение скольжения
c) Трение качения
d) Комбинированной трение качения/скольжения
e) Трение вращения
f) Переменное динамическое трение
- Трение скольжения (передача движения через точку опоры или прямым контактом)
- Трение качения (вращательное движение с точкой опоры или прямым контактом)
- Трение качения/скольжения (комбинации трения качения и скольжения)
- Трение верчения (вращательное движение относительно оси перпендикулярной плоскости соприкосновения)
Соотношения для силы трения, момента силы трения, нормальной силы и коэффициента трения приведены в Таблице 2 для различных типов трения.
Коэффициенты статического трения и трения скольжения
Рис. 3: Переход коэффициента статического трения m0 в коэффициент трения скольжения m при начале движения двух поверхностей
Коэффициент трения
Таблица 2: Коэффициенты трения для трения скольжения, качения, качения/скольжения и трения верчения (FR=сила трения, FN=нормальная сила, Vsliding=скорость скольжения, Vrolling=скорость вращения)
Переменное динамическое трение возникает при замедлении, т.е. к концу движения. Периодическое динамическое трение это вид трения, который не имеет постоянного значения, а имеет периодические максимумы и минимумы. Так называемый эффект «прерывистое перемещение» является видом периодического динамического трения /2/.
2.1.3 Состояния трения
Различные состояния трения могут быть проиллюстрированы с использованием диаграммы Стрибека, как показано на Рис.4. Диаграмма показывает различные состояния трения и коэффициенты трения при начале движения гидродинамического подшипника скольжения. Этот пример был выбран после того как гидродинамический подшипник в начале движения прошел все состояния трения скольжения. При нулевой скорости вращения мы имеем контакт твердых тел. Соответственно, когда статичное трение было преодолено, появилось так называемое сухое трение тел или граничное трение. При возрастании скорости, в зазор подшипника наносится смазочный материал, и возникает трение метала, обработанного смазочным материалом. Когда и смазочные материал и контакт твердых тел участвуют в трении, такой вид трения называется «смешанным трением». При дальнейшем увеличении скорости вращения, происходит увеличение количества смазочного материала, помещенного в зазор, и происходит уменьшение вклада металлического контакта, за счет увеличения поддерживающего гидродинамического давления.
Коэффициент трения μ падает, и поверхности становятся «подвешенными». Точка с минимальным коэффициентом трения (граничная точка) является переходом между смешанным трением и жидкостным (гидродинамическое трение), т.е. контакт твердых тел исчезает и происходит полное разделение поверхностей смазочным материалом.
С физической точки зрения возрастание эффективной гидродинамической скорости приводит к возрастанию давления смазочного материала в узком смазочном «клине», поэтому происходит полное разделение двух соприкасающихся поверхностей. Эффективная гидродинамическая скорость является, таким образом, ответственной за возрастание давления смазочного материала и появление смазочного клина между поверхностями. Это определяется как средняя скорость поверхностей:
Uh=(U1+U2)/2
где Uh – эффективная гидродинамическая скорость
U1 – скорость первой соприкасающейся поверхности (т.е. тангенциальная скорость поверхности)
U2 - скорость второй соприкасающейся поверхности (т.е. тангенциальная скорость втулки подшипника, равная нулю)
Коэффициент трения, снова возрастающий после прохождения граничной точки, относится к вязкому трению в смазочном материале. Он возрастает вместе со скоростью, до тех пор, пока постоянный коэффициент трения на поверхности подшипника превышает номинальную скорость. Потери на трение также обусловлены вязкостным трением, приводящим к повышению температуры составляющих частей. Вязкость уменьшается при повышении температуры (при конечном трении). С другой стороны вязкое трение уменьшается при снижении вязкости, так что постоянное действие приводит к снижению коэффициента трения. После постоянной работы подшипника в течение длительного времени установится тепловой баланс между выделением тепла за счет трения и тепловыми потерями составляющих элементов (теплопроводность поверхности материала и конвективная теплопередача смазочного материала), поэтому возникает постоянный коэффициент трения.
Рис.5 показывает кривые Стрибека для трех смазочных материалов с различной вязкостью. На диаграмме показано что, при высокой вязкости гидродинамическая область включает в себя и малые скорости вращения. С другой стороны, высокая вязкость препятствует большему вязкому трению в зоне гидродинамического трения. Это выражается в больших энергетических потерях и установившемся режиме действия, возрастание температуры сопровождается снижением действующей вязкости.
Диаграмма Стрибека
Рис.4: Диаграмма коэффициентов трения μ для начала движения гидродинамического или гидростатического подшипника (диаграмма Стрибека)
Кроме того, для форм граничного трения, смешанного трения и гидродинамического трения в случае, когда давление смазочного материала столь велико, что деформируется металлическая поверхность соприкасающихся поверхностей, мы говорим об «эластичной гидродинамической смазке». Такие упругие деформации часто происходят с зубьями круглых деталей, в зубчатых контактах, вращающихся элементах подшипников и в подшипниках с очень большим диаметром.
Порядки значений коэффициентов трения приведены в Таблице 3 для различных видов трения. Коэффициенты трения включают в себя трение качения и трение воздуха, а также порядки величин трения скольжения.
Высокие коэффициенты трения желательны при использовании в тормозных системах, сцеплениях и посадках с натягом. Таким образом, для сухого трения в тормозах и сцеплениях достигается значение μ>0,3. В зоне смешанного трения коэффициенты трения порядка μ≈0,05.
Область упругогидродинамического контакта достаточно мала, если тангенциальная сила, которая должна быть передана скольжением в точке касания, складывается с нормальной силой. В случае жидкостного трения, как гидродинамического, так и гидростатического, коэффициент трения есть по сути функция вязкости используемой смазки и находится в области μ≈0,01.
Различные вязкости на диаграмме Страйбека
Рис. 5: Диаграмма Страйбека для смазок различной вязкости
Коэффициенты трения
Таблица 3: Таблица значений коэффициентов трения для различных форм трения
Использование вращающихся деталей в подшипнике снижает коэффициент трения до значения коэффициента трения качения μ≈0,001. Наиболее малый коэффициент трения достигается в аэростатических подшипниках. В них коэффициент трения стремится к почти нулевому(μ≈0,0001). Конечно, такие подшипники требуют немалых технических затрат.
Кроме того, отдельные формы трения могут быть представлены широким диапазоном значений удельной нагрузки, достигаемой хорошей работой деталей машин (Таблица 4). Несмотря на то, что в элементах без смазки (сухое трение) достигается удельная нагрузка около 0,1 Н/мм2, детали машин со смазкой могут выдерживать удельную нагрузку до 1 Н/мм2 в области смешанного трения, и до 20 Н/мм2 в области жидкостного трения. При наличии упругогидродинамической смазки удельная нагрузка возрастает до 1000 Н/мм2 и более. Допустимая нагрузка хорошо примененного слоя смазки достигает значений допустимых нагрузок многих типов стали, т.е. превышает 800 Н/мм2. Следовательно, значительное увеличение допустимой нагрузки смазываемых деталей механизмов может быть достигнуто правильным применением смазочных материалов. Использование Специальных смазочных материалов делает возможными множество конструкторских усовершенствований. Грамотное использование требует более обширных знаний об износе и смазочных материалах. Такие знания представлены вкратце в дальнейших Главах/Параграфах.
Удельная нагрузка
