Триботехника – наука о контактном взаимодействии твердых тел при их относительном движении
Содержание
Введение…………………………………………………………
1. Нанотехнологии в
триботехнике………………………………………………
2. Назначение, области применения,
условия работы фрикционных
3. Виды изнашивания рабочих поверхностей колес передачи и критерии износа...11
4. Материалы колес, их механические свойства, виды применяемых смазок…..…12
5. Основные расчетные
формулы………………………………………………..……
Расчёт фрикционной цилиндрической передачи………………………………..…...15
Список используемой литературы…………………………..……………………
Введение
Большинство машин (85 – 90%) выходит из строя по причине износа деталей. Затраты на ремонт и техническое обслуживание машин в несколько раз превышают ее стоимость. 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.
Важнейшая проблема современной
техники - внедрение и дальнейшее
развитие работ по изысканию эффективных
методов повышения
Триботехника – наука о контактном взаимодействии твердых тел при их относительном движении, охватывающая весь комплекс вопросов трения, изнашивания и смазывания 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, выделяющихся при трении вследствие деструкции полимеров или смазочного материала.
Трибофизика – изучает физические аспекты взаимодействия контактирующих поверхностей при их взаимном перемещении.
Трибомеханика – изучает механику взаимодействия контактирующих поверхностей при трении. Она рассматривает законы рассеяния энергии, импульса, а также механическое подобие, релаксационные колебания при трении, реверсивное трение, уравнения гидродинамики и другие применительно к задачам трения, изнашивания и смазывания.
В некоторых странах вместо термина триботехника употребляют термины трибология и трибоника. В технической литературе встречается термин динамическое металловедение – раздел металловедения, изучающий структуру и свойства поверхностных слоев металлов и сплавов в процессе трения и изнашивания.
Ряд терминов, относящихся к триботехнике, стандартизован. ГОСТ 23.002–78 включает 98 терминов, которые классифицированы по условиям трения, видам изнашивания, характеристикам смазки, способам смазывания и смазочным материалам.
К общим понятиям триботехники относятся следующие термины.
Внешнее трение – явление сопротивления относительному перемещению, возникающее между двумя телами в зонах соприкосновения поверхностей по касательным к ним, сопровождаемое диссипацией 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. Износ может выражаться в единицах длины, объема, массы и др.
Скорость изнашивания - отношение значения износа к интервалу времени, в течение которого он возник. Различают мгновенную и среднюю скорости изнашивания.
Износостойкость – свойство материала оказывать сопротивление изнашиванию в определенных условиях трения, оцениваемое величиной, обратной скорости изнашивания или интенсивности изнашивания. Смазочный материал - материал, вводимый на поверхности трения для уменьшения силы трения и (или) интенсивности изнашивания.
Интенсивность изнашивания - отношение значения износа к обусловленному пути, на котором происходило изнашивание, или объему выполненной работы. Обычно применяется при выражении длительности работы двигателей в часах или пробегом автомобиля в тыс. км.
Смазка – действие смазочного материала, в результате которого между двумя поверхностями уменьшается сила трения и (или) интенсивность изнашивания.
Смазывание – подведение смазочного материала к поверхности трения.
Трение покоя – трение двух тел при микроперемещениях до перехода к относительному движению.[1 c.5-6]
Трение движения – трение двух тел, находящихся в относительном движении.
Трение без смазочного материала – трение двух тел при отсутствии на поверхности трения введенного смазочного материала любого вида.
Трение со смазочным материалом – трение двух тел при наличии на поверхности трения введенного смазочного материала любого вида.
Трение скольжения – трение движения двух твердых тел, при котором скорости тел в точках касания различны по величине и направлению или по величине, или направлению.
Трение качения – трение движения двух твердых тел, при котором их скорости в точках касания одинаковы по величине и направлению.
Сила трения – сила сопротивления при относительном перемещении одного тела по поверхности другого под действием внешней силы, направленной по касательной к общей границе между этими телами.
Наибольшая сила трения покоя – сила трения покоя, любое превышение которой ведет к возникновению движения.
Предварительное смещение – относительное микроперемещение двух твердых тел при трении в пределах перехода от состояния покоя к относительному движению.
Скорость скольжения – разность скоростей тел в точках касания при скольжении.
Поверхность трения – поверхность тела, участвующая в трении.
Коэффициент трения – отношение силы трения двух тел к нормальной силе, прижимающей эти тела друг к другу.
Коэффициент сцепления – отношение наибольшей силы трения покоя двух тел к нормальной относительно поверхностей трения силе, прижимающей тела друг к другу. [1]
1. Нанотехнологии в триботехнике
Наноструктурные материалы и нанотехнологии — одни из самых модных, быстро развивающихся и востребованных направлений современной пауки. Особые строение и свойства малых атомных агрегаций представляют значительный научный интерес, так как являются промежуточными между строением и свойствами изолированных атомов и массивного (объемного) твердого тела. Малый размер зерна приводит к появлению уникальных физических, химических, механических и др. свойств, что привлекает внимание широкого круга специалистов в области материаловедения, физики и химии твердого тела, биологии и перспективных технологий. Формирование ианокристаллической структуры позволяет существенно изменить физические свойства материала. повысить предел текучести, предел прочности, теплоемкость, электросопротивление, диффузионную способность материала, понизить его упругость (рис.1), температуру магнитных переходов т.п. Изменяются и свойства других структурных уровней: атомного, электронного (снижается работа выхода электронов) и ядерного.
Необычные свойства наноматериалов обусловлены как особенностями отдельных частиц (кристаллитов), так и их коллективным поведением, зависящим от характера взаимодействия между наночастицами. Такие эффекты появляются, когда средний размер кристаллических зерен не превышает 100 нм, и наиболее отчетливо наблюдаются, когда размер зерен менее 10 нм. Таким образом, изучение свойств сверхмелкозернистых материалов требует учета не только их состава и структуры, но и дисперсности.
Отличие свойств малых частиц от свойств массивного материала известно уже достаточно давно и используется в разных областях техники. Примерами могут служить широко применяемые аэрозоли, красящие пигменты, получение цветных стекол благодаря окрашиванию их коллоидными частицами металлов. Малые частицы и ианоразмерные элементы используются для производства различных авиационных материалов. Например, в авиации применяются радиопоглощающие керамические материалы, в матрице которых беспорядочно распределены тонкодисперсные металлические частицы. Нитевидные монокристаллы (усы) и поликристаллы (волокна) обладают очень высокой прочностью и благодаря этому их используют как наполнители легких композиционных материалов аэрокосмического применения. Суспензии металлических наночастиц (обычно железа или его сплавов) размером от 30 нм используют как присадки к моторным маслам для восстановления изношенных деталей автомобильных и других двигателей непосредственно в процессе работы.[3,c. 217]
Получение наноматериалов (нанотехнологии).
Нанотехнологии открыли новые возможности в создании материалов и изделий из структурных элементов нанометрового размера. Важную роль сыграли исследования профессора Г. Гляйтера (Германия), который создал установку для получения компактных (объемных) образцов нанокристаллических материалов. Немного позднее группа японских исследователей во главе с профессором А.Иноэ реализовала метод формирования наноструктуры в магнитных сплавах путем кристаллизации из аморфного состояния. Появились и быстро развились другие новые методы получения наноматериалов, значительно усовершенствовались существующие — например, механосинтез с помощью размола в высокоэнергетических шаровых мельницах. Способами формирования нанокристаллической структуры в материале, не приводящими к остаточной пористости и загрязнениям, являются развиваемые в Институте проблем сверхластичности материалов (г. Уфа) способы интенсивной пластической деформации (кручением под квазигидростатическим давлением и равноканальное угловое прессование). Среди самых интересных наноструктур, полученных экспериментально в последние 2-3 года, можно выделить наноструктуру, представляющую собой выращенные на подложке в правильном порядке пучки углеродных нанотрубок (США) и наноструктуру карбида ванадия, полученную с помощью упорядочения (Екатеринбург, Институт химии твердого тела).
В настоящее время основными областями применения нанотехнологий в материаловедении являются получение материалов на основе новых структурных форм углерода (фуллеренов и нанотрубок), наноструктурных твердых сплавов, никелевой наноструктурной фольги, аморфно-нанокристаллических магнитных сплавов и др.[3, c. 218]
Некоторые наноматериалы н их применение.
Анализ проведенных в последние годы отечественных и зарубежных исследований свидетельствует о высокой перспективности следующих основных направлений в области разработки конструкционных материалов: создание сверхпрочных и высокопроводящих материалов, изготовление наноструктурных керамических и композиционных изделий точной формы, создание наноструктурных твердых сплавов для производства режущих инструментов с повышенной износостойкостью и ударной вязкостью, создание наноструктурных защитных термо- и коррозионно-стойких покрытий, создание обладающих повышенной прочностью и низкой воспламеняемостью полимерных композитов с наполнителями из наночастиц и нанотрубок. [3,c. 220]
Сверхпрочные материалы.
Связи между атомами углерода в графитовом листе являются самыми сильными среди известных, поэтому бездефектные углеродные трубки на два порядка прочнее стали и приблизительно в четыре раза легче ее. Одна из важнейших задач технологии в области новых углеродных материалов заключается в создании нанотрубок "бесконечной" длины. Из таких трубок можно изготовлять легкие композитные материалы предельной прочности для нужд техники нового века. Это силовые элементы мостов и строений, несущие конструкции компактных летательных аппаратов, элементы турбин, силовые блоки двигателей с предельно малым удельным потреблением топлива и т.п. В настоящее время научились изготовлять трубки длиной в десятки микрон при диаметре порядка одного нанометра. [3, c. 221]
2. Назначение, области применения, условия работы фрикционных передач
Фрикционная передача — механическая передача, служащая для передачи вращательного движения (или для преобразования вращательного движения в поступательное) между валами с помощью сил трения, возникающих между катками, цилиндрами или конусами, насаженными на валы и прижимаемыми один к другому.
Фрикционные передачи состоят из двух катков (рис.1): ведущего 1 и ведомого 2, которые прижимаются один к другому силой (на рисунке — пружиной), так что сила трения в месте контакта катков достаточна для передаваемой окружной силы
Рис.1
Условие работоспособности передачи:
(1)
Нарушение этого условия приводит к буксованию и быстрому износу катков. Для того чтобы передать заданное окружное усилие Ft, фрикционные катки надо прижать друг к другу усилием Fr так, чтобы возникающая при этом сила трения была бы больше силы Ft на величину коэффициента запаса сцепления , который принимают равным = 1,25...2,0.
Фрикционные передачи классифицируют по следующим признакам:
1. По назначению:
- с нерегулируемым передаточным числом;
- с бесступенчатым (плавным) регулированием передаточного числа (вариаторы).
2. По взаимному расположению осей валов:
- цилиндрические или конусные с параллельными осями;
- конические с пересекающимися осями.
3. В зависимости от условий работы:
- открытые (работают всухую);
- закрытые (работают в масляной ванне).
В открытых фрикционных передачах коэффициент трения выше, прижимное усилие катков Fn меньше. В закрытых фрикционных передачах масляная ванна обеспечивает хороший отвод тепла, делает скольжение менее опасным, увеличивает долговечность передачи.
4. По принципу действия:
- нереверсивные;
- реверсивные.
5. Различают также передачи
с постоянным или
Фрикционные передачи с нерегулируемым передаточным числом в машиностроении применяются сравнительно редко, например, во фрикционных прессах, молотах, лебедках, буровой технике и т.п.). В качестве силовых передач они громоздки и малонадежны. Эти передачи применяются преимущественно в приборах, где требуется плавность и бесшумность работы (магнитофоны, проигрыватели, спидометры и т. п.). Они уступают зубчатым передачам в несущей способности. Зато фрикционные передачи с бесступенчатым регулированием скорости – вариаторы – широко применяются в различных машинах, например, в металлорежущих станках, в текстильных и транспортирующих машинах и т. д. Зубчатые передачи не позволяют такого регулирования. На практике широко применяют реверсивные фрикционные передачи винтовых прессов, передачи колесо — рельс и колесо — дорожное полотно самоходного транспорта. Фрикционные передачи предназначены для мощностей, не превышающих 20 кВт, окружная скорость катков допускается до 25 м/с.[2]
3. Виды изнашивания рабочих поверхностей колес передачи и критерии износа.
Основным критерием
Однако в быстроходных закрытых передачах, даже при наличии интенсивной смазки, иногда обнаруживается абразивный износ, обусловленный недостаточной чистотой рабочих поверхностей и частой работой передачи на пусковых и тормозных режимах, когда затруднено образование устойчивой масляной плёнки в зоне контакта.
Для тихоходных фрикционных
передач, у которых не обеспечено
устойчивой масляной плёнки между контактными
поверхностями, или передача вообще
работает без смазки, характерен абразивный
износ (истирание) рабочих поверхностей
колёс. Особенно интенсивный износ
наблюдается при наличии
Интенсивное истирание рабочих
поверхностей колёс ведёт к нарушению
их размеров и правильности формы, а
также к появлению
Как контактная выносливость, так и абразивный износ активны! поверхностей колёс, в первую очередь, зависят от величины максимальных контактных напряжений и механических характеристик материалов, из которых изготовлены колёса. Кроме того, на работоспособность передачи большое влияние оказывают технологические факторы (качество и точность изготовления рабочих элементов фрикционной передачи) и эксплуатационные особенности (условия нагружения, проскальзывание, температурный режим, свойства смазки и др.).
Расчёт фрикционных передач
на износостойкость предполагает определение
величин интенсивности
4. Материалы колес, их механические свойства, виды применяемых смазок.
Трущиеся и изнашиваемые детали в зависимости от назначения изготавляют из конструкционных материалов общего назначения, фрикционных, износостойких и антифрикционных материалов обширной номенклатуры. Во многих случаях на конструкционный материал наносят износостойкие покрытия, плёнки и др.
Конструкционные стали применяют для изготовления деталей, которые должны имеет повышенный механические свойства. Это детали типа валов, пальцев, зубчатых колёс и т.д. Из сталей и чугунов изготавливают силовые цилиндры, поршни плунжеры и поршневые кольца. Чугун широко распространён как материал для станин, столов кареток, ползунов, направляющие которых подвергаются трению. Область применения чугунов постоянно расширяется, особенно в связи с разработкой и использованием в производстве новых видов, обладающих сочетанием высоких механических и эксплуатационных свойств.[3,c 168]
В зависимости от назначения
и условий работы передачи выбирают
материалы зубчатых колес. Основным
материалом зубчатых колёс является
сталь, используют также чугун и
пластмассу. Для уменьшения опасности
повреждения поверхности зубьев
применяют термообработку. Твердость
поверхности должна быть такой, чтобы
получить колеса необходимой точности.
Наибольшее распространение получили
углеродистые стали 35; 40; 50; 50Г.
Применяют также легированные стали 40Х;
45ХН. Углеродистые стали подвергают нормализации
и улучшению, твёрдость поверхности 300…320
НВ.
Колёса с твердостью НВ обладают сравнительно невысокой прочностью. Однако благодаря технологическим преимуществам широко применяется в условиях единичного и мелкосерийного производства в мало- и средненагруженных передачах при отсутствии жестких требований к габаритам и массе, а также в передачах с большими колёсами (диаметром более 500 мм), термическая обработка которых затруднена. Для лучшей приработки зубьев и равномерного их изнашивания для прямозубых передач рекомендуется твёрдость рабочих поверхностей зубьев шестерни назначать больше твёрдости зубьев колеса на 20…30 единиц НВ.
Основные требования к материалам:
- прочность поверхностного слоя и высокое сопротивление истиранию;
- достаточная прочность при изгибе;
- обрабатываемость, возможность
получения достаточной
Смазывание поверхностей
трения деталей машин обусловлено
необходимостью уменьшения сил трения
и интенсивности изнашивания, а
также охлаждения зоны трения и удаления
потоком масла продуктов
5. Основные расчетные формулы
При передаче вращающего момента Т1 на ведущем валу фрикционной передачи необходимую силу нажатия можно вычислить по формуле
,
где kсц =1,2–1,5 – коэффициент сцепления (коэффициент режима работы); f – коэффициент трения скольжения.
Толщину изношенного слоя ведущего 1 и ведомого 2 колес можно определить по формуле
,
где Ih(1,2) – интенсивность изнашивания рабочих поверхностей ведущего 1 и ведомого 2 колес;
bH – полуширина полоски контакта при действии силы нажатия Fп , мм;
V1и V2 – окружные скорости точек контакта рабочих поверхностей ведущего 1 и ведомого 2 колес, м/с;
n(1,2) – частота вращения ведущего 1 и ведомого 2 колес, мин-1;
t – время работы рассчитываемой фрикционной передачи, мин.
Максимальную величину толщины изношенного слоя hmax необходимо сравнить с нормативной (допустимой) величиной износа [h] и определить ресурс работы фрикционной передачи [1, стр. 40-41]
Фрикционная цилиндрическая передача
Задача. Определить максимальную величину износа на рабочих поверхностях колес открытой фрикционной цилиндрической передачи (см. рис. 1):
- вычислить необходимую силу прижатия в передаче и полуширину полоски контакта;
- вычислить контактные напряжения;
- определить интенсивность изнашивания колес передачи;
- вычислить величину изношенного слоя ведущего и ведомого колес передачи;
- определить допустимый ресурс работы фрикционной передачи и сравнить с заданным;
- сделать выводы.
Рисунок 1.
1 – ведущее колесо; 2 – ведомое колесо;
D1 и D2 – диаметры ведущего и ведомого колес, мм;
V1,2 – окружные скорости (качения) точек рабочих поверхностей ведущего и ведомого колес, м/с;
ω1,2 – угловые скорости ведущего и ведомого колес, рад/с;
Fn – сила прижатия колес, Н;
T1 – крутящий момент на ведущем колесе;
b – ширина колес, мм;
о – точка контакта;
о1 и о2 – оси вращения колес.
Список использованной литературы
1. С.Н. Паршев, Н.Ю. Полозенко «Поверхностная прочность и изнашивание материалов узлов трения», Волгоград, РПК «Политехник», 2009
2. http://www.teormach.ru/lect9.
3. Г.И. Сильман, О.А. Горленко «Триботехническое материаловедение и триботехнология»
4.http://freepapers.ru/106/
