Файл: Марочкин, В. Н. Прочность фрикционного контакта учеб. пособие по расчету узлов трения.pdf

Специальная часть

Нарушение фрикционных связей и распространение волн нагружения в критическом объеме происходит с различными частотами. В результате частицы контактной зоны могут на­ ходиться в бесконечно большом числе состояний с непрерыв­ ным спектром частот колебаний.

Возникающее силовое взаимодействие между частицами позволяет контактную зону критического объема рассматри­ вать как упругий континуум, в котором устанавливается си­ стема стоячих волн с частотами от нуля до бесконечности. Предположим, что скорости распространения волн в контакт­ ной зоне одинаковы. Тогда число стоячих волн в единице кри­ тического объема с частотами в интервале от ѵ до v + dv оп­ ределяется соотношением

dn (ѵ) = 12nv2rfv

V 3

Энергия системы стоячих волн в контактной зоне определяет его внутреннюю энергию. Тогда

иБольцмана k —1,38 • ІО-16 эргіград,

Ѳ— абсолютная температура в контактной зоне.

Пусть 2 = - ^ , и rfv = ^ -rfZ .

109

Тогда

ставим значение температуры из последнего соотношения в формулу (6.36). Получим величину приращенной внутренней энергии фрикционного контакта в функции от действующего между частицами давления.

Имеем

При последовательных нарушениях фрикционных связей давление между частицами в критическом объеме возрастает. Соответственно при действии в контактной зоне на границах сопряжения отдельных частиц предельного напряжения о„, приращение удельной внутренней энергии достигает критиче­ ского значения

Отсюда

Если предположить, что размеры частиц устанавливаются при развитии в контактной зоне пластических деформаций, которые дробят материал и переводят его в упрочненное со-

101

стояние, то увеличение давлений контактной зоны при после­ довательных нарушениях связей не оказывает влияния на ко­ личество и размеры частиц. При таком условии можно при­ нять, что

Из последнего соотношения можно найти величину энер­ гоемкости контактной зоны

Параметр К определяет минимальное число нарушений фрик­ ционных связен, которые приводят к росту энергоплотности контактной зоны до критического значения энергоемкости, вы­ зывающего разрушение поверхностного слоя и отделение час­ тиц износа.

Из формулы (6.38) следует, что при различных оценках энергоемкости контакта, представленных в таблице 21, коли­ чество нарушений фрикционных связей, предшествующих раз­ рушению, изменяется в 2,5—3 раза. Это означает, что при хрупком разрушении контакта долговечность узла трения в 2,5—3 раза больше. Определение энергоемкости контакта по формуле (6.38) вызывает известные затруднения. Вызвано это тем, что не всегда известно значение предельного напряже­ ния, возникающего в контактной зоне. При разрушении кон­ такта путем сдвига по плоскостям скольжения предельное на­ пряжение достигает значений твердости материала. В этих ус­ ловиях величина энергоемкости контакта может быть опреде­ лена по формуле (6.16).

Определение величины энергоемкости контакта является одной из проблем современной науки о трении твердых тел (из таблицы 21 следует, что по представленным оценкам ве­ личина энергоемкости контакта отличается на 2 порядка).

Знание энергоемкости контакта позволяет определить раз­ меры частиц износа. Из формулы (6.36) найдем значение температуры при U=UH. Имеем

(6,39)

Подставляя найденное значение в формулу (6.37), можно определить количество частиц в критическом объеме контакт­ ной зоны.

Имеем

(6,40)

102

Тогда размеры частиц (количество атомов в частице) мож­ но определить по формуле

где No — число Лошмидта, равное 2,683ІО19. Отсюда средний диаметр частицы составляет

В этой зависимости можно принять Ѵа = па- Ю1^2 при объе-

формул следует, что при изменении энергоемкости в 10 раз величина частиц продуктов изнашивания изменяется всего на

2 0 % .

Оценка средних размеров частиц при различных условиях взаимодействия на контакте показывает, что их величина со­ ставляет порядка 1 мкм.

ВОПРОСЫ

1.Приведите общую характеристику термомеханического нагружения контакта.

2.Выведите формулу для приведенной относительной де­ формации контактной зоны при нарушении фрикционной свя­

зи.

3.Выведите формулу для расчета коэффициента трения при разрушении предельно-упрочненного контакта.

4.Что называется критическим объемом фрикционного контакта?

5.Что называется энергоплотностью и энергоемкостью

фрикционного контакта?

6. Приведите различные оценки глубины контактной зоны при нарушении фрикционной связи.

7.Выведите формулу для коэффициента износа поверхно­ стей трения.

8.Какие исходные предпосылки приняты для расчета

фрикционного контакта?

9. Приведите последовательность расчета фрикционного контакта.

103

10.Какую вы знаете зависимость между коэффициентами, трения и износа поверхностей?

11.Какие параметры влияют на размеры изношенных час­

тиц?

Глава 7.

долговечности работы узлов трения и включает рациональный выбор материалов и смазки поверхностен [5].

7.1. Конструктивные способы повышения долговечности узлов трения

К конструктивным способам повышения долговечности ра­ боты узлов трения относится выбор оптимальных условий ра­ боты узла трения (определение относительных размеров тру­ щихся деталей, оценка действующих усилий и режимов ра­ боты, организация смазки, защита от действия среды, выбор способов охлаждения от перегрева и другое).

Различают две конструкционные пары трения: прямая и обратная. Прямой парой трения называется такая пара, у ко­ торой меньшая по размерам поверхность трения имеет боль­ шую твердость. Обратной парой трения называется такая па­ ра, у которой меньшая по размерам поверхность трения име­ ет меньшую твердость.

Примером прямой пары трения является сопряжение суп­ порта из закаленной стали и чугунной станины. Примером об­ ратной пары трения является сопряжение вала с подшипни­ ком (с баббитовым слоем) при действии нагрузки постоянно­ го' направления.

Обратная пара трения имеет преимущество по сравнению с прямой парой трения. Объясняется это тем, что у прямой пары пластическая деформация, возникающая на большей поверхности, вызывает ее повреждаемость и ухудшает нор­ мальные условия скольжения. Этим нарушается и осложняет­ ся нормальная работа фрикционного узла.

При одноименных материалах тело с большей поверхно­ стью трения по весу больше изнашивается, чем тело с мень­ шей поверхностью трения. Однако, весовой износ не.оказыва­

104

ет влияния на эксплуатационные характеристики пары тре­ ния; влияющим фактором здесь является линейный износ.

Поэтому при конструировании пары трения следует стре­ миться к тому, чтобы суммарный линейный износ пары тре­ ния был минимальным. Этот принцип обеспечивает хорошую износостойкость пары и большую надежность работы узла трения.

Принцип податливости пары трения

Податливостью детали в паре трения называется способ­ ность ее поверхности воспринимать форму жесткого контр, тела и приспосабливаться к ее конфигурации.

Например, резина при сухом трении с любыми материала­ ми дает очень высокие значения коэффициентов трения. Од­ нако при наличии смазки резина приобретает необходимую податливость и способна приспособиться к отдельным неров­ ностям поверхности контр, тела. В результате обеспечивается равномерность и непрерывность смазочного слоя, что приво­ дит к низким значениям коэффициента трения. Этим объясня­ ется большая работоспособность резиновых опорных подшип­ ников скольжения (например, в турбобуре с тяжелыми усло­ виями работы — 1000 об/мин.) по сравнению с металлически­ ми вкладышами или подшипниками качения.

При действии абразивных частиц рекомендуется созда­ вать податливость поверхности путем ее гуммирования. Этим можно процесс изнашивания из режима скалывания перенес­ ти в более легкий режим оттеснения материала. Износостой­ кость такой пары трения значительно увеличивается.

Принцип композиционности при выборе материала

При выборе материала для пары трения к ним предъяв­ ляются сложные требования. В чистом виде материал не всег­ да может удовлетворять многочисленным требованиям. В свя­ зи с этим прибегают к созданию композиционного материала' с неоднородными свойствами. Так, цементация и закалка ста­ лей создают композиционный материал с различными поверх­ ностными и объемными свойствами. Для улучшения теплоот­ вода с поверхности трения применяют биметаллические ком­ позиционные изделия из цветного и черного металлов, для предотвращения коррозионного действия среды применяют облицовку поверхностей коррозионностойкими материалами, для создания податливости поверхностному слою — гуммиро­ вание и т. д.

105