Лекция №1

ОСНОВЫ ТРИБОТЕХНИКИ В ИНЖЕНЕРНЫХ РАСЧЕТАХ.

Трибология – это наука занимающаяся исследованием процессов взаимодействия двух и более тел под нагрузкой (трение, износ, смазывание и т.д.).

Триботехника – это та часть трибологии, которая занимается разработкой инженерных методов расчета в узлах трения.

Узел трения – это механизм, где детали, при взаимодействии друг с другом, перемещаются относительно друг друга под нагрузкой.

Пара трения – две поверхности, взаимодействующие друг с другом под нагрузкой при наличии или отсутствии смазки.

Триботехника включает 3 задачи:

1. Контактная задача (контакт двух тел)

2. Гидродинамическая задача (поведение смазки в зазоре)

3. Термодинамическая задача (выделение тепла при трении и его выделения в теля или окружающую среду)

Взаимодействие двух тел под нагрузкой при взаимном перемещении приводит к разрушению поверхностных слоев взаимодействующих тел.

Условно можно выделить несколько типов таких разрушений:

1. Микрорезание – осуществляется абразивом, наклепанными продуктами износа единичной неровности на глубину 0.2-0.3 Rвыступа. Сопровождается характерным звуком (скрипом, визгом). Недопустимый вид износа.

2. Отделение частиц поверхности вследствие повторного деформирования (передеформированния) поверхностного слоя, разрушение материала в этом случае с трещины, возникающих в концентраторах напряжений.

1. Глубинное вырывание. Возникает при взаимном скольжении под нагрузкой и носит характер выдирания не по месту контакта (спайки), а внутри одного из тел. Характерно для упрочненных слоев при их недостаточной толщине, а так же для материалов с высокой адгезией.

2. Атомарный износ. Характерен для пар трения, которые могут образовывать естественные гальванопары, или в сильных электромагнитных полях.

- скорость миграции

- константа кристаллической решетки

- период колебаний около равновесного состояния.

К – константа Больцмана

Т – абсолютная температура

u – энергия активации (избыточная кинетическая энергия, необходимая для перехода электрона с одного энергетического уровня на другой).

- диаметр атома

- поверхностное натяжение

При расчете атомарного износа основной проблемой является определение . Она зависит от состава материала, его однородности и т.д. Для стали может доходить до 4-х.

УПРУГО-ПЛАСТИЧНЫЙ КОНТАКТ.

Особенностью тяжело нагруженного контакта является наличие упругопластических деформаций при взаимодействии.

Выполнение условия:

указывает на наличие пластических деформаций по вершинам неровностей.

- приведенный модуль упругости

- высота неровности

– контактное напряжение

– приведенный радиус кривизны контакта

Фактическая площадь контакта зависит от нагрузки, но не зависит от природы деформации на вершинах неровностей. Критерий определения наличия упругопластических деформаций не зависит от нагрузки.

Среднее давление по площадкам контакта не зависит от природы нагрузки. Средний размер микроконтакта можно представить следующим образом:

- количество площадок.

1. При постоянной высоте неровностей Н (N = const) и упругой природе контакта – площадь контакта пропорциональна нагрузке в степени 2/3.

2. При нормальном распределении высот и упругих деформациях - площадь пропорциональна нагрузке.

3. При постоянных высотах неровности (N = const) и пластических деформациях

В общем виде сила трения записывается в следующем виде:

где - силы адгезии

- касательные напряжения среза усредненные по А.

А – площадь среза

- силы деформации

- силы кулона

Сила трения уменьшается при наличии окисных пленок на поверхности.

Наличие кислорода в атмосфере приводит к образованию окисных пленок на поверхности металла. Т.к. напряжение сдвига у окисных пленок ниже, то и коэффициент трения ниже.

На характер силы трения и ее величину большое влияние оказывает скорость взаимодействия и особенно скорость скольжения.

Теория взаимодействия двух тел развивалась от простого к сложному, а именно:

1. Тела абсолютно гладкие (шероховатостью пренебрегали)

2. Тела абсолютно твердые (пренебрегали деформацией).

По мере развития математического аппарата ограничения снимались.

Зависимость коэффициента трения скольжения от скорости скольжения носит экспоненциальный характер и может быть описана при помощи функционала:

где – эмпирические коэффициенты.

Наименьшая вариабельность по нагрузке у пары ВОЛОКНО-СТАЛЬ. При этом вариабельность эмпирических коэффициентов сопоставима с однородными парами трения.

Данная зависимость хорошо работает, когда тепловыделением в зоне контакта можно пренебречь. При высоких скоростях коэффициент трения не зависит ни от частоты трения, ни от шероховатости, т.к. пластическая деформация по высотам неровностей сопровождается выделением тепла, приводящего к локальному оплавлению металла, который выступает в виде смазки.

При контакте в узле трения тел с разными физическими характеристиками (ВОЛОКНО-СТАЛЬ, ПОЛИМЕР-СТАЛЬ), всегда стоит помнить о разных теплофизических свойствах тел.

ТЕМПЕРАТУРА ПРИ ТРЕНИИ.

Для тяжелонагруженного контакта характерно большое выделение тепла в зоне трения, которым пренебрегать нельзя.

Процесс трения, в котором тепловыделением можно пренебречь, называется изотермическим (для большинства узлов трения, Vск < 3 м/с).

Если в процессе взаимодействия двух тел выделением тепла нельзя пренебречь, то такой процесс называется неизотермическим.

При относительном скольжении двух тел под нагрузкой, в тонких поверхностных слоях образуется тепло, которое вызвано деформированием материала и возникновением фрикционных связей в контакте. Тепло распространяется от пятен контакта вглубь обоих тел. Распределение тепловых потоков зависит от теплофизических свойств контактирующих тел. Передача идет по нормали и изотерме к поверхности от мест с большим температурным полем, к местам с меньшим полем.

Температурное поле, распределенное в поверхностном слое, может изменять механические характеристики поверхностного слоя.

Температура может достигать 200⁰С. Выгорание масла происходит при температуре 150⁰С.

Интенсивность теплового потока зависит от силы трения и величины площадки, на которой генерируется тепло.

На механические параметры оказывает влияние распределение тепловых потоков, которые зависят от теплофизических параметров контактирующих тел.

- одно тело

- другое тело

- окружающая среда

Пусть - доля тепла, переносимая в первое тело

где – теплопроводности тел

– температуропроводимость первого и второго тел соответственно.

где - относительная теплопроводность

– относительная температуропроводимость.

Очевидно, что при однородных материалах распределение потоков будет происходить поровну. Данная запись верна там, где распределение тепла происходит непосредственно в тело, а большими уводами в окружающую среду пренебрегаем.

Коэффициент распределения теплового потока с учетом теплоотдачи для линейного контакта может быть представлен в следующем виде:

где – скорость скольжения

- коэффициент теплоотдачи

– теплоемкость

– плотность

Коэффициент распределения тепловых потоков зависит не только от теплофизических характеристик, но и от коэффициента теплоотдачи, который в свою очередь зависит от коэффициента перекрытия контактирующих тел: