Защита рабочих поверхностей пар трения

    Введение.

    Конструктивные  способы повышения долговечности  и надежности работ трущихся деталей  весьма разнообразны и решаются конструктором  на стадии проектирования узлов трения. Основными задачами в этом плане  являются:

    – оценка и выбор схем узла трения машины с позиции влияния ее на износостойкость и надежность конструкции;

    – выбор материалов пары трения;

    – назначение размеров и формы деталей;

    – обеспечение нормальной работы узла трения в заданном режиме и защита от перегрузок;

    – обеспечение эксплуатации с минимальными затратами;

    – защита рабочих поверхностей пар трения от загрязнений.

Рассмотрим некоторые  из этих задач подробнее. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

    Оценка  и выбор схемы узла трения.

    Для пары, образованной поверхностями трения, имеющими разные твердость и размеры, можно выделить два условия:

    1) H1 > H2; S1 < S2;

    2) H1 < H2; S1 < S2,

    где H1, H2 – твердости поверхностей трения; S1, S2 – соответствующие площади поверхностей.

    Пару  с расположением материалов, удовлетворяющим  первому условию, называют прямой парой  трения, а удовлетворяющим второму  условию – обратной парой. В случае прямой пары трения по большей поверхности  скользит более твердое тело, а  в случае обратной пары – более  мягкое тело. Примерами прямой пары являются скольжение закаленного суппорта по чугунной термически не обработанной станине и скольжение хромированного поршневого кольца по поверхности цилиндра из перлитного чугуна. Обратной парой  будет хромированное рабочее  зеркало цилиндра и чугунное кольцо. Вал и подшипник с баббитовым слоем при нагрузке постоянного  направления, приложенной к вращающемуся валу, представляют собой обратную пару.

    Рисунок 1 – Обратные (а) и прямые (б) пары:

    1 – с поступательным движением; 2 – с вращательным движением;

    H1, H2 – твердости

    Чтобы определить, какая пара трения –  прямая или обратная предпочтительнее для данной конструкции, следует  установить требования к паре в отношении  надежности ее работы, износостойкости, экономичности и условий эксплуатации.

    Недостаточная надежность пары трения в связи с  неподходящим подбором материалов может  выразиться в схватывании и заедании. Опыт эксплуатации машин, стендовые  испытания трущихся деталей и  лабораторные исследования показывают, что обратные пары трения более стойки к заеданию, а при наличии заедания имеют меньшие повреждения поверхностей.

    Различие  в работе прямых и обратных пар  трения состоит в следующем. В  прямой паре при перегрузке пластическая деформация ее элемента с меньшей  твердостью препятствует нормальной работе пары, в результате чего возрастают силы трения, увеличивается повреждение  поверхности, и пара быстро выходит  из строя. В обратной паре при перегрузке пластическая деформация образца с  меньшей твердостью не препятствует работе пары.

    На  долговечность и надежность работы узлов трения благоприятное влияние  оказывает жесткость, податливость и специальная конфигурация деталей.

    Податливость  детали: общая или местная, позволяет  ее рабочей поверхности следовать  за деформацией сопряженной детали и приспосабливаться к неточностям  ее геометрической формы. Самоустанавливающийся  опорный подшипник является простейшим примером конструкции, имеющей деталь свободной податливости в виде вкладыша, обладающего угловой подвижностью. Полнее роль податливости проявляется в резинометаллических вкладышах и гуммированных деталях, во вкладышах из пластмасс и мягких покрытиях рабочих поверхностей.

    Сухая резина имеет коэффициент трения выше, чем у других материалов, и  в то же время в паре со сталью, бронзой и латунью при смазывании такой маловязкой жидкостью, как  вода, имеет высокие антифрикционные  свойства. Это объясняется тем, что  гибкая и легко деформирующаяся  резина хорошо приспосабливается к  неровностям поверхности вала без  нарушения в зоне нагружения непрерывности смазочного слоя. Последний благодаря этому для сохранения режима при жидкостной смазке может быть меньшей толщины, чем при металлической поверхности вкладыша. Высокая способность деформации резины обусловливает более равномерное распределение давления по длине вкладыша. Абразивные частицы, содержащиеся в воде, вминаются в мягкую поверхность резины, перекатываются по ней, не производя режущего действия, и выносятся с водой в смазочную канавку. При наличии песка, ила и грязи в смазывающей и охлаждающей подшипник воде вкладыш изготовляют с большим количеством канавок и подбирают резину с высокой износостойкостью. Резинометаллические вкладыши устанавливают в соответствующих устройствах морских и речных судов, в центробежных песковых насосах, артезианских насосах, гидравлических турбинах, турбобурах и т. п.

    Аналогично  резине ведут себя мягкие покрытия вкладышей, податливость которых обусловлена  малым сопротивлением пластической деформации. У пластмасс, подобно  резине, в соответствии с их модулями упругости, а у термопластичных  пластмасс еще и вследствие их размягчения нагрузка по длине вкладыша распределяется равномернее, чем у  металлов.

    С другой стороны, для некоторых узлов  трения повышению износостойкости  способствует увеличение жесткости  конструкции. Пример, чем равномернее  распределена нагрузка по длине зуба зубчатых передач, тем выше их нагрузочная  способность. Не точность изготовления и сборки деталей передачи, изгиб  и кручение валов в процессе работы способствует неравномерному распределению нагрузки. Поэтому увеличение жесткости валов, опор и корпусов является благоприятным фактором в повышении работоспособности изделий.

    Выбор материалов пары трения.

    Выполнение  требования общей и контактной прочности, жесткости или податливости деталей, их износостойкости, коррозионной стойкости, вибростойкости и т.д. обеспечивается правильным выбором материалов, назначением размеров, исходя из расчетов на прочность, выбором рациональных конструктивных форм деталей и соответствующей технологии изготовления. Выбор материала, полностью отвечающего условием работы деталей, является весьма сложной задачей.

    В зависимости от назначения трущиеся детали изготавливают из конструкционных, фрикционных, износостойких и антифрикционных  материалов широкой номенклатуры.

    Из  конструкционных сталей изготавливают  детали, которые должны обладать высокой  прочностью, жѐсткостью или податливостью. К таким деталям относятся валы, пальцы, болты шарниров, зубчатые колѐса и др.

    Фрикционные материалы – это материалы, которые  в контакте с металлическими поверхностями  имеют высокий и стабильный коэффициент  трения. Применяются такие материалы  в тормозах и фрикционных муфтах.

    Износостойкими  называют материалы, которые при  трении в тяжелых условиях работы изнашиваются сравнительно мало.

    Все пары трения должны обладать антифрикционностью, под которой понимают комплекс свойств: достаточная статическая и динамическая прочность при повышенных температурах; способность образовывать прочный  граничный слой смазочного материала  и быстро восстанавливать его  при разрушении; низкий коэффициент  трения; отсутствие заедания на валу при  перерыве смазки; высокие теплопроводимость, теплоемкость, прирабатываемость; хорошая  износостойкость; не дефицитность и  технологичность.

    Подшипниковых материалов, удовлетворяющих всем этим требованиям, нет. Так, например, прочность  баббитов с высоким содержанием  олова резко снижается с повышением температуры; прирабатываемость безоловянистых бронз неудовлетворительная; неметаллические  антифрикционные материалы имеют  низкую теплопроводимость. Каждый из подшипниковых  материалов антифрикционен в определенных режимах трения. Об антифрикционности  какого-либо материала судят по его  коэффициенту трения с сопряженной  деталью, сравнительно с другими  материалами при аналогичных  условиях испытаний, по объему повреждений  поверхностей трения, по температуре  этих поверхностей и т.п.

    Трудно  отделить антифрикционные материалы  от износостойких, поскольку износостойкость  является общим требованием для  всех материалов, в том числе и  фрикционных. При подборе материалов с высокой износостойкостью всегда неявно имеют в виду и антифрикционность.

    Выбор материалов при конструировании  узлов трения представляет трудную  задачу, так как зависит от конструкции  и назначения узлов, технологии производства, условий эксплуатации, требований к  сроку их службы и надежности с  учетом стоимости материалов и эксплуатационных расходов.

    На  выбор материалов могут оказать  влияние физико-механические явления  на поверхностях трения, зависящие  от условия работы. Например, высокомарганцовистая сталь (сталь Гатфильда), из которой изготавливают щеки дробилок, броневые плиты шаровых мельниц, воронки для приемки шихты и др. детали имеет аустенитную структуру с наличием мартенсита и включений карбидов. После закалки эта сталь имеет высокую прочность при значительной вязкости (σв = 80-100 МПа, ак = 200-300 Hм/см2, НВ 2000-2200). При больших давлениях и ударах сталь склонна к наклепу, который тем больше, чем выше удельная нагрузка, при этом твердость поверхности повышается до НВ 5000. Удары при трении приходятся на твердую корку (пленку) при вязком основании (сердцевины), при износе пленка возобновляется. Однако в условиях абразивного изнашивания (проушина звеньев гусениц тракторов при эксплуатации на песчаных почвах) эта сталь изнашивается даже быстрее, чем среднеуглеродистая.

    При одних и тех же химическом составе  и механических свойствах материалы  могут существенно различаться  по износостойкости из-за различия структур. Крупнозернистые сплавы, например, легко прирабатываются  и более пластичные, но менее износостойкие. Наличие в структуре легко  выкрашивающихся твердых или  крупных мягких составляющих часто  приводит к схватыванию поверхностей трения. Крупные карбиды в чугунах  способствуют образованию сетки  термических трещин при работе деталей.

    Сложность задачи подбора рациональной структуры  материала можно показать на подшипниковых  сплавах. Основное требование к структуре  антифрикционных сплавов было впервые  сформулировано в 1897 г. Г. Шарпи. Согласно правилу Г. Шарпи хорошо работающие антифрикционные сплавы должны иметь  равномерно распределенные в пластичной матрице (основе) твердые зерна с  низким коэффициентом трения и малой  склонностью к задирам. В свое время все подшипниковые сплавы удовлетворяли этому правилу (баббиты, оловянистые бронзы). Однако в последующем  были разработаны сплавы с мягкими  включениями в твердой матрице (свинцовистая бронза), однородные антифрикционные  материалы и др.

    Для изготовления деталей узлов трения в настоящее время применяют  огромное количество различных материалов. Наиболее широко используют сплавы железа, сплавы из цветных металлов, порошковые и синтетические материалы.

    Подшипниковыми  материалами на основе железа являются графитиро-ванная сталь и перлитные  чугун: серые (АЧС) с пластичным графитом, высокопрочные (АЧВ) с глобулярным  графитом, ковкие (АЧК) с хлопьевидным графитом и медистые чугуны. Эти  материалы обладают высокой твердостью (НВ 1600-2500), плохо прирабатываются  и склонны к заеданию.

    К сплавам из цветных материалов относят  бронзы, баббиты, алюминиевые сплавы.

    Бронзы  применяют для подшипников, работающих при больших скоростях и удельных нагрузках. Наиболее распространены оловянные (БрО, БрОФ), оловянно-свинцовые и оловянно-цинково-свинцовые (БрОЦС). Для экономии олова разработаны безоловянистые бронзы (БрАЖ, БрАЖМ и др.), которые имеют более худшие антифрикционные свойства.

    Высокооловянистые материалы, содержащие Рb, Сu, Sb, Al, в которых в пластичной матрице находятся твердые составляющие, называют баббитами. Их заливают на вкладыши при температуре 450-480С толщиной (0,25…3,0) мм. Баббиты имеют самые высокие антифрикционные свойства и хорошо прирабатываются.

    Для неответственных подшипников применяют  сплавы из алюминия и кремния (АЛ2, АЛ4), алюминия и магния (АЛ8), алюминия и  меди (АЛ10, АЛ18В). При выборе зазоров  в подшипнике необходимо учитывать  высокий коэффициент термического расширения алюминиевых сплавов.

    Из  сплавов на цинковой основе находит  применение ЦАМ, содержащий в качестве легирующих добавок алюминий, медь и магний.

    Порошковые  антифрикционный материалы получают путем смешивания прессования и  спекания заготовок из порошков железа, бронзы, графита.