Происходит преобразование механической энергии в тепловую, около 30% всей вырабатываемой энергии расходуется на преодоление трения
| Вид материала | Документы |
- «Использование экологически чистых источников энергии», 172.37kb.
- Основы возобновляемой энергетики – Лекция, 456.25kb.
- Сверхъединичные теплогенераторы – блеф или реальность?, 276.71kb.
- Прямое преобразование солнечной энергии в электрическую, 55.07kb.
- 1. Основные понятия и обозначения электрических величин и элементов электрических цепей., 277.03kb.
- О тарифах на тепловую энергию и услуги по передаче тепловой энергии для потребителей, 196.87kb.
- Рабочей программы дисциплины Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии (наименование), 32.41kb.
- Калугина Светлана Владимировна Моделирование систем хранения с целью уменьшения потребления, 400.87kb.
- Расчет сложных цепей постоянного тока, 93.75kb.
- Острова в океане темной энергии игорь Караченцев и Артур Чернин, 154.11kb.
Структурные и фазовые превращения
Пластическая деформация обусловлена изменением микроструктуры. Беспорядочное расположение в исходной структуре металла зерна при пластичной деформации текстурируются. В качестве примера рассматриваются детали из закаленной расплавленной стали, далее образуется систернитно-мантерситная структура из вторично закаленного металла. Слой измененной структуры при нормальных условиях шлифования имеет почти равномерную толщину, аналогия проявляется при точении, т.к. каждой структурной составляющей присущ определенный удельный объем, то фазовые структурные превращения наряду с пластичными деформациями являются … напряжений. Фазовые структурные превращения при обработке инструментом возможны для металлов с металлостабильной структурой. В ходе холодной пластичной деформации металла повышается твердость и предел прочности. При одновременном снижении относительного удлинения и относительного поперечного сужения при растяжении (наклеп). При резании металла протекают 2 противоборствующих процесса: упрочнение в результате сил резания и разупрочнение (снятие наклепа за счет повышения температуры резания). Степень наклепа и толщина наклепного слоя при прочих равных условиях зависит от режима резания.
Контакт шероховатых поверхностей
Взаимодействие выступов в контактирующих поверхностях
При нормальном контакте 2-х шероховатых поверхностей под влиянием нормальной нагрузки первым вступают в контакт выступы, для которых суммы высот противолежащей поверхности будут максимальны. По мере увеличения нагрузки в контакте вступают новые пары противостоящих выступов, обладающие меньшей суммой высот. При превышении некоторой нагрузки до критической, деформация становится пластической или упруго-пластической. С возрастанием нагрузки происходит упругое деформирование волн, на которых расположены микронеровности. Упругая деформация волн ведет к увеличению контурной площади и вследствие этого увеличивается число выступов воспринимающих нагрузку.
Т.к. высота выступов различна в каждый момент и той же поверхности будет различна. Если контакт поверхности имеют равную твердость, то выступы более твердой поверхности внедряются в выступы сопряженной поверхности. Выступы мягкой поверхности расплющиваются и меняют форму. В этом случае на свойства контакта будет влиять микрогеометрия твердого тела и механические свойства мягкого тела. Необходимо различать свойства контакта при первом и повторном приложении нагрузки. При первичном приложении нагрузки металл поверхности имеет наибольшие часто наблюдающиеся пластичные деформации. При повторяющейся нагрузки будет чисто упругая деформация. При скольжении контакт поверхностей сначала идет процесс приработки сопротивления изменения микрогеометрии контактирующей поверхности в результате которого устанавливается некоторая равновесная шероховатость характерная для данного условия трения. В процессе обработки меняются физико-механические свойства поверхностного слоя.
В установленном износе микрогеометрия воспроизводится и свойства поверхностей существенно не меняются, и при этом преобладает упругий контакт микровыступов поверхности.
Фактическая контурная площадь поверхности
При конструировании деталей машин вследствие волнистости поверхностей и макроотклонений формы, на значительной части номинальной площади контакта микронеровности сопряженных поверхностей на касающейся дна другой, следовательно площадь касания мало зависит от номинальной площади сопрягаемых тел. Еще Кулоном высказано предположение, что сила трения не зависит от номинальной площади контакта.
Ar Ac Aa
a b 
В результате волнистости, пятна контакта группируются на вершинах волн в отдельных зонах, совокупность которых означает контурную площадь контакта. Контурная площадь контакта определяется как площадь, на которой осуществляется контакт волн вследствие шероховатости. Контурная площадь контакта, площадь на которой имеет место контакт миронеровностей, причем разница между контактами не превышает базовую длину соответствия данной шероховатости по ГОСТу. Если одна из поверхностей трения имеет волнистость а сопряженная с ней волнистость, то контурная площадь контакта будет характеризовать площадь трения на которой происходит износ поверхностей в результате взаимодействия микронеровностей. При грубых изменениях площади контакта при помощи краски измеряют контурную площадь …, фактическая площадь Аr контакта называется площадь на которой осуществляется контакт микроневровностей образованных шероховатостью поверхностей. Фактическая площадь контакта уже приближается к площади на которой взаимодействуют атомы и молекулы вещества, хотя в ряде случаев одна не равна ей. В последнее время изменяется субмикрошероховатость на поверхностях трения. Фактическая площадь контакта составляет Аа =ab от 1/100 до 1/10% от Аа. Пятна фактического контакта имеют диаметр от 5 до 30 мкм. Нормальная нагрузка, отнесенная к единице фактической площади контакта характеризуется фактическим давлением Р. При пластическом контакте выступов оно приближается к твердости материала, при упругом контакте значит меньше. Контурная площадь контакта составляет 5-15% от номинальной площади контакта. Если номинальная площадь контакта невелика и волнистостью можно пренебречь, то контурная площадь контакта приближается к номинальной, и нагрузка отнесенная к контурной площади характеризуется контурным давлением и оно обычно в несколько раз больше номинального давления.
Основные понятия и определения
Внешнее трение твердых тел
Внешнее трение твердых тел сложное явление, зависящее от многих процессов протекающих в границах раздела в зонах фактического контакта и в тонких поверхностных слоях этих тел при относительном контакте перемещения их.
Под силой трения понимают силу F=T сопротивления относительному перемещению твердых тел направленную противоположно этому перемещению. Сила внешнего трения не консервативна, т.е. работа сил трения зависит от расстояния, на которое перемещается тело. Различают силу внешнего трения покоя, неполную силу внешнего трения покоя и силу трения движения.
Неполная сила внешнего трения покоя – сила сопротивления при малых частично обратимых тангенциальных перемещениях (предварительное смещение).
Сила внешнего трения скольжения – сопротивление тангенциальному перемещению контактирующих тел, не зависит от величины перемещения.
Не всякий процесс деформации поверхностного слоя называется внешним трением, а только такой процесс при котором относительное перемещение твердых тел в тангенциальном напряжении не сопровождается нарушением сплошности материала и деформациями ниже тонкого поверхностного слоя можно пренебречь.
По кинематическому признаку качения и скольжения чаще всего один вид трения сопровождает другой. Поскольку внешнее трение обусловлено процессами протекающих в тонких приповерхностных слоях и на границах раздела твердых тел, в зонах фактического контакта, то сила трения зависит от физико-механических свойств приповерхностных слоев. Приповерхностный слой отличен по своим свойствам от слоев расположенных в глубине материала. У приповерхностного слоя внутренняя энергия выше, чем у слоев в объеме металла (материала).
На поверхности твердого тела из среды адсорбируются атомы молекул потом хемосорбция потом пленки химических соединений окисла следовательно при трении происходит взаимодействие не между тепами и пленками. В зависимости от состава поверхности твердых тел различают трение без смазки граничное и жидкостное.
Трение 2-х твердых тел без смазки всех видов.
Граничное трение – трение 2-х твердых тел при наличии на поверхностях трения слоя жидкости обладающего свойствами отличающегося от объема. Толщина слоя жидкости приграничного трения 0.1 микрон. Уравнение гидродинамики неприменимо.
Взаимодействие твердых тел.
Наиболее распространенное для объяснения силового взаимодействия тел при внешнем трении получила молекулярно-механическая теория Крагельского (адгизионно-деформационная теория).
Изнашивание твердых тел
Основные понятия и определения
Изнашивание – процесс разрушения и отделение материала с поверхности твердого тела и/или наполнение его остаточной деформации при трении, проявляющаяся постепенно изменение размеров или формы.
Результат изнашивания – износ, определяемый в определенных единицах N, дельтаh – износ.
Определяется единицами измерения [м], [м3], [кг]
Износ бывает абсолютный или относительный, характеризует изменение геометрических размеров (линейный износ).
Различают предельный и допустимый износ.
Предельный износ соответствует предельному состоянию изнашивания изделия или его составной части.
Допустимый износ – износ, при котором изделие сохраняет свою работоспособность.
Скорость изнашивания γ [м/ч], [м3/ч], [кг/ч] отношение значения износа к интервалу времени в течение которого он возник.
Интенсивность изнашивания – отношение износа к обусловленному пути l на котором проходило изнашивание или к объему выполненной работы Y = дельтаh/h(Vработы).
Износостойкость – свойство материала оказывать сопротивление изнашиванию в определенных условиях трения, оцениваемое величиной обратной к скорости или интенсивности изнашивания.
Износостойкость измеряется с помощью 10-ти классов (с 3-го до 12-ый), чем выше, тем лучше.
Виды изнашивания
Для упрочнения изнашивания машин нужно знать вид изнашивания – тип относительного перемещения поверхности (схема фрикционного контакта) качения, скольжения, удар, осцилляция (перемещения имеющее характер относительное колебание с малой амплитудой).
По характеру промежуточной среды:
- вид смазывающего материала или рабочей жидкости;
- трение со смазывающим материалом;
- трение с абразивным материалом.
Основной механизм изнашивания
К механическому изнашиванию относятся:
Абразивное изнашивание – изнашивание, при котором изнашивание металла происходит в результате режущего или царапающего действия твердых частиц. Частичками могут быть – твердые частицы грунта, обрабатываемой породы, металлическая стружка, частичное окисление пленки и песка. Твердые частички могут быть в свободном или закрепленном состоянии.
Гидроабразивное (газоабразивное) изнашивание – изнашивание происходит в результате твердых частиц увлекаемых потоком жидкости газа.
Гидроэрозионное (газоэрозионное) изнашивание – изнашивание поверхности твердого тела под действием потока жидкости или газа.
Усталостное изнашивание – механическое изнашивание в результате усталостного разрушения при повторных деформаций микрообъемов материала поверхностного слоя. Этот процесс усталостного изнашивания имеет скрытый период, вследствие которого происходит накопление повреждений внутри материала.
Фреттинг – который в шариковых и роликовых подшипниках
Кавитационное изнашивание – возникает при перемещении потока жидкости относительно поверхности твердого тела в случае разрыва сплошности да иной жидкости, образование каверн, заполненных газом (паром) и последующим захлопом в каверн вблизи поверхности с большой скоростью. При этом ударные волны многократно воздействуют на поверхность и приводят к усталостному изнашиванию.
Изнашивание при фреттинге имеет место при малых многократных колебания относительно перемещения сопряженных деталей.
Изнашивание при схватывании (заедание) возникает в результате локального соединения двух твердых тел вследствие изменения двух твердых сил, последующим вырыванием материала с одной поверхности и переноса его на другую поверхность.
Изнашивание при заедании имеет место при заедании масляной пленки, вызывает задиры.
Коррозионно-механическое изнашивание
Окислительное изнашивание – вид изнашивания при котором главную роль играют химические реакции материала с кислородом воздуха или окисленной средой и механические свойства образованные на поверхности оксидных пленок. Оксидные пленки защищают металл и предотвращают схватывание металлической поверхности в условиях жидкостной смазки окисление кислородом растворенном в масле. Процесс окисленного изнашивания – процесс непрерывного возобновления оксидных пленок.
Изнашивание при фреттинг коррозии – вид коррозионно-механического изнашивания соприкасающихся тел при вибрации; в результате вибрации происходит усталостное разрушение поверхностных слоев металла и абразионное воздействие на поверхность трения твердых продуктов окисления. На характер интенсивность изнашивания при фреттинг коррозии влияют:
- механические процессы деформации;
- электрохимические процессы взаимодействия с окружающей средой.
Эти процессы взаимно интенсифицируют друг друга.
Изнашивание под действием электрического тока или электроэрозионное изнашивание – эрозионное изнашивание поверхности в результате воздействия зарядов при прохождении электрического тока.
Классификация изнашивания является условной, поскольку разнообразие режимов эксплуатаций могут существенно менять характер изнашивания.
Теоретические основы разрушения поверхности трения
Отличие изнашивания от объемного разрушения:
- Деформирующие процессы при трении протекают в тонких приповерхностных слоях материала, которые характеризуется высокой степенью нерегулярности строения вследствие рельефа поверхности, несовершенства кристаллического строения, наличия большого количества дефектов, наличия различных химических соединений материалов с окружающей средой и адсорбирующих слоев молекул окружающей атмосферы.
- Разрушение происходит в пограничном слое, характеризуется разрывом скорости в пограничном материале и интенсивном масло и теплообменом. Пограничный слой, формируется в процессе трения по свойствам существенно отличается от свойств взаимодействующих материалов. Продукты разрушения не всегда могут покинуть зону контакта и продолжают участвовать в сложенном процессе формирования пограничного слоя.
Модели разрушения фрикционного контакта
Свойства фрикционного контакта:
- фактический контакт поверхности имеет место в дискретных точках соприкосновения отдельных микронеровностей;
- суммарная площадь пятен контакта незначительна по отношению с номинальной площади;
- контакт микровыступов случайный.
Напряжения в контакте микровыступов соизмеримы с пределом текучести материала.
Деформации на некоторой глубине материала упругие. Для описания деформированного состояния и процесса разрушения фрикционного контакта по аналогии с твердым телом рассматривают модель твердопластичного тела.
Условие пластичности согласно модели Треско Син Вильнара:
τ = k; k = σ +12
Пластичная деформация тела возникает, когда максимальные касательные напряжения тела достигают некоторого предельного значения.
P(t) + F(t) = 1
P(дельтаVск) – вероятность разрыва скорости в слое
Состав фрикционного контакта при внешнем трении
II поверхностный слой
I пограничный слой
II поверхностный слой
Схема фрикционного контакта на микроуровне
Пограничный слой охватывает области пластической деформации материала, в котором реализуется сдвиг (разрыв скорости) одной детали относительно другой.
Пограничный слой характеризуется большей пористостью. Большая пористость обусловлена количеством дефектов микротрещин вакансии, дислокации.
Сдвиг реализуется по ряду плоскостей скольжения касательно напряжения, в которых достигли предела текучести. С увеличением дислокаций в поверхностном слое сопротивление их скольжению увеличивается. Это приводит к деформации в ряде случаев к фрикционному упрочнению.
В пограничном слое появляется напряженные растяжения. По Крагельскому, пограничный слой рассматривается как некое 3-е тело, находящиеся в состоянии пластичного течения.
Структура 3-го тела непостоянна во времени и сложна. Стационарное состояние пограничного слоя представлено как динамическое равновесие процессов разрушение и восстановление атомного состояния частиц дисперсной среды, сопровождаемая потерей массы и рассеянием энергии. Роль подповерхностного слоя заключается в перераспределении локальных действий со стороны пограничного слоя нагрузок на нижележащий слой материала и диссипации (рассеивании) энергии.
Материал подповерхностного слоя находится в состоянии упругой пластичной деформации и под действием случайных нагрузок со стороны пограничного слоя материал подповерхностноного слоя испытывает знакопеременные нагрузки сжатия и растяжения.
Процесс изнашивания фрикционного контакта
Непрерывное разрушение и восстановление микрообъемов вещества в пограничном слое в результате пластичного деформирования приводит к разрыхлению (диспергированию) вещества и выносу разрыхленного вещества из зоны контакта.
Замедленное восстановление процессов способствует адсорбционному воздействие разрыхленной структуры с внешней средой. При небольших нагрузках пограничный слой ограничивается мироскопическими пятнами фактического контакта, и они концентрируются на контурных площадях контакта.
Наибольший масштаб дефектов ограниченных субмикропорами. Частицы износа имеют размер до 1 мкм.
При больших нагрузках в пограничном слое втягиваются более глубокие слои материала ограниченные контурной площадью контакта и дефектами микропорами. При этом размер отдельных частиц увеличивается скачкообразно и больше чем на порядок. По Крагельскому образование фрагментов изношенного материала носит усталостный характер. Релаксация напряжения в поверхностном слое в процессе пластичного сдвига позволяет снизить напряженное состояние в подповерхностном слое и снизить износ.
Классификация достигается составом включением мягких компонентов, структуры материала, действием поверхностно активных веществ, антифрикционными покрытиями, модифицированными поверхностными термохимическими методами.
Поверхностный слой находится в зоне более высокого силового воздействия от внешних сил в сравнении с подповерхностной.
Между слоями поверхностоного и подповерхностного постоянно протекают масслообменные процессы. Разрыхлительное и последующее разрушение подповерхностного слоя приводит к втягиванию в поверхностный слой продуктов изнашивания подповерхностого слоя.
Ротационный обмен
За движением микровыступов возникают растягивающие напряжения, в том случае, если эти напряжения превышают предел тягучести материала образуются микротрещины, следовательно произошло перераспределение напряжений и фрагменты деформирующего слоя образуют «катки».
Под действием сил качения деформирующий слой приобретает форму сферу и перекатываясь разрыхляет подповерхностные слои. В зависимости от соотношения сил радиуса частиц свойств материала моль может либо перекатываться, либо скользить по другой и либо пластично деформировать и намазываться на поверхность. Если моль перекатывается происходит диспергирование моля, при движении часть частиц выносится из зоны контакта, следовательно происходит процесс изнашивания.