Роль трения в работе машин и оборудования и основные задачи триботехники

ОСНОВЫТРИБОТЕХНИКИ

ВВЕДЕНИЕ

Прогресс в окружающем нас мире немыслим без развития ма­шин и оборудования. Из года в год увеличивается их общее количе­ство и удельная мощность. Наблюдается явная тенденция ужесто­чения режимов их эксплуатации, рост количества расходуемого то­плива, смазочного материала и запасных частей, резкого увеличе­ния объема ремонтных работ. По данным ООН, более трети выра­батываемой в мире энергии идет на преодоление сил трения, а чет­верть вырабатываемого металла расходуется только на восстанов­ление потерь, связанных с износом деталей и узлов в машинах. В условиях наблюдающегося в мире истощения топливных и матери­альных запасов, а также значительного возрастания требований к надежности и долговечности машин остро встает вопрос о поиске мероприятий, способствующих решению этой актуальной проблемы. И среди них может оказаться более эффективное использование достижений в области трения, изнашивания и смазочных материа­лов, объединенных в понятии трибологии - производного от слова «ТпЬо», что в переводе с греческого означает трение.

В 80...90 % случаев машины выходят из строя по причинам по­вреждения узлов трения. Во многом это бывает связано как непо­средственно с трением, так и с его воздействием. По экспертным оценкам ведущих в мире специалистов по трибологии, только приме­нение уже достигнутых результатов в этой области может уменьшить повреждаемость машин на 25...30 %. Причем первые 10...15 % из них - практически без всяких капиталовложений, а только за счет более грамотного обслуживания машин и применения уже известных сма­зочных веществ - материалов и технологий.

По характеру своего проявления и действию трение и изнашивание твердых тел представляют собой, на первый взгляд, чисто механическое явление. Величину трения и износа легко измерить и оценить. Однако в основе формирования сил трения и изнашивания лежат сложные меха­нические, физические и химические процессы. И с этим связано то, что далеко не всегда усматривается прямая зависимость между трением и износом, реализуемыми в узлах трения машин.

Большой вклад в развитие учения о трении, износе и смазках сделали И.В. Крагельский, Б.В. Дерягин, П.А. Ребиндер, М.М. Хрущев,

4Ф.П. Боуден, Н.Б. Демкин, Н.А. Буше, Н.М. Михин, А.В. Чичинадзе, А.С. Ахматов и др. Особое внимание при этом заслуживают труды крупных трибологов (представленные в виде учебников, методических разработок и справочников), направленные на обучение инженерно-технических работников. Это, прежде всего, работы И.В. Крагельского с соавторами, Н.Б. Демкина, Н.А. Буше, А.В. Чичинадзе, Д.Н. Гаркуно-ва, Б.И. Костецкого, Э.Д.Брауна с соавторами и др., многие из которых уже сейчас стали, к сожалению, библиографической редкостью.

Настоящее пособие предназначено для студентов механических специальностей и слушателей курсов повышения квалификации, изу­чающих курс «Триботехника». В нем излагаются основные представ­ления о природе фрикционного взаимодействия и износа трущихся тел, об основах смазочного действия. Делаются акценты на поиски внутренней связи между твердыми телами, жидкостью (смазочной средой) и окружающей атмосферой. Формулируются условия для безаварийной работы узлов трения. Рассматриваются существующие методы испытания фрикционных материалов и технологические ме­тоды, направленные на повышение износостойкости и эффективности использования узлов трения.

Глава 1. ТРИБОЛОГИЯ И ТРИБОТЕХНИКА

Основные понятия

Окружающий нас материальный мир находится в непрерывном движении. Движение осуществляется как на микро- так и на макро­уровнях. В движении находятся атомы, ионы и молекулы, а также те­ла, детали узлов трения машин, сами машины и планеты. Если на микроуровнях характер движения частиц определяется, в конечном счете, температурой тела, то на макроуровне - уже работой, эквива­лентной силе, затрачиваемой на единицу пути перемещающихся тел.

Сопротивление относительному движению тел принято характе­ризовать понятием трения. Трение всегда связано с поглощением внешней, чаще всего механической работы и рассеиванием реализуе­мой во фрикционной паре энергией, преимущественно в виде тепла.

Развитие учения о трении начиналось с периода деятельности первобытного человека и продолжается по настоящий день.

Трение в деятельности человека играет как положительную, так и отрицательную роль. Известно, что внезапное уменьшение трения,

происходящее между колесами автомобиля или локомотива с дорож­ным покрытием или рельсами, делает совершенно беспомощной эту мощную транспортную технику для совершения ею поступательного движения вперед и создает крайне опасную ситуации при необходи­мости торможения транспортных средств. Без устойчивого трения становится также невозможной работа многих механических передач, тормозов и муфт. Помимо достижения решения ряда технических за­дач преодоление сил трения всегда связано с большим расходовани­ем энергии. Известно, что у хорошо отлаженного современного реак­тивного авиационного двигателя на это расходуется до 2% его мощ­ности, у автомобильного двигателя - 26...44 %, у локомотивов - более 50%, а у текстильных машин - более 80% от затрачиваемой ими мощ­ности. В условиях реальной эксплуатации машин отмеченные выше потери энергии от трения, как правило, возрастают.

Реализуемые в зоне трения силы и генерируемая там энергия, в свою очередь, воздействуют на материал трущихся тел и приводят к его изнашиванию. Этот процесс, незаметный иногда для наблюдате­ля, приводит узлы трения машин к состоянию, когда дальнейшая экс­плуатация их становится нерациональной или даже опасной.

Процесс постепенного изменения размеров тела при трении, проявляющийся в отделении с поверхности трения материала и ос­таточной деформации тела, получил название изнашивание, а сам результат изнашивания - износ. В соответствии с характером нару­шения фрикционных связей между телами различают процессы микрорезания, молекулярного схватывания, пластического и упруго­го разрушения контактов. В реальных машинах обычно реализуются одновременно все эти виды разрушения тел, хотя в отдельных слу­чаях отдельные из них могут оказаться и превалирующими.

Трение и износ материалов весьма чувствительны к влиянию внешней среды. В зависимости от качества и количества инородных тел, попадающих в зону трения, силы трения между контактирую­щими телами могут меняться в десятки и сотни раз. И это явление широко используется для управления трением и износом в машинах с помощью специально подобранных смазочных материалов.

В общем случае смазочным материалом называется материал, подаваемый на поверхность трения для уменьшения скорости изна­шивания и силы трения. Природа и свойства смазочного материала

могут быть весьма разнообразны. Наибольший эффект от примене­ния смазочных материалов наблюдается в условиях, когда их выбор осуществляется с учетом действительных свойств материала контак­тирующих тел, конструкцией узла трения и условиями его нагружения.

Наука о трении и процессах, сопровождающих трение, получи­ла название трибология (от греч. «трибос» - трение и «логос» - нау­ка). Она охватывает экспериментальные и теоретические исследова­ния физических, механических, химических и других явлений, свя­занных с трением, и базируется на материалах ряда специальных дисциплин. Самостоятельными ее разделами стали трибофизика, трибохимия, трибобиология, фрикционное материаловедение, те­пловая динамика трения и химотология - раздел науки о свойствах, качестве и рациональном использовании топлив, смазочных мате­риалов и специальных жидкостей во фрикционных парах.

Наука о практическом использовании трибологии при проекти­ровании, изготовлении и эксплуатации трибологических систем по­лучила название триботехника.

В настоящее время еще нет законченной, точной и полной тео­рии, описывающей все случаи фрикционного взаимодействия тру­щихся тел. Современное развитие науки вооружает нас подходами к решению ряда частных задач, имеющих уже сейчас большое практи­ческое значение. Триботехника открывает возможности для принятия обоснованных и грамотных решений по уменьшению энергетических потерь и увеличению срока службы машин и оборудования, а также позволяет более эффективно решать вопросы снижения объемов неблагоприятных воздействий машин и оборудования на экологию окружающего нас мира.

Роль трения в работе машин и оборудования и основные задачи триботехники

Уровень фрикционного взаимодействия в узлах трения машин и оборудования во многом определяет их эффективность в работе, а также материальные и энергетические потери. Например, на железно­дорожном транспорте в прямой зависимости от величины коэффици­ента сцепления колес с рельсами находятся такие важные показатели его работы, как скорость движения и масса поездов. Увеличение ко­эффициента сцепления колес с рельсами всего на 0,01 может дать го-

довой экономический эффект 10 млн. руб., а уменьшение потерь от со­противления движению поездов на 1% - экономию 15 млн. руб. в год.

Опыт свидетельствует, что в 80...90 % случаев машины выхо­дят из строя по причинам неудовлетворительной работы узлов тре­ния (износа, задира, связанных с этим поломками и т.п.). Затраты на ремонт и обслуживание машин в несколько раз превышают их пер­воначальную стоимость: для автомобилей - в 6 раз, самолетов - в 5 раз, станков - до 8 раз. На долю заводов, выпускающих новые трак­торы в нашей стране, приходится 22% мощностей, на долю же за­водов, изготавливающих запасные части к тракторам - 30%, а на долю ремонтных предприятий - 44%. Это означает, что на ремонт тракторов затрачивается почти в 4 раза больше производственных мощностей, чем на их изготовление. В сумме на запасные части расходуется более одной пятой выплавляемого в стране металла. Трудоемкость ремонта и технического обслуживания многих строи­тельных машин за срок их службы в 15 раз превышает трудоемкость изготовления новых.

За весь срок службы двигатели автомобилей, тракторов и ком­байнов ремонтируют до 5 раз. Ресурс двигателя после ремонта со­ставляет 30...50 % от нового. Общий объем отремонтированных двигателей почти в 2 раза превышает объем новых. Отремонтиро­ванные двигатели расходуют больше топлива и смазочных мате­риалов на 10% и более.

Положение дел усугубляется еще и тем, что выпускаемые в на­шей стране моторные масла, служащие для уменьшения потерь энер­гии, износа и повреждаемости машин, не всегда соответствуют меж­дународному уровню. Объем выпуска масел высшего качества для автотракторных дизелей составляет лишь 6%. Крайне мал выпуск мо­торных масел с улучшенными низкотемпературными свойствами. Вы­пуск легированных индустриальных масел не превышает 6% от обще­го объема. Производство многоцелевых литиевых смазок не достига­ет и 10%. Применяемые же в РФ смазочные материалы, как правило, низкого качества, а также недостаточное развитие триботехнического материаловедения привели к тому, что в РФ расход моторных масел по отношению к расходу топлива в 2...3 раза превышает этот показа­тель по США. Все это приводит к тому, что при приблизительно

равном потребляемом в стране объеме моторных масел в США об­служивается парк автомобилей, в 8 раз больший, чем в РФ.

Принято считать, что в РФ в сложившихся условиях потери от трения и связанных с этим явлений составляют порядка 40 млрд. руб. при имеющейся тенденции ежегодного увеличения их приблизительно на 1 млрд. руб. В США те же самые потери составляют порядка 46 млрд. долларов, причем половина из них приходится на автомобили. Аналогичные явления наблюдаются и в других странах, и в большинст­ве случаев потери составляют 1,5...4 % их национального дохода. Это свидетельствует о том, что проблема трения, износа и смазки машин и оборудования, помимо чисто технической, является и экономической проблемой государственного масштаба. Экспертный анализ специали­стов свидетельствует, что столь большие потери от трения происходят из-за разрыва между триботехникой и развитием промышленности и транспорта. Большое значение при этом отводится и отсутствию дос­таточной подготовки специалистов в этой области. Уже сейчас только за счет использования имеющихся достижений триботехники потери от трения можно уменьшить на 30...40 %, причем первые 10% из них - без дополнительных материальных вложений. При этом, как показывают исследования, проведенные в Великобритании, основная масса эконо­мии средств от внедрения достижений триботехники достигается за счет сокращения затрат на обслуживание и ремонт машин, исключения потери из-за поломки оборудования и экономии капиталовложений за счет повышения долговечности машин (табл. 1.1).

Помимо явно выраженных технических и экономических аспек­тов, решаемых триботехникой, не менее важным является направле­ние ее работ по улучшению экологии. Это, прежде всего, относится к переработке отработанных в машинах смазочных материалов. При производстве в мире смазочных материалов в 100 млн. т проблема их утилизации достаточно сложна. Актуальной стала и проблема поиска путей ускорения процесса разложения смазки, выпадаемой на землю, в ходе работы транспортных средств, а также и обратная проблема по восстановлению работоспособности смазки в климатических условиях с активным воздействием бактерий. В этой области открываются большие перспективы для использования триботехнических техноло­гий. Острой также стала проблема замены на транспорте и в про-

мышленности широко распространенных, но вредных для организма человека материалов. Этим и другими аналогичными вопросами ак­тивно занимаются сейчас трибологи ряда некоторых стран.

Таблица 1.1 Оценка экономии, реализуемой промышленностью Великобритании при последовательном внедрении достижений триботехники

в практику

В соответствии с вышесказанным можно выделить основные задачи триботехники на современном этапе.

1. Углубление научных представлений о природе фрикционно­го взаимодействия и закономерностях трения и изнашивания наи­более ответственных узлов трения машин и оборудования и опре­деление направлений по более эффективному совершенствованию узлов трения, лимитирующих работу машин.

2. Разработка прогрессивных фрикционных и антифрикцион­ных материалов (несущих поверхностей твердых тел, смазок и т.п.).

3. Разработка технологий, регулирующих свойства поверхно­стей трения.

4. Оптимизация конструктивных решений узлов трения.

5. Эксплуатационные мероприятия по повышению долговечно­сти машин.

6. Повышение квалификации инженеров в области трения, из­носа и смазки и совершенствование контрольно-измерительных и расчетных триботехнических методов.

7. Организация комплексного подхода к решению проблемы по­вышения экономичности, долговечности и обеспечения узлов трения экологически чистой их работы.

В условиях, когда для жизнеобеспечения человечества требуются более производительные и менее энергоемкие машины и когда в мире приходится сталкиваться с дефицитом топливно-энергетических и мате­риальных ресурсов, достижения и возможности трибологии и триботех­ники приобретают особое значение для решения стоящих перед обще­ством задач по повышению экологической чистоты, эффективности и безопасности использования машин и оборудования.

ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОКОНТРОЛЯ

1. Что такое трение?

2. Что такое износ?

3. Что такое смазка?

4. Что изучает трибология?

5. Чем трибология отличается от триботехники?

6. Почему и по каким признакам выходят из строя машины?

7. Определите место науки о трении, износе и смазочных ма­териалах в нашей стране. Каковы потери от трения и изнашивания?

8. Каковы пути повышения качества и надежности работы ма­шин и механизмов?