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
№
п./п.
| Показатель
| Экономия
(млн. фунтов
стерлингов/год)
|
| Снижение потребления энергии за счет меньшего трения
|
|
| Сокращение ручного труда
|
|
| Снижение затрат на смазку
|
|
| Снижение затрат на обслуживание и ремонт
|
|
| Исключение потерь за счет поломки оборудования
|
|
| Экономия вложений вследствие более интенсивного использования оборудования и большего КПД
|
|
| Экономия вложений вследствие более интенсивного использования оборудования и большего КПД
|
| Всего
|
| 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?
|