Основные виды трения. Естественные и точные науки

Еще в школьные годы, в седьмом или восьмом классе, каждый человек знакомится с новым понятием динамической физики, - трением. Однако многие, повзрослев, забывают, и каким образом действует эта сила. Давайте попробуем разобраться в этой теме.

Определение понятия

Трение - это явление, которое заключает в себе следующий смысл: когда два тела соприкасаются друг с другом, на месте их контакта образуется особое взаимодействие, препятствующее телам продолжать движение относительно друг друга. Ясно, что можно подсчитать значение взаимодействия этих тел. как раз таки и характеризует данное взаимодействие количественно. Если трение происходит между твердыми телами (например, взаимодействие книги с книжной полкой или яблока со столом), то такое взаимодействие называется сухим трением.

Следует понимать, что трение - это сила, имеющая электромагнитную природу. Это означает, что причиной возникновения данной силы является взаимодействие между частицами, из которых состоит то или иное тело.

Каким бывает трение?

Благодаря разнообразию существующих в нашем мире предметов можно определить, что каждый из них имеет свою структуру и обладает индивидуальными свойствами. Это означает, что и взаимодействие между различными предметами будет отличаться. Для правильного понимания сути и грамотного решения многих задач в физике принято условно разделять три вида трения. Итак, разберем каждый по отдельности:

• Первое трение - это трение покоя, которое возникает при отсутствии относительного перемещения двух тел. Мы можем наблюдать его примеры повсюду, ведь сила, возникающая при этом трении, удерживает предметы в равновесии. Например, товары на движущейся ленте транспортера, вбитый в стену гвоздь или человек, стоящий на полу.
• Трение скольжения - это условно второе трение. Значение скольжения определяется таким образом: когда к телу, находящемуся в равновесии, прикладывают силу, которая больше, чем сила трения покоя, начинает действовать сила трения скольжения, и тело сдвигается с места.
• И наконец, трение качения , объясняющее взаимодействие двух тел, одно из которых перекатывается по поверхности другого. Разница в и скольжения объясняется тем, что при любом движении площади тела смещаются по длине поверхности соприкосновения, и вместо разорванных межмолекулярных связей образуются новые. А в случае когда колесо катится без проскальзывания, молекулярные связи при подъеме участков колеса разрываются гораздо быстрее, чем при скольжении. Получается, что сила трения качения меньше силы скольжения.

Где и как можно использовать трение?

Трение - это незаменимое явление, без которого мы бы не смогли делать элементарные вещи: ходить, сидеть или же просто держать предметы в руках. Поэтому не стоит недооценивать значение трения. Как говорил французский физик Гильом: "Не будь трения, наша Земля была бы без единой шероховатости, она была бы подобна жидкой капле".

Пожалуй, лучший пример, который наиболее точно характеризует трение, - это работа колеса. Еще в древности было замечено, что силы трения качения гораздо меньше сил трения скольжения. Именно неоспоримая польза трения качения послужила причиной того, что люди стали подкладывать бревна или катки для перемещения тяжелых и габаритных грузов. С течением времени люди совершенствовали знания об удивительных свойствах трения качения, наблюдали за движением предметов под воздействием сил трения и, наконец, изобрели колесо! В современном мире невозможно представить жизни без этих незаменимых деталей, ведь колеса - это вторые "двигатели" любого транспорта!

Как вычислить значение силы трения?

Как и любая другая обладает целочисленными значениями. Для того чтобы точно определить, сколько силы потребуется для перемещения или других видов работ, необходимо подсчитать силу трения покоя. Этим обычно занимаются инженеры, когда, например, строят заводы или же изобретают новые устройства. Однако даже обычные школьники сталкиваются с определенными задачами, где требуется вычислить силу трения. Итак, чтобы подсчитать его значение, нужно просто воспользоваться несложной формулой: F трения = K * N, где k - это коэффициент трения. Значение всех коэффициентов зависит всегда от поверхности предмета, по которому движется или с которым взаимодействует тело. "N" в нашей формуле означает силу на тело. Она зависит в первую очередь от массы тела, которое соприкасается с поверхностью опоры.

Вычисляем значение силы в задаче

Допустим, тело массой m = 3 кг находится на горизонтальной доске. между деревянной доской и телом равен 0,3. Как же найти значение силы трения? Очень просто, всего-то нужно подставить наши значения в формулу. Только нужно учесть, что N в данном случае равен весу тела (по 3-му закону Ньютона). Итак, искомая сила равна (m * g) * k = (3 кг * 10 м/с 2) * 0,3 = 9 H.

1.1 Трение и виды трения

Трение - основная причина изнашивания деталей машин. Про­блемы трения, изнашивания и смазывания изучает наука трибология, базирующаяся на фундаментальных законах физики, химии, механики сплошных сред, термодинамики и материаловедения.

Различают трение:

Скольжение

Сила трения качения примерно в 10 раз меньше силы трения скольжения.

В процессе работы машин поверхности трения деталей находятся в различных условиях. В зависимости от того, есть или нет смазка между трущимися поверхностями, различают следующие виды трения.

Трение без смазки происходит при отсутствии на поверхностях трения обоих твердых тел смазочного материала всех видов.

Граничное трение двух твердых тел возникает при тонком слое смазки на поверхностях трения, не превышающем высоты шероховатостей соприкасающихся поверхностей.

Жидкостное трение возникает между двумя телами, полностью разделенными слоем жидкости (смазки). Отсутствие контакта между поверхностями предохраняет их от разрушения.

Изнашивание и виды изнашивания

Изнашивание - процесс разрушения и отделения материала с поверхности твердого тела при трении и (или) увеличении его оста­точной деформации, проявляющейся в постепенном изменении размеров и (или) формы тела.

В условиях всех видов трения происходит разрушение трущихся поверхностей, т. е., поверхности изнашиваются.

Классификация видов изнашивания

Согласно ГОСТ 23.002 – 78 различают 3 основных вида изнашивания:

механическое

корозионно-механическое

при действии электрического тока (электроэрозионное)

Механическое изнашивание возникает в результате воздействия твердых частиц на трущиеся поверхности. В эту группу следует отнести такие виды изнашивания, как абразивное, гидро- и газоабразивное, усталостное, кавитационное, эрозионное.

Абразивное изнашивание - изнашивание в результате механических воздействий посредством режущего и царапающего действия твердых тел или частиц при наличии относительной скорости перемещения.

Гидро- и газоабразивное изнашивание появляется в результате воздействия твердых тел или частиц, увлекаемых потоком жидкости или газа.

Усталостное изнашивание вызывает изменение поверхности трения или отдельных участков в результате повторного деформирования микрообъемов материала, приводящего к возникновению трещин и отделению частиц.

Кавитационное изнашивание поверхности происходит при относительном увеличении скорости движения твердого тела в жидкости, т. е. в условиях гидродинамической кавитации - нарушения сплошности внутрижидкости.

Эрозионное изнашивание возникает в результате воздействия потока жидкости или газа.

Коррозионно-механическое изнашивание есть изнашивание при трении металла, вступившего в химическое взаимодействие со средой.

К факторам, определяющим интенсивность изнашивания относятся:

Род трения (скольжения, качения, качения с проскальзыванием)

Вид трения (сухое, граничное, гидродинамическое)

Среда (воздух, вода, газ, почва)

Вид контакта пар трения (точка, линия, плоскость, цилиндр, сфера)

Характер движения (равномерное, непрерывное и т.д.)

Вид движения (вращательное, поступательное, возвратно-поступательное)

Характер нагрузки (постоянная, неустановившаяся, знакопеременная)

Величина нагрузки

Скорость перемещения трущихся поверхностей

Температурные условия

Основные пути снижения интенсивности механического истирания:

1) Конструкционные :

Обеспечение рациональной жесткости и податливости деталей (плавающие детали, рессоры, пружины, прокладки)

Выбор рациональных пар трения

Сочетание твердого материала с мягким (устраняется заедание)

Сочетание твердого материала с твердым (высокая износостойкость)

Исключение сочетания одноименных материалов и мягкого с мягким

Применение пористых, порошковых антифрикционных материалов

Замена пар трения скольжения на качение

Создание условий для жидкостного трения

2) Технологические:

Обеспечение оптимальной шероховатости

Соблюдение точности изготовления и упрочнение поверхностей трения

3) Эксплуатационные:

Разгрузка рабочих поверхностей

Соблюдение правил эксплуатации, ТО и ремонта машин

Контроль и дефектация сопряжений и деталей. Методы контроля.

2.1. Контроль и дефектация сопряжений и деталей

Дефектация - операция технологического процесса ремонта машины, заключающаяся в определении степени годности бывших в эксплуатации деталей и сборочных единиц к использованию на ремонтируемом объекте. Она необходима для выявления у деталей дефектов, возникающих в результате изнашивания, коррозии, уста­лости материала и других процессов, а также из-за нарушений ре­жимов эксплуатации и правил технического обслуживания.

В результате трения и изнашивания деталей в конкретных усло­виях эксплуатации изменяются геометрические параметры, шеро­ховатость рабочих поверхностей и физико-механические свойства поверхностных слоев материала, а также возникают и накаплива­ются усталостные повреждения.

Под изменением геометрических параметров деталей понимают изменение их размеров, формы и взаимного расположения поверх­ностей. К нарушениям формы относят: неплоскостность, непрямо­линейность, овальность, конусность и т. д., к отклонениям взаим­ного расположения поверхностей - непараллельность плоскостей и осей вращения поверхностей, торцовое и радиальное биение, не­соосность.

Усталостные повреждения нарушают сплошность материала, способствуют возникновению микро- и макротрещин, выкрашива­нию металла рабочих поверхностей и излому деталей.

Изменение физико-механических свойств материала - наруше­ние структуры материала, а также уменьшение или увеличение твердости, прочности, коэрцитивной силы ферромагнитных мате­риалов и т.д.

Степень годности деталей к повторному использованию или восстановлению устанавливают по технологическим картам на дефектацию. В них указаны: краткая техническая характеристика де­тали (материал, вид термической обработки, твердость, размеры восстановления, отклонение формы и взаимного расположения поверхностей), возможные дефекты и способы их устранения, методы контроля, допустимые без ремонта и предельные размеры. Оценку проводят сравниванием фактических геометрических параметров деталей и других технологических характеристик с допустимыми значениями.

Номинальными считают размеры и другие технические характе­ристики деталей, соответствующие рабочим чертежам.

Допустимыми считают размеры и другие технические характери­стики детали, при которых она может быть поставлена на машину без восстановления и будет удовлетворительно работать в течение предусмотренного межремонтного ресурса.

Предельными называют выбраковочные размеры и другие харак­теристики детали.

Часть деталей с размерами, не превышающими допустимые, мо­гут быть годными в соединении с новыми (запасными частями), восстановленными или с деталями, бывшими в эксплуатации. По­этому в процессе контроля их сортируют на пять групп и маркируют краской соответствующего цвета: годные (зеленым), годные в со­единении с новыми или восстановленными до номинальных разме­ров деталями (желтым), подлежащие ремонту в данном ремонтном предприятии (белым), подлежащие восстановлению на специали­зированных ремонтных предприятиях (синим) и негодные - утиль (красным). Годные детали транспортируют в комплектовочное от­деление или на склад, требующие ремонта - на склад деталей, ожи­дающих ремонта, или непосредственно на участки по их восстанов­лению, негодные - на склад утиля.

У деталей обычно контролируют только те параметры, которые могут изменяться в процессе эксплуатации машины. Многие из них имеют несколько дефектов, каждый из которых требует проверки. Для уменьшения трудоемкости дефектации необходимо придержи­ваться той последовательности контроля, которая указана в техно­логических картах, где вначале приведены наиболее часто встреча­ющиеся дефекты.

Методы контроля

При дефектации используют следующие методы измерения: аб­солютный , когда прибор показывает абсолютное значение измеря­емого параметра, и относительный - отклонение измеряемого па­раметра от установленного размера.

Искомое значение можно отсчитывать непосредственно по прибору (прямой метод ) или по результатам измерения другого параметра, связанного с искомым непосредственной зависимос­тью (косвенный метод ).

По числу измеряемых параметров методы контроля подразделя­ют на дифференциальные и комплексные . При первом измеряют значение каждого параметра, при втором - суммарную погрешность отдельных геометрических размеров изделия.

Примером комплексного метода может служить определение степени годности подшипников качения по радиальному зазору. Изменение последнего связано с износом беговых дорожек внут­реннего и наружного колец, а также элементов качения (шариков, роликов).

Если измерительный элемент прибора непосредственно сопри­касается с контролируемой поверхностью, то такой метод называют контактным, а если нет - бесконтактным. Наиболее часто приме­няют следующие средства измерения: калибры, универсальный из­мерительный инструмент и специальные приборы.

Калибры - это бесшкальные измерительные инструменты для контроля отклонений размеров, формы и взаимного расположения поверхностей деталей без определения численного значения изме­ряемого параметра. Широко распространены предельные калибры, ограничивающие крайние предельные размеры деталей и распреде­ляющие их на три группы: годные, подлежащие восстановлению и негодные.

Универсальные инструменты и приборы служат для нахождения значения контролируемого параметра в определенном интервале его значений. Обычно применяют следующие измерительные сред­ства: штриховые инструменты с нониусом (штангенциркуль, штан-генглубиномер, штангенрейсмус и штангензубомер), микрометри­ческие (микрометры, микрометрический нутромер и глубиномер), механические приборы (миниметр, индикатор часового типа, ры­чажная скоба и рычажный микрометр), пневматические приборы давления (манометры) и расхода (ротаметры).

Специальные измерительные средства предназначены для конт­роля конкретных деталей с высокой производительностью и точно­стью. К ним относят, например, приборы для проверки изгиба и скрученности шатунов и радиального биения подшипников каче­ния, оправки для проверки соосности гнезд коренных подшипни­ков блока цилиндров и др.

При выборе средства измерения необходимо учитывать его мет­рологические характеристики (цена и интервал деления шкалы, точность отсчета, погрешность и пределы измерения), а также точ­ность изготовления измеряемого элемента детали (после допуска).

Дефекты несплошности материала деталей, бывших в эксплуата­ции, можно условно разбить на две группы: явные и скрытые . Яв­ные дефекты - это трещины, обломы, пробоины, смятие, корро­зия. Их чаще всего обнаруживают внешним осмотром невооружен­ным глазом, через лупу 10-кратного увеличения или ощупыва­нием. Для обнаружения скрытых дефектов применяют следующие методы контроля (дефектоскопии): капиллярные, обнаружением подтекания газа или жидкости, магнитные и акустические.

Капиллярные методы дефектоскопии основаны на способности жидкости втягиваться в мельчайшие сквозные и несквозные каналы (капилляры). При попадании жидкости в капилляр ее свободная по­верхность искривляется (образуется мениск), в результате чего возни­кает дополнительное давление жидкости в капилляре, отличающееся от внешнего давления (воздуха). Значение этого давления зависит от коэффициента поверхностного натяжения и радиуса канала.

Для проникновения жидкости в дефект необходимо, чтобы жид­кость хорошо смачивала поверхности, а размеры дефекта (канала) создавали возможность жидкости образовывать мениск.

Технология контроля изделий капиллярными методами состоит из следующих операций: очистки детали от маслянисто-грязевых и других загрязнений, нанесения пенетранта, выявления дефекта и окончательной очистки.

Для проявления дефектов широко применяют сорбционный метод. В качестве прояви­телей используют сухие по­рошки (каолин, мел и др.) и их суспензии в воде или органи­ческих растворителях (керо­син, бензин и др.), а также бы­стросохнущие пигментиро­ванные или бесцветные растворы красок и лаков, которые наносят на поверхность детали после пропитки пенетрантом.

В качестве проявителей применяют сорбенты в виде суспензий и белые проявляющиеся лаки.

При сорбционном способе на поверхность детали наносят сухой порошок (сухой метод) или порошок в виде суспензии (мокрый способ). За счет сорбционных сил проникающая жидкость извлекается на поверхность изделия и смачивает проявитель. При диффу­зионном способе на поверхность детали наносят специальное по­крытие, в которое диффундирует проникающая жидкость из полос­ти дефекта. Этот способ более чувствителен, чем сорбционный, и его применяют для обнаружения мелких трещин.

После проявления дефектов детали очищают от проявителя. Проявители на основе лаков, нитроэмалей и коллодия удаляют ра­створом 80%-го спирта и 20%-го эмульгатора ОП-7.

Суспензии смывают 1%-м раствором эмульгатора ОП-7 или ОП-10 в воде.

Обнаружение подтекания газа или жидкости необходимо для проверки герметичности пустотелых деталей: блоков цилиндров, головок блоков цилиндров, баков, водяных и мас­ляных радиаторов, камер шин, трубопроводов, шлангов, поплавков карбюраторов и др. Его широко применяют для контроля качества сварных швов. Степень герметичности определяют по утечке газа или жидкости в единицу времени, которую регистрируют с помо­щью приборов. В большинстве случаев место дефекта определяют визуально. Методы контроля подразделяют на капиллярные, компрессион­ные и вакуумные.

Для дефектоскопии деталей, поступающих в ремонт, применяют способы керосиновой пробы (капиллярный метод), гидравличес­кий и пневматический (компрессионный).

Керосин обладает хорошей смачивающей способностью, глубо­ко проникает в сквозные дефекты диаметром более 0,1 мм. При контроле качества сварных швов на одну из поверхностей изделия наносят керосин на противоположную - адсорбирующее покры­тие (350 - 450 г суспензии молотого мела на 1л воды). Наличие сквозной трещины определяют по желтым пятнам керосина на ме­ловой обмазке.

При гидравлическом методе внутреннюю полость изделия за­полняют рабочей жидкостью (водой), герметизируют, создают на­сосом избыточное давление и выдерживают деталь некоторое вре­мя. Наличие дефекта устанавливают визуально по появлению ка­пель воды или отпотеванию наружной поверхности.

Пневматический способ нахождения сквозных дефектов более чувствителен, чем гидравлический, так как воздух легче проходит через дефект, чем жидкость. Во внутреннюю полость деталей зака­чивают сжатый воздух, а наружную поверхность покрывают мыль­ным раствором или погружают деталь в воду. О наличии дефекта судят по выделению пузырьков воздуха. Давление воздуха, закачи­ваемого во внутренние полости, зависит от конструктивных осо­бенностей деталей и обычно равно 0,05 - 0,1 МПа.

Магнитный метод применяют для обнаружения дефектов в деталях, изготовленных из ферромагнитных материалов. Так вы­являют поверхностные трещины или подповерхностные включе­ния с иной, чем у основного материала, магнитной проницаемос­тью. Метод получил широкое распространение из-за высокой чув­ствительности, простоты технологических операций и надежности. Он основан на явлении возникновения в месте расположения де­фекта магнитного поля рассеивания.

При магнитопорошковом способе для обнаружения магнитного потока рассеивания используют магнитные порошки (сухой спо­соб) или их суспензии (мокрый способ). Проявляющийся материал наносят на поверхность изделия. Под действием магнитного поля рассеивания частицы порошка концентрируются около дефекта. Форма его скоплений соответствует очертанию дефекта.

Сущность магнитографического метода заключается в намагничивании изделия при одновременной записи магнитного поля на магнитную ленту, которой покрывают деталь, и последующей рас­шифровке полученной информации.

Для обнаружения дефектов феррозондовым способом применя­ют феррозондовые преобразователи.

Постоянный ток применяют для выявления под поверхностных дефектов. Создаваемое им магнитное поле однородно и проникает достаточно глубоко в деталь.

Для определения дефекта большое значение имеет правильный выбор напряженности магнитного поля. Чрезмерно большая на­пряженность приводит к осаждению магнитного порошка по всей поверхности изделия и появлению «ложных» дефектов, а недоста­точная к снижению поверхности детали она должна находиться в пределах 1590 - 3979 А/м, а на остаточную намагни­ченность приходится 7958 - 15915 А/м.

Для индикации дефектов применяют ферромагнитные порошки с большой магнитной проницаемостью и малой коэрцитивной си­лой. Порошок магнетита (Fe 3 O 4) черного или темно-коричневого цвета используют для контроля деталей со светлой поверхностью, а порошок оксида железа (Fe 2 O 3) буро-красного цвета - с темной поверхностью. Зернистость порошка существенно влияет на обна­ружение дефектов и должна быть 5 - 10 мкм.

Магнитную суспензию приготавливают, используя керосин, трансформаторное масло, смесь минерального масла с керосином и водные растворы некоторых веществ. На 1 л жидкости добавляют 30 - 50 г магнитного порошка.

После контроля все детали, кроме бракованных, размагничива­ют. Восстановление не размагниченных деталей механической об­работкой может привести к повреждению рабочих поверхностей из-за притягивания стружки.

Детали размагничивают, воздействуя на них переменным магнитным полем, изменяющимся от максимального значения напряженности до нуля.

Степень размагниченности контролируют, осыпая детали сталь­ным порошком. У хорошо размагниченных деталей порошок не дол­жен удерживаться на поверхности. Для этих же целей применяют при­боры ПКР-1, снабженные феррозондовыми полюсоискателями.

Вибродуговая наплавка. Сущность способа, материалы, оборудование и выбор режимов. Применение вибродуговой наплавки при восстановлении деталей машин.

Вибродуговая наплавка - разновидность автоматической электродуговой наплавки. Она ведется колеблющимся электро­дом, что дает возможность наплавлять металл при низком напряжении источника тока. Благодаря этому образуется мини­мально возможная сварочная ванна, мелкокапельный переход металла с электрода на деталь. При вибродуговой наплавке получается достаточно хорошее сплавление основного металла с электродным, небольшой нагрев детали и малая по глубине зона термического влияния. Наиболее широкое применение получила вибродуговая наплавка в среде охлаждающей жид­кости.

Принципиальная схема установки для вибродуговой наплавки в среде жидкости показана на рисинке 1 . К установленной в станок изношенной детали с помощью роликов по направ­ляющему мундштуку подается проволока, которая сматы­вается с барабана. Одновременно с подачей проволоки от вибратора электроду сообщается колебательное движение частотой 50-100 Гц. Установка вибратора позволяет уменьшить мощность дуги, не уменьшая стабильности процесса. От источ­ника постоянного тока через ролики и мундштук к электроду подводится плюс, а к детали через шпиндель станка - минус.

Рис. 1. Схема установки для вибродуговой наплавки в струе жидкости : 1-индуктивность, 2-генератор, 3-трубопровод, 4 - подающие ролики, 5 - барабан для электродной проволоки, 6 - вибратор, 7 - пружины, 8 - шестеренный насос, 9 - бак-отстойник, 10 - деталь с наплавленным слоем, 11 - зона наплавки, 12 - мундштук

В зону наплавки по трубопроводу непрерывной струей подается жидкость. С детали жидкость стекает в поддон станка, откуда попадает в бак отстойник и далее насосом по трубо­проводам снова подается к детали.

Вибродуговым способом могут наплавляться цилиндрические поверхности диаметром от 15 мм и выше, поверхности изношен­ных отверстий, подвижных и неподвижных соединений; поверх­ности под обоймы шариковых и роликовых подшипников; шейки валов, работающих в подшипниках скольжения, не испыты­вающие ударной нагрузки; шейки в местах прессовых посадок. Вибродуговая наплавка нежелательна для профильных по­верхностей в виде резьб, мелких шлиц и т. д. Вибродуговую наплавку можно производить также под слоем флюса и в среде защитного газа.

Способ вибродуговой наплавки и сварки различных мате­риалов в потоке воздуха применяют при восстановлении чугун­ных деталей. Деталь наплавляют с помощью автоматической вибродуговой головки, а для получения плотных и легко обрабатываемых слоев в зону сварки подают атмосферный воздух. С увеличением подачи воздуха наружная пористость наплав­ляемого металла уменьшается. Наименьшая пористость полу­чается при расходе воздуха свыше 1600 - 2000 л/ч.

Наплавленный металл обладает невысокой твердостью, что позволяет производить токарную обработку слоя обычным ин­струментом. Для наплавки используют установку, состоящую из токарного станка, источника тока (три выпрямителя ВСГ-ЗА) и автоматической вибродуговой головки.

При наплавке в среде углекислого газа сварочная дуга и расплавленный металл защищаются от вредного влияния возду­ха струей углекислого газа, специально подаваемого в зону сварки. Электродная проволока из кассеты непрерыв­но подается в зону сварки с заданной скоростью. Ток к прово­локе подводится с помощью мундштука и наконечника, расположенного внутри газовой горелки, которая подает за­щитный газ в зону сварки.

Рис. 2. Схема процесса наплавки в среде углекислого газа : 1 - горелка, 2 - электродная проволока, 3 - мундштук, 4 - наконечник, 5 - сопло горелки,6 - основной металл, 7 - свароч­ная дуга, 8 - сварочная ванна, 9 - шов

Электродная проволока плавится под действием теплоты дуги; электродный металл переходит в сварочную ванну и смешивается с расплавленным основным металлом. В резуль­тате сплавления электродного и основного металлов образуется наплавленный валик, прочно соединенный с основным металлом.

При наплавке углекислый газ из баллона (рисунок 2) прохо­дит через подогреватель газа, осушитель, редуктор и расходо­мер (ротаметр). При выходе из баллона углекислый газ расширяется и температура его резко падает. Чтобы исключить резкое охлаждение газа и замерзание содержащейся в угле­кислом газе влаги, его сразу после выхода из баллона пропуска­ют через подогреватель. Затем углекислый газ попадает в осушитель, представляющий собой цилиндр, заполненный ве­ществом, которое поглощает влагу из углекислого газа (силикагель, обезвоженный медный купорос или хлористый кальций).

Сущность процесса электроконтактной приварки стальной ленты заключается в приварке к поверхности деталей стальной ленты мощными импульсами электрического тока. В сварочной точке под действием импульса тока расплавляются металлы присадочного материала и детали. Присадочный материал (стальная лента) расплавляется не по всей толщине, а лишь в тонком поверхностном слое, в зоне контакта с деталью. Слой приваривают ко всей изношенной поверхности регулируемыми импульсами тока при вращательном движении детали со ско­ростью, пропорциональной частоте импульсов, и поступательном перемещении сварочной головки. Схема процесса приварки ленты приведена на рисунке 3 .

Технологический процесс целесо­образно применять при восстановлении шеек валов под под­шипники качения, посадочных отверстий стаканов подшипников и других деталей при износе до 0,4 мм.

Изношенную поверхность предварительно шлифуют, удаляя слой металла толщиной 0,15 - 0,2 мм. После этого деталь подают на установку. Накладывают на подготовленную повер­хность мерный отрезок стальной ленты толщиной 0,4 - 0,8 мм (в зависимости от величины износа), который прижимают сварочными роликами установки. Материал ленты - средне- и высокоуглеродистые стали марок 45, 50, 65Г и др.

Импульсами тока прихватывают ленту в нескольких местах. Перемещая роли­ки в крайнее положение, переключают установку на рабочий режим и приваривают ленту.

Рис. 3. Схема процесса электрокон­тактной приварки стальной ленты : 1 - центры, 2 - восстанавливаемая де­таль, 3 - ролики, 4 - лента, 5 - транс­форматор, 6 - прерыватель тока

Процесс ведут при подаче жидкости (воды), которая охлаж­дает ролики сварочной головки и одновременно эффективно отводит теплоту от зоны приварки. При этом твердость восста­навливаемой поверхности увеличивается до HRC.55 и более. Этим достигается совмещение технологий нанесения покрытия и термической обработки. Последующую механическую обработ­ку после приварки ленты производят на кругло-шлифовальных станках.

Использование электроконтактной приварки стальной ленты взамен вибродуговой наплавки позволяет повысить производи­тельность восстановления деталей в 2,5 раза, снизить расход присадочных материалов в 4 - 5 раз, трудоемкость работ в 2,5 раза и повысить ресурс детали до уровня новой.

С трением мы сталкиваемся, когда перемещаем относительно друг друга какие-нибудь тела (кинетическое трение) либо стараемся привести в движение тела, находящиеся в состоянии покоя (статическое трение). Трение возникает, когда два тела, перемещающиеся относительно друг друга, соприкасаются своими внешними поверхностями (внешнее трение) или когда элементы структуры тела (атомы, молекулы) перемещаются относительнодруг друга (внутреннее трение). Внутреннее трение может иметь место в жидкостях, газах и твер­дых телах. Классификация видов трения представлена в табл. 2.5. При трении кроме механических имеют место тепловые, электрические, магнитные и другие явления. Таблица 2.5

Кинетическое трение (трение движения) – возникает при перемещении друг относительно друга каких-либо тел.

Статическое трение (трение покоя) – возникает, когда неподвижное тело начинает движение из состояния покоя.

Внешнее трение – возникает, когда два тела, перемещающиеся относительно друг друга, соприкасаются своими внешними поверхностями.

Внутреннее трение – когда элементы структуры тела (атомы, молекулы) перемещаются относительно друг друга. Имеет место в твердых телах, жидкостях и газах.

Трение без смазочного материала (сухое трение) – трение двух тел при отсутствии на поверхности трения введенного смазочного материала любого вида.

Трение со смазочным материалом (жидкостное трение) – трение двух тел при наличии на поверхности трения введенного смазочного материала любого вида.

Трение скольжения – трение движения двух твердых тел, при котором скорости тел в точках контакта различны по величине и направлению, или по величине или по направлению (рис. 2.1).

Трение качения – трение движения двух твердых тел, при котором их скорости в точках касания одинаковы по величине и направлению (рис.2.2) Рис. 2.2

Граничное трение – трение при наличии пленки граничной смазки.

Анализируя выше приведенные определения различных видов трения можно сформулировать общее определение процесса трения.

Смазочный материал – материал вводимый на поверхность трения для снижения силы трения (F ТР) и интенсивности изнашивания (масло – поверхностно активное вещество невозможно полностью выдавить При низких температурах происходит сильный износ из-за кристаллизации масла).

При перемещении соприкасающихся тел или их частей друг относительно друга появляются силы трения. Различают трение внешнее и внутреннее. Под внутренним трением (или вязкостью) понимают трение, возникающее при перемещении частей одного и того же тела (обычно это движение слоёв жидкости или газа). К внутреннему трению относится также и трение, возникающее при движении твердого тела в жидкости или газе. В этом случае слои среды, прилегающие к поверхности, вовлекаются этим телом в движение с той же скоростью, которую имеет тело, и движущееся тело тормозится прилегающими слоями среды.

Трение, возникающее при соприкосновении поверхностей двух различных тел при их относительном движении или при попытке вызвать это движение, называется внешним трением (сухое трение). Строго говоря, внешнее трение наблюдается только для твердых тел без смазочной прослойки, так как только в этом случае имеется непосредственный контакт двух тел.

Внешнее трение в свою очередь подразделяется на: трение покоя, возникающее до начала движения; трение скольжения, возникающее при движении поверхностей двух соприкасающихся тел; трение качения, возникающее, когда одно тело катится по поверхности другого.

Силы внешнего трения возникают по нескольким причинам. Первой причиной возникновения сил трения является шероховатость поверхности тел. При соприкосновении тел микроскопические выступы на поверхности одного тела зацепляются за такие же выступы другого тела. При этом, если одно из тел движется по поверхности другого, выступы срезаются, для чего необходимо действие некоторой силы. Второй причиной является то, что в точках соприкосновения поверхностей проявляется действие межмолекулярных сил, между молекулами находящимися вблизи поверхности соприкосновения. В частности, вступающие в контакт неровности поверхности образуют “мостики сварки”, и сила трения обусловлена сопротивлением разрушению этих мостиков. Третьей причиной является появление несимметричных деформаций (см. силу трения качения).

В настоящее время разработан ряд теорий трения, в основу каждой из которых положено то или иное явление: адгезионная теория трения, молекулярная теория трения, молекулярно-механическая теория трения.

Трение покоя.

О существовании сил трения покоя, действующих на соприкасающиеся тела при их относительном покое, свидетельствует такой опытный факт, что для приведения в движение одного из соприкасающихся твердых тел к нему необходимо приложить в направлении движения внешнюю силу, превышающую некоторую определенную величину, характерную для данных соприкасающихся тел. Если внешняя сила недостаточно велика, то, несмотря на её действие, тело остается в покое, так как эта сила уравновесится силой трения покоя.

Пусть некоторое тело покоится на горизонтальной поверхности, и нему приложена внешняя сила F (рис.1), на него также действуют сила тяжести mg и сила реакции опоры N . Так как тело находится в покое, то согласно I закону Ньютона, векторная сумма всех внешних сил равна нулю, т.е:

И взяв проекции этих сил на направление возможного перемещения (вдоль плоскости соприкосновения, ось x), получим:

.

Таким образом, сила трения покоя – неоднозначная величина: с изменением внешней силы F соответственно изменяется и сила трения покоя. Если на тело внешняя сила F не действует, то сила трения f тр также равна нулю. Но сила трения покоя может изменять свою величину лишь до некоторого максимального значения f тр_max , и согласно опытному закону Амонтона и Кулона:

где m’ – коэффициент трения покоя. Для рассмотренного на рисунке 1 примера: .

Трение скольжения

Когда горизонтальная составляющая внешней силы F окажется по величине больше f тр_max , то неизбежно возникает скольжение данного тела по поверхности соприкасающегося с ним другого тела. Опыт показывает, что силы трения скольжения зависят от относительной скорости скольжения (Рис.2). Вначале с возрастанием относительной скорости u величина сил трения скольжения f тр несколько уменьшается, а затем при дальнейшем возрастании u , величина сил трения так же медленно начинает возрастать. Возрастание величины сил трения с уменьшением относительной скорости скольжения, после того как она уже стала достаточно малой, проявляется, например, при торможении поездов, трамваев и т.д., поэтому для более плавного уменьшения скорости тел торможение производится с несколькими перерывами. Однако величина сил трения скольжения изменяется с изменением относительной скорости настолько слабо, что часто её считают не зависящей от относительной скорости (рис.2., прерывистая линия).

Величина сил внешнего трения как при скольжении, так и при покое зависит от материалов тел, состояния их соприкасающихся поверхностей (от их шероховатости), а также от величины силы реакции N одного из тел на другое. Влияние указанных факторов на величины сил внешнего трения экспериментально исследовали Амонтон и Кулон. Они установили закон выполняющийся для сил трения скольжения и для максимальной силы трения покоя. Суть этого закона: величина силы трения скольжения не зависит от площади соприкасающихся поверхностей и пропорциональна силе реакции опоры:

где m – коэффициент трения скольжения, величина безразмерная, зависит от материалов соприкасающихся тел, состояния их поверхностей, величины относительной скорости. В настоящее время при соприкосновении достаточно гладких поверхностей необходимо учитывать вклад сил межмолекулярного взаимодействия.

Трение качения

Опыт свидетельствует также о существовании сил трения, действующих на тела при их качении по поверхности других тел. Так если цилиндрическое тело катится по горизонтальной поверхности и предоставлено самому себе, то с течением времени постепенно замедляется как его поступательное движение, так и вращение вокруг своей оси. Качение тел замедляется благодаря действию на них сил трения качения со стороны поверхности, по которым они движутся. Сила трения качения возникает из-за деформации поверхности, по которой катится тело, несимметричной относительно вертикальной плоскости, проходящей через ось цилиндра.

Рассмотрим цилиндрическое тело, которое катится по горизонтальной поверхности с постоянной скоростью поступательного движения центра масс u с помощью силы F (рис.3).

На рисунке 3: О – ось цилиндра, R – радиус цилиндра, сила реакции опоры N разложена на две составляющие F n , f тр т.е. . Величина силы F подбирается такой, чтобы качение происходило равномерно, т.е. чтобы скорость поступательного движения оси цилиндра u, а также скорость его вращения вокруг своей оси оставались постоянными. Тогда направление силы реакции опоры N должно проходить через ось цилиндра, так как только в таком случае угловая скорость вращения цилиндра окажется неизменной.

Поскольку, скорость движения оси цилиндра u =const, то согласно первому закону Ньютона:

Где sina =k /R , к – расстояние от вертикального диаметра цилиндра до точки приложения силы реакции N . Тогда для силы трения качения получаем выражение

Величину k называют коэффициентом трения качения. Коэффициент трения качения имеет размерность длины.

Сила трения качения меньше силы трения скольжения. Поэтому для уменьшения трения в различных механизмах используют подшипники качения. Для уменьшения силы трения между трущимися поверхностями вводят смазку. В этом случае, как показал русский инженер Н.П.Петров, мы имеем дело с внутренним трением скольжения, происходящим лишь между слоями жидкости. Для уменьшения силы трения используют и то обстоятельство, что коэффициент трения уменьшается с увеличением твердости. Поэтому, например, при изготовлении узлов часовых механизмов, прецизионных приборов и т.д., применяют такие материалы, как агат, рубин и др.

В ряде случаев, например, при торможении, необходимо увеличить силу трения. Для этого трущиеся детали изготавливают из одного материала, поскольку, как показывает опыт, коэффициент трения в данном случае больше, чем при наличии двух различных материалов.

Цель: закрепить знания о видах трения и изнашивания.

Задание:.

1. Изучить теоретический материал.
2. Заполнить таблицу 1.
3. Ответить на контрольные вопросы.

Контрольные вопросы:

1. Факторы, определяющие интенсивность изнашивания?

2. Какие основные пути снижения интенсивности механического истираниявы знаете?

3. Какая сила трения больше трение качения или скольжения?

Таблица 1

Теоретическая часть .

Трение - основная причина изнашивания деталей машин. Про­блемы трения, изнашивания и смазывания изучает наука трибология, базирующаяся на фундаментальных законах физики, химии, механики сплошных сред, термодинамики и материаловедения.

Различают трение:

Скольжения,

Качения,

Сила трения качения примерно в 10 раз меньше силы трения скольжения.

Виды трения . В процессе работы машин поверхности трения деталей находятся в различных условиях. Взависимости от того, есть или нет смазка между трущимися поверхностями, различают следующие виды трения.

Трение без смазки происходит при отсутствии на поверхностях тренияобоих твердых тел смазочного материала всех видов.

Граничное трение двух твердых тел возникает при тонком слое смазки на поверхностях трения, не превышающем высоты шероховатостей соприкасающихся поверхностей.

Жидкостное трение возникает между двумя телами, полностью разделенными слоем жидкости (смазки). Отсутствие контакта между поверхностями предохраняет их от разрушения.

Изнашивание - процесс разрушения и отделения материала с поверхности твердого тела при трении и (или) увеличении его оста­точной деформации, проявляющейся в постепенном изменении размеров и (или) формы тела.

Виды изнашивания . В условиях всех видов трения происходит разрушение трущихся поверхностей, т. е., поверхности изнашиваются.

Классификация видов изнашивания

Согласно ГОСТ 23.002 – 78 различают 3 основных вида изнашивания:

1) механическое (абразивное, гидро- и газоабразивное, эрозионное, гидро- и газоэрозионное, кавитационное, усталостное, при фреттинге, при заедании);

2) корозионно-механическое (окислительное, фреттинг-коррозия);

3) при действии электрического тока (электроэрозионное).

Механическое изнашивание возникает в результате воздействия твердых частиц на трущиеся поверхности. В эту группу следует отнести такиевиды изнашивания, как абразивное, гидро- и газоабразивное, усталостное, кавитационное, эрозионное.

Абразивное изнашивание - изнашивание в результате механическихвоздействий посредством режущего и царапающего действия твердых телили частиц при наличии относительной скорости перемещения.

Гидро- и газоабразивное изнашивание появляется в результате воздействия твердых тел или частиц, увлекаемых потоком жидкости или газа.

Усталостное изнашивание вызывает изменение поверхности тренияили отдельных участков в результате повторного деформирования микрообъемов материала, приводящего к возникновению трещин и отделению частиц.

Кавитационное изнашивание поверхности происходит при относительном увеличении скорости движения твердого тела в жидкости, т. е. в условиях гидродинамической кавитации - нарушения сплошности внутрижидкости.

Эрозионное изнашивание возникает в результате воздействия потокажидкости или газа.

Молекулярно-механическое изнашивание получается в результатеодновременного механического воздействия и воздействия молекулярныхили атомных сил.

Коррозионно-механическое изнашивание есть изнашивание при трении металла, вступившего в химическое взаимодействие со средой.

К факторам, определяющим интенсивность изнашивания относятся:

Род трения (скольжения, качения, качения с проскальзыванием);

Вид трения (сухое, граничное, гидродинамическое);

Среда (воздух, вода, газ, почва и т.п.);

Вид контакта пар трения (точка, линия, плоскость, цилиндр, сфера);

Характер движения (равномерное, непрерывное и т.д.);

Вид движения (вращательное, поступательное, возвратно-поступательное);

Характер нагрузки (постоянная, неустановившаяся, знакопеременная);

Величина нагрузки;

Скорость перемещения трущихся поверхностей;

Температурные условия.

Основные пути снижения интенсивности механического истирания:

1) Конструкционные :

Обеспечение рациональной жесткости и податливости деталей (плавающие детали, рессоры, пружины, прокладки и т.д.).

Выбор рациональных пар трения:

Сочетание твердого материала с мягким (устраняется заедание) – прямые [закаленный подвижный

Суппорт – сырая неподвижная станина ]и обратные [хромированная гильза – чугунное незакаленное кольцо, закаленный вал – баббитовый вкладыш] пары;

Сочетание твердого материала с твердым (высокая износостойкость);

Исключение сочетания одноименных материалов и мягкого с мягким;

Применение пористых, порошковых антифрикционных материалов.

Замена пар трения скольжения на качение;

Создание условий для жидкостного трения.

2) Технологические :

Обеспечение оптимальной шероховатости,

Соблюдение точности изготовления и упрочнение поверхностей трения.

3) Эксплуатационные :

Разгрузка рабочих поверхностей;

Соблюдение правил эксплуатации, ТО и ремонта машин.