www.mexanik.ru

ВВЕДЕНИЕ

Повышение уровня автоматизации промышленности и сельского хозяйства, увеличение мощности и быстроходности машин, освоение космического пространства, необходимость работы механизмов и приборов в различных газовых и жидких средах при низких и высоких температурах выдвигают в качестве основного требования непрерывное увеличение надежности и долговечности существующих и проектируемых механических устройств.

В общей проблеме надежности, точности и долговечности машин, механизмов и приборов главное место принадлежит вопросам трения, смазки и износа, находящимся между собой в весьма сложных корреляционных зависимостях.

С ростом технического прогресса потребовалось производить сложные расчеты сил сопротивления в тяжело нагруженных, автоматических и особо точных узлах трения и обеспечивать их антифрикционность в эксплуатационных условиях. Во многих отраслях промышленности возникла необходимость в создании различных фрикционных устройств и тормозных систем, что повлекло за собой необходимость управлять процессом внешнего трения, использовать его законы. Наука о трении отстает от потребностей практики и не может дать ответа на многие важные вопросы. Состояние теории внешнего трения не позволяет конструктору производить необходимые расчеты сил трения в проектируемых машинах.

В последнее время большие успехи достигнуты в создании новых материалов (композиционные сплавы, полимерные материалы, твердые смазки), однако специалисты не располагают достаточными сведениями о внешнем трении, необходимыми для их разработки и использования.

Актуальнейшей задачей современного машиностроения является рациональное применение смазок, определяющих во многих случаях работоспособность и долговечность машин. Сложные условия эксплуатации современных машин резко повысили требования к смазочным материалам. В результате этого получила дальнейшее развитие теория смазочного действия, особенно при граничном трении. Возникла необходимость глубокого изучения механизмов и закономерностей механического и физико-химического действия смазок различного состава при различных условиях трения. Особое значение приобрело применение присадок к смазочным маслам (поверхностно-активных, химически-активных) и твердых смазок.

Вопросы износа являются центральными в общей проблеме трения, смазки и износа. Каждый новый шаг в развитии машин, механизмов и приборов связан с изучением явлений, протекающих на контакте сопряженных деталей, с учетом прочностных характеристик поверхностей и их разрушения (износа). В борьбе с износом на первом месте стоит задача создания общей теории сопротивления изнашиванию материалов. Эта теория необходима для обоснованного применения конструкционных, технологических и эксплуатационных средств по устранению недопустимых патологических процессов повреждаемости и достижению минимального износа. Важное значение имеет разработка методов расчета нормального износа и предельных условий перехода к патологическим процессам.

Трение, смазка и износ в машинах органически связаны между собой. Невозможно говорить о решении задачи износостойкости без привлечения представлений теории трения и смазки или о разработке смазочной техники и материалов без понимания сущности явлений трения и износа. Неразрывная связь между задачами трения, смазки и износа всегда выступает на первый план в исследовательских работах, имеющих прикладное направление. Между тем, эти три взаимосвязанные области во многих теоретических работах рассматриваются раздельно как самостоятельные.

Литература, посвященная трению, смазке и износу насчитывает десятки тысяч наименований (только за последние десять лет опубликовано свыше 20 000 книг, брошюр и статей). Результаты этих работ должны быть обстоятельно проанализированы и использованы для построения теории трения, смазки и износа в машинах и решения постоянно возникающих задач практики. Однако анализ этого огромного материала вызывает большие трудности и часто просто не­возможен, так как отсутствуют сведения методического характера, нет данных о режимах испытаний, о характеристиках металлов, среде, размерах трущихся поверхностей.

В теоретических исследованиях наиболее разработана механическая сторона явлений, при этом физические представления в большинстве случаев противоречивы или недостаточны, химические явления еще менее изучены. Мало используются последние достижения тех дисциплин, которые должны составлять основу науки о трении, смазке и износе, не являющейся самостоятельной среди естественных наук. Ее основные положения и законы должны основываться на синтезе достижений многих смежных дисциплин: механики упругих и пластических сред, реологии, металловедения, физики твердого тела, физической химии, химии поверхностных явлений и др.

Нужно признать, что в развитии проблемы трения, смазки и износа наблюдается отставание в смысле использования фундаментальных результатов классических наук. Именно это отставание приводит к отсутствию или противоречивости объяснений явлений, наблюдаемых при трении и износе новых материалов, при работе в сложных режимах нагружения, в новых рабочих средах. Например, в большинстве теоретических работ по трению и износу явления деформации и разрушения рассматриваются с позиций макроскопических представлений. В классических дисциплинах (физика металлов, металловедение и др.) давно доказано, что для успешного решения этих явлений их необходимо рассматривать с точки зрения тонкой структуры с учетом несовершенств кристаллического строения — теории дислокаций. Еще большее отставание наблюдается при рассмотрении вопросов, связанных с физикой и химией поверхностных явлений. Эти обстоятельства приводят к недооценке использования современных методов металловедения, физики твердого тела, химии поверхностных явлений и других наук и в результате — к понижению теоретического уровня исследований по трению, смазке и износу и разрыву с задачами практики.

При анализе состояния теории и практики необходимо отметить еще одну важную особенность. Все прикладные работы направлены на достижение нормальных условий трения и износа, на устранение патологических процессов в зоне контакта, на резкое снижение величины износа. Это очевидное и вполне естественное стремление выражается в развитии соответствующих конструкционных, технологических и эксплуатационных средств, мероприятий и методов.

При нормальных условиях трения и износа разрушение поверхности на контакте происходит в чрезвычайно малых объемах металла. В процессе деформации и образования вторичных защитных структур, характерных для нормальных условий трения, участву­ют поверхностные слои глубиной 200—1000 А, т. е. основные явле­ния сосредоточены в субмикрообъемах поверхностных слоев. В то же время авторы теоретических работ в основном рассматривают явления, происходящие при нарушении нормальных режимов эксплуатации. В качестве примеров описания патологических явлений могут служить такие теории как молекулярно-механическая, деформационно адгезионная и др. Патологические явления выражены более резко и могут наблюдаться при сравнительно небольших увеличениях, иногда просто визуально. Такие процессы являются более доступными объектами наблюдения (на уровне макро масштаба) и дают возможность построить более примитивные модели и математически их описать.

Настоящая книга посвящена разработке теоретических основ трения, смазки и износа. В ней использованы результаты многолетнего труда большого коллектива исследователей, работающих в учебных, научно-исследовательских институтах и в промышленности, а также данные, полученные при решении практических вопросов на передовых отечественных машиностроительных предприятиях. В книге использованы материалы обсуждений и дискуссий по трению, смазке и износу многих всесоюзных совещаний, проводившихся в Академии наук СССР, комитетах по автоматизации и машино­строению и в других организациях, а также зарубежные публикации.

В ней рассмотрены нормальные процессы внешнего трения и влияние на их протекание факторов внешних механических нагрузок, среды и свойств материалов, а также условия возникновения различных отклонений от нормальных условий.

При нормальных режимах внешнего трения условия контакта характеризуются наличием вторичных несущих структур, обладающих определенными свойствами. Всякое нарушение этих условий вызывает переход к патологическим явлениям, вначале сопутствующим внешнему трению, а затем приводящим к полному вырождению процесса, внешнего трения и переходу к внутреннему трению, резанию и, в конечном счете, — к прекращению движения.

Благодаря действию смазки при внешнем трении появляется возможность создания необходимых вторичных структур на поверхностях контакта. В зависимости от условий трения это могут быть структуры смазочного материала в его объеме (гидродинамическая смазка); структуры квазиупругой прослойки смазки, равномерно расположенной на поверхности твердого тела и связанной с ним адсорбционными силами (граничная смазка); структуры тонкого поверхностного слоя металла, модифицированного активными компонентами смазки.

Важным методическим моментом является изучение явлений трения, смазки и износа в деталях конкретных машин непосредственно при их эксплуатации.

В книге приведен обширный материал металлофизических и металлохимических исследований и показано, что проблема трения,, смазки и износа относится к числу проблем экспериментального плана, базирующихся на комплексном использовании представлений классических наук — физики твердого тела, химии поверхностных явлений и др. В проведенных исследованиях большое внимание уделено нормальному износу, сущностью которого является раз­рушение и восстановление защитных вторичных структур и динамическое равновесие этих процессов. Показано, что окислительный износ является основным, теоретически неизбежным и практически допустимым видом изнашивания трущихся поверхностей.

В существующих теоретических разработках вопрос об окислительном износе, как об определяющем процессе нормального трения, до недавних пор подвергался сомнению. В резолюции совещания по развитию теории трения и изнашивания, проходившего в Институте машиноведения АН СССР (Москва, 1954 г.), было отмечено, что ввиду важности правильного построения классификации видов изнашивания, как основы теории изнашивания, считать необходимым организацию экспериментальной проверки гипотезы окисли­тельного изнашивания, выдвинутой Б. И. Костецким, по возможности в нескольких лабораториях СССР. Для этого было поручено Институту машиноведения организовать эту проверку с привлечением к работе ряда других исследовательских институтов.

В настоящее время широкие экспериментальные работы, практика космического машиностроения, ядерной энергетики и некоторых отраслей химического и специального машиностроения подтвердили центральную роль процессов окисления при трении в машинах.

Основным явлением при внешнем трении металлических поверхностей является упруго-пластическая деформация, имеющая не только самостоятельное значение как рабочий процесс, но и являющаяся главной причиной ряда производных явлений в зоне контакта: окисления, схватывания I и II рода, усталости и др. В результате проведенных исследований впервые доказана эффективность и целесообразность применения теории дислокаций для решения мно­гих вопросов внешнего трения, смазочного действия и износа. В связи со сложностью явлений, возникающих в зоне трения, проведены дифференциальное изучение роли отдельных факторов и элементарных процессов при трении и их синтез. В книге приведены физические модели процессов нормального (окислительного) износа и основных патологических процессов (схватывания I и II рода, абразивного и усталостного износа и др.). Предложены методы количественного описания сил трения и вели­чины износа при нормальных условиях трения , а также аналитические и экспериментальные методы определения критических условий перехода к патологическим режимам.

На основе экспериментальных и теоретических разработок обобщены существующие и предложены новые конструкционные, технологические и эксплуатационные средства управления процессом трения и борьбы с износом в машинах, приборах и механизмах.

Изложенные результаты исследований свидетельствуют о том, что проблема внешнего трения, смазки и износа составляет один из разделов физико-химической механики — новой области знаний, возникшей и успешно развивающейся в СССР.

Трение и износ, также как и процессы механики твердых, жидких и газообразных тел, принадлежат к числу явлений, которые всегда будут неизбежными составляющими движения материальных тел. Условия внешнего трения бесконечно разнообразны. Поэтому необходимо иметь в виду, что теория трения, смазки и износа неисчерпаема в своем развитии и постоянном совершенствовании.

Назад, на страницу описания