double arrow

Общие сведения о прямых и обратных парах трения

    Существует целый ряд узлов трения, в которых условия работы двух сопряженных деталей неодинаковы, а именно они имеют разные площади трения. Под площадью трения понимают площадь поверхности детали, номинально участвующей в процессе трения. Примеры подобных конструкций приведены на рисунке 5.1. 

Тело с меньшей площадью трения прижимается к контртелу одним и тем же участком, лишь частично перекрывающим площадь трения контртела. При этом поверхность первого теланаходится в контакте с поверхностью контртела непрерывно, в то время как поверхность второго тела испытывает периодическое нагружение в момент прохождения по нему поверхности трения первого тела при вращательном или возвратно-поступательном движении. Для удобства дальнейшего описания обозначим тело с меньшей площадью трения индексом А, а контртело - индексом В, а площади их поверхностей трения соответственно SA и SB.

Отношение площади трения тела В к площади трения тела А называют коэффициентом перекрытия . Таким образом, все рассмотренные на рис. 5.1 пары трения имеют коэффициент перекрытия больше единицы. В подобных парах трения различают два возможных варианта расстановки материалов по твердости H.

1) Если тело А (имеющее меньшую поверхность трения) тверже, чем контртело В (имеющее большую поверхность трения) пару трения называют прямой (SA<SB, HA>HB).

2) Если тело В (имеющее большую поверхность трения) тверже, чем тело А (имеющее меньшую поверхность трения) пару трения называют обратной (SA<SB, HA <HB).

 

 

  

                             a                                         б

 

                            в                                            г

Рисунок 5.1. Схемы пар трения с циклическим взаимодействием поверхностей: а- палец - диск; б - вал-колодка; в – ось-ступица; г – направляющая - втулка; А, Б - контактирующие тела; Lк - длина контакта поверхностей в направлении скольжения, Lц - длина относительного перемещения поверхностей за один цикл (в системе “вал-колодка” эта длина соответствует длине окружности цилиндра, при возвратно-поступательном движении - длине хода).

 

В случае прямой пары тело с большей поверхностью трения имеет меньшую твердость (к примеру, твердый палец скользит по мягкой поверхности). Примеры прямой пары: скольже­ние закаленного стального суппорта по мягкой чугунной станине, скольжение хромированного поршневого кольца по гильзе цилиндра из чугуна, скольжение посеребренной бронзовой плавающей втулки относительно хромированной цапфы опоры бурового долота. Процессы, происходящие в указанных случаях, определяются шероховатостью твердого тела.

Если твердое тело будет иметь высокую шероховатость с наличием острых выступов и кромок по краям поверхности трения создадутся условия для внедрения, пропахивания и микрорезания выступами неровностей более твердого тела поверхности более мягкого контртела с появлением признаков абразивного изнашивания. В предельном случае процесс трения приблизится к обработке мягких заготовок твердым абразивным инструментом (напильником, наждаком и т.д.). При высоких нагрузках такие пары проявляют склонность к сильному нагреву, схватыванию и заеданию.

Если твердое тело в прямой паре трения будет иметь высокую чистоту поверхности и сглаженные кромки процесс приблизится к упрочнению обрабатываемой поверхности выглаживанием. В этом случае на первом этапе менее твердая поверхность будет подвержена наклепу и упрочнению, а затем охрупчиванию и выкрашиванию вследствие развития контактной усталости. 

Таким образом, в случае работы прямой пары трения процессы пластической деформации более мягкой поверхности приводят к развитию катастрофических видов изнашивания и преждевременному выходу подшипников из строя. 

В случае обратной пары трения тело с большей поверхностью имеет более твердую поверхность (к примеру, мягкий палец трется о твердую плоскость). Примеры обратных пар трения: скольжение чугунного поршневого кольца по хромированному рабочему зеркалу цилиндра; трение однонаправлено нагруженного вращающегося вала по баббитовому слою, трение внутренней полости шарошки по наружной поверхности посеребренной втулки. В данном случае также недопустима высокая шероховатость более твердой поверхности, которая может вызвать эффект шлифования детали при трении по плите с закрепленной на ней абразивной шкуркой. При обеспечении достаточной степени чистоты твердой поверхности она способствует выглаживанию неровностей более мягкого контртела и более быстрой приработке поверхностей трения. Имеющие место деформации неровностей (выглаживания выступов волн и шероховатостей) более мягкой поверхности, выдавливание материала по краям, скругление острых кромок не только не препятствуют нормальной работе пары трения, но могут рассматриваться как механизмы аккомодации (приспособления) трущихся поверхностей к условиям эксплуатации. Это создает условия для повышения надежности таких пар трения.

В работе [10] отмечается, что «опыт эксплуатации ма­шин, стендовые испытания трущихся деталей и лабораторные иссле­дования показывают, что обратные пары трения более стойки к заеда­нию, а при наличии заедания имеют меньшие повреждения поверхностей» и указывается, что «при испытании со ступенчатым постепенным нагружением хромированных стальных ци­линдрических образцов, трущихся о мягкий стальной диск (прямая па­ра), и образцов, трущихся о хромированный диск (обратная пара), ус­тановлено, что заедание во втором случае происходит при нагрузках в 15 раз больших, чем в первом случае» и далее «износостойкость обратных пар выше, чем прямых в 3 раза при работе в условиях обильной смазки. Ограниченная смазка в сочетании с затрудненностью охлаждения узла трения резко снижает преимущества обратных пар трения перед прямыми».

Дополнительный аргумент в пользу обратных пар трения дает экономический анализ: гораздо легче и дешевле восстановить или заменить небольшую изношенную деталь (например, поршневое кольцо), чем более крупную ответную деталь (гильзу цилиндров).

    При использовании в паре одноименных или различных материалов с близкими значениями твердости оценку их совместимости следует искать из других критериев, поставив в качестве целевой функции – снижение суммарного линейного износа, улучшение условий смазывания, уменьшение потерь на трение, повышение несущей способности пары трения и др. В данном случае мерилом правильности выбранного сочетания материалов служит эксперимент, проведенный в условиях, приближенных к эксплуатационным.

При выборе сочетаний материалов по твердости необходимо помнить следующее: 1) речь идет о тонких поверхностных слоях, твердость которых может существенно отличаться от объемной (и даже подповерхностной) твердости; 2) твердостью поверхностного слоя можно управлять в широких диапазонах различными технологическими методами, например, нанесением твердых или пластичных покрытий; поверхностным пластическим деформированием, термической и химико-термической обработкой и др.; 3) методы и условия для оценки твердости поверхностного слоя следует выбирать грамотно. Наиболее широко используются следующие три методики измерения твердости материалов.

    Твердость по Бриннелю HB определяется методом вдавливания стального шарика при нагрузках 60, 100 или 150 кг. Диаметр шарика выбирается из стандартного ряда: 1,558; 3,175; 5; 7,35, 10; 12,6 мм. Оценка твердости производится в размерности кг/мм2. Недостаток метода – невозможность оценки твердости материалов высокотвердых материалов и покрытий, поэтому метод для испытаний трибоматериалов практически не используется.

    Твердость по Роквеллу определяется методом вдавливания алмазного конуса с углом при вершине 120°. При испытаниях сначала производят начальное внедрение конуса при малых нагрузках. Затем индентор нагружают с усилием 60, 100 или 150 кгс. Соответственно твердость измеряют по шкалам HRA, HRB, HRC. Малые нагрузки выбираются для испытаний хрупких и тонких материалов (зубки буровых долот, листовая сталь и т.д.).

    Микротвердость материала по Виккерсу определяется методом вдавливания алмазной пирамиды с межгранным углом при вершине 136° при помощи стандартного микротвердомера ПМТ-3. Нагрузка на индентор составляет 2...200 г. Выполняется ряд наколов на разных участках образца. Затем оптическим микрометром измеряются две диагонали полученных отпечатков (в микрометрах), усредняют размеры диагонали отпечатков и рассчитывается микротвердость по формуле

кгс/мм2,

где m – масса навески, г; D – средняя диагональ отпечатка, мкм.

    Малые размеры отпечатков, получаемых данным методом позволяют использовать описанную методику для анализа твердости (и градиента твердости) поверхностных слоев, анализа твердости различных фаз композитов, изучения твердости тонких пленок и др. применений. 

    Твердость материала по Виккерсу HVоценивается по приведенной методике при нагрузках на индентор более 1 кг.


Понравилась статья? Добавь ее в закладку (CTRL+D) и не забудь поделиться с друзьями:  



Сейчас читают про: