Узел трения как объект моделирования в динамике машин

Вибрация, удары, сложные процессы переноса механических возмущений в узлах и механизмах машин являются объектом изучения научной дисциплины, именуемой «Динамика машин». В России основы этой науки в применении к узлам трения заложены такими учеными, как Н.Н. Давиденков, А.С. Ахматов, Д.М. Толстой, К.В. Фролов, В.А. Кудинов и др.

Рассмотрим некоторые основные понятия и термины динамики машин, необходимые для динамического анализа узлов трения.

Понятие «узел трения». В триботехнике принято рассматривать узлы трения как механизмы или составляющие машин, в которых имеет место относительное движение соприкасающихся частей.

Узлами трения являются подшипники скольжения и качения, прямолинейные и цилиндрические направляющие, ползуны, зубчатые, фрикционные механизмы и др.

Понятие «динамическая модель узла трения». Под динамической моделью понимают описание механизма (узла трения), отражающее его динамические свойства и связи с помощью совокупности символов, условных обозначений и аналитических приемов с условием, что динамические воздействия на модель вызывают реакцию, идентичную реальной в узлах трения.

В качестве примера рассмотрим узел ползуна и его динамическую модель. Пусть колебания в направляющих ползуна возбуждает сила P(t), приложенная к подвижной части ползуна, как это показано на рис. 2.1. На рис. 2.1,а приведено упрощенное изображение ползуна, перемещающегося в плоских направляющих скольжения, как одного из характерных механизмов машин: 1 — ползун; 2 — направляющие; 3 — массивная станина; 4 — муфта.

На рис. 2.1,б приведена динамическая двухмассовая модель, описывающая нормальные колебания ползуна, где М₁ и М₂ — соответственно масса ползуна и станины; P(t) — возмущающаяся сила (например, создаваемая работой двигателя); К₁ и К₂ — контактная жесткость в соединениях (К₁ — жесткость направляющих, К₂ — жесткость между станиной и основанием); С₁ и С₂ — характеристики демпфирующей способности стыков.

Как известно, в теории колебаний наиболее распространено описание динамики движения масс уравнениями Лагранжа. Классическим примером такого описания является уравнение линейного осциллятора, представляющего собой одно-

Рис.2.1. Пример построения динамической модели узла трения:

а — схема механизма;

б — динамическая модель механизма

массовую модель механической системы (см. рис. 2.2), возбуждаемой гармонической силой P(t)=Psinwt и совершающей упругие колебания с амплитудой Х(t).

Колебания осциллятора m, вследствие суперпозиции сил при постоянных значениях К и С описываются уравнением колебаний:

, (2.1)

где m — инерционная сила массы, пропорциональная ускорению ; c — демпфирующая сила (неупругое сопротивление), пропорциональная скорости колебаний ; kх — упругая сила (пропорциональная перемещению х); P(t) — возмущающая сила, изменяющаяся по закону синуса.

Отметим, что динамические модели могут быть многомассовыми, но тогда возрастает сложность их математического описания.

В примере с ползуном можно учесть что станина не менее чем в 10 раз массивнее ползуна поэтому ее колебаниями по сравнению с колебаниями ползуна можно пренебречь.

Тогда, уравнение (2.1) позволит описать колебания ползуна m₁, а коэффициенты соответственно будут означать К — контактную жесткость стыка «ползун — станина», а c — коэффициент демпфирования в этом стыке.

Подобным образом моделируют узлы трения, а с целью упрощения описания производят приведение масс.

Например, кузов и раму автомобиля описывают единой массой, также описывают двигатель (большое число узлов трения), шасси и другие крупные компоненты транспортных средств.

В иных случаях, напротив, требуется детальное описание и расчет динамики узла. Например, топливный насос может быть описан как многомассовая система, в которой каждый плунжер может быть представлен отдельной массой.

Дата добавления: 2015-07-06 ; просмотров: 1080 ; ЗАКАЗАТЬ НАПИСАНИЕ РАБОТЫ

Виды трения в узлах машин

1. Виды трения в узлах машин.

2. Модели триботехнических стстем.

ВИДЫ ТРЕНИЯ В УЗЛАХ МАШИН (1 час)

В процессе рaбoты машины в подвижных соединениях всегда нaблюдaется трение.

Трением нaзывaют сoпрoтивление, вoзникaющее при перемещении oднoгo тела по пoверхнoсти другoгo.

Силой трения нaзывaют силу сoпрoтивления, нaпрaвленную прoтивoпoлoжнo сдвигающему усилию.

Виды трения: По характеру относительного движения различают трение сколь­жения и трение качения. Иногда оба вида трения проявляются совместно, когда качение сопровождается проскальзыванием, например, в зубчатых и зубчато-винтовых передачах или между колесами и рельсами.

В зависимости от наличия смазочного материала различают сле­дующие виды трения: трение без смазочного материала и трение со сма­зочным материалом.

1. Трение без смазочного материала

Сухoе трение — трение, вoзникaющее в условиях вaкуумa, кoгдa между пoверхнoстями нет смазки или кaких-либo пoстoрoнних примесей. В практике к условиям сухoгo трения приближается рaбoтa гусеничнoгo соединения нa песчaнoм сухом грунте.

Трение без смазочного материала и при отсутствии загрязнений меж­ду трущимися поверхностями бывает в тормозах, фрикционных переда­чах, а также в узлах машин, работающих в условиях высоких температур, когда любой смазочный материал не при­годен.

Статическая сила трения в зависимости от продолжительности не­подвижного контакта возрастает до некоторого предела.

Сила трения дви­жения зависит от скорости скольжения поверхностей, причем соответ­ственно давлению и твердости сопряженных тел коэффициент трения может монотонно возрастать, убывать, переходить через максимум или минимум.

Трение без смазочного материала сопровождается скачкообразным скольжением поверхностей, с чем связаны, например, вибрация автомо­биля при включении сцепления, «дергание» при торможении, «визг» тор­мозов, вибрация резцов при резании и нарушение плавности работы мед­ленно движущихся деталей. Можно указать некоторые мероприятия борь­бы со «скачками» при трении — увеличение жесткости системы, повы­шение скорости скольжения, подбор пар трения, для которых коэффици­ент трения незначительно возрастает с ростом продолжительности не­подвижного контакта и при повышении скорости через минимум не про­ходит.

Пленки окислов, влага и загрязнения на металлических поверхностях влияют на коэффициент трения двояко. Силы молекулярного притяже­ния между ними могут быть в сотни раз меньше, чем в случае взаимодей­ствия металла на чистом контакте. Кроме того, прочность окислов обыч­но меньше прочности основного металла, поэтому сопротивление «про­пахиванию» и срезанию частиц при перемещении, наряду с силами моле­кулярного взаимодействия, значительно понижается, и коэффициент тре­ния падает. Толстые пленки окислов обладают меньшей твердостью, и наличие их приводит к повышению площади фактического контакта, при­чем, если это возрастание будет протекать быстрее, чем уменьшение ме­ханической составляющей силы трения, то произойдет увеличение силы трения.

2. Трение при граничной смазке

При граничной смазке поверхности сопряженных тел разделены сло­ем смазочного материала весьма малой толщины (от толщины одной молекулы до 0,1 мкм). Наличие граничного слоя или граничной пленки снижает силы трения по сравнению с трением без смазочного материала в 2раз и уменьшает износ сопряженных поверхностей в сотни раз.

Этот вид трения нaблюдaется при недoстaтoчнoй смазке чистo oбрaбoтaнных пoверхнoстей. Например, две пoверхнoсти, oбрaбoтaнные пo спoсoбу притирки, смaзaнные мaслoм, a затем протертые сухой ветошью, будут сoпрягaться в условиях, близких к грaничнoму трению.

Рис.1. Схемы скольжения тел при граничной смазке:

а — смазка идеальных поверхностей; б — контактирование реальных поверхностей; А — участки, воспринимающие нагрузку; Б — участки непосредственного контактирования или контактирова­ния при твердых пленках

Все масла способны адсорбироваться на металлической поверхности.

Молекулы смазочного материала ориентируются перпендикулярно к твердой поверхности (стоймя), что позволяет представить для нагляд­ности граничную планку в виде ворса (рис. 1). При взаимном переме­щении поверхностей трения «ворсинки» как бы изгибаются в противопо­ложные стороны. На самом же деле происходит сдвиг с перекосом ква­зикристаллической структуры пленки. Сопротивление ее скольжению в таком состоянии несколько повышено. На восстановление ориентации молекул в прежнее положение перпендикулярно поверхности тел требу­ется некоторый промежуток времени, иногда относительно большой.

Смазочный материал в граничном слое анизотропен, в танген­циальном направлении молекулярные слои легко изгибаются и при тол­щине слоя больше некоторой критической величины скользят друг по другу; по нормали к твердой поверхности пленка обладает высоким сопротивлением сжатию; ее несущая способность исчисляется десятками тысяч килограммов на 1 см2.

Деформация сжатия пленки в довольно вы­соком интервале не выходит за пределы упругости.

Механизм трения при граничной смазке представляется в следую­щем виде. Под нагрузкой протекает упругая и пластическая деформации на площадках контакта, под которыми здесь следует понимать площадки наиболее близкого прилегания поверхностей, покрытых граничной плен­кой смазочного материала, вплоть до мономолекулярного слоя. На пло­щадках контакта может произойти взаимное внедрение поверхностей без нарушения целостности смазочной пленки.

Сопротивление движению при скольжении складывается из сопротивления сдвигу граничного слоя и сопротивления «пропахиванию» поверхностей внедрившимися объема­ми. Кроме того, на площадках контакта, подвергнутых наиболее значи­тельной пластической деформации, и в пунктах с высокими местными температурами может произойти разрушение смазочной пленки с наступ­лением адгезии обнажившихся поверхностей и даже схватывание метал­лов на микроучастках Б (см. рис.1). Это вызывает дополнительное со­противление движению.

Благодаря подвижности молекул смазочного материала на по­верхности трения адсорбция протекает с большой скоростью, что сооб­щает смазочной пленке свойство «самозалечиваться» при местных ее пов­реждениях. Эта способность играет большую роль в предупреждении лавинного процесса схватывания.

Невозобновляемая граничная пленка по мере возрастания пути тре­ния изнашивается, масло из пленки адсорбируется на продукты износа и уносится с поверхности трения; происходит сублимация пленки как твер­дого тела и удаление масла в атмосферу. Окисление пленки способствует дезориентации структуры и разрушению ее.

Пoлусухoе трение — смешaннoе, при кoтoрoм одни участки пoверхнoсти нaхoдятся в условиях грaничнoгo, a другие — в условиях сухoгo трения.

При трении с гра­ничной смазкой износ деталей машин велик. В силу волнистости и шеро­ховатости поверхностей их контактирование происходит на очень малых участках трения; контактные давления имеют высокие значения, и тон­кая граничная пленка масла не предохраняет поверхности от пластичес­кой деформации, что неизбежно ведет к износу деталей. Это является непреодолимым недостатком граничной смазки.

3. Жидкостная, вязкопластическая и контактно-гидродинамическая смазка

Жидкостная смазка характеризуется тем, что трущиеся поверхности разделены слоем жидкого смазочного материала (масла), находящегося под давлением. Давление смазочного материала уравновешивает внеш­нюю нагрузку. Слой смазочного материала называют несущим слоем. При увеличении его толщины, более толщины граничной пленки, уменьша­ется степень влияния твердой поверхности на далеко отстоящие от нее молекулы масла. Слои, находящиеся на расстоянии более 0,5 мкм от по­верхности, приобретают возможность свободно перемещаться один от­носительно другого. При жидкостной смазке сопротивление движению определяется внутренним трением (вязкостью) жидкости и складывается из сопротивления скольжению слоев масла по толщине смазочной про­слойки.

Жидкoстнoе трение нaблюдaется в сопряжении «вал — подшипник скольжения» при устaнoвившемся движении и в том случае, кoгдa нет переменных нaгрузoк.

Этот режим трения со свойственными ему весьма малыми коэф­фициентами трения является оптимальным для узла трения с точки зре­ния потерь энергии, долговечности и износостойкости. Сила трения при жидкостной смазке не зависит от природы сопрягаемых поверхностей.

Рис. 2. Схематический разрез металли­ческой поверхности и слоя жидкого сма­зочного материала:

1— исходная структура металла; 2 — крис­таллы, деформированные в направлении об­работки; 3 — раздробленные размазанные кристаллы, окислы и адсорбированное мас­ло; 4 — адсорбированный монослой масла; 5 — граничный слой масла; б — зона микро­турбулентности; 7 — ламинарный поток

Рис. 3. СМАЗКА. a — условия граничного трения; б — условия жидкостного трения.

Коэффициент жидкостного трения находится в пределах 0,003-0,03, что в 50-100 раз меньше, чем при трении без смазки. Сила трения при этом виде смазки зависит только от трения внутренних слоев в смазочном материале.

Пластичные смазочные матери­алы, как и жидкие, могут обеспечить режим трения, исключающий непос­редственный контакт поверхностей и их взаимное внедрение. В отличие от масел, являющихся вязкими жид­костями, пластичные смазочные ма­териалы обладают вязкопластическими свойствами. Поэтому поток такого материала имеет свои особен­ности.

В нем имеются зоны, в которых от­сутствует послойное скольжение, течение в них происходит как в иде­альной пластичной среде; вне этих зон течение вязкое. Возможно, также скольжение смазочного мате­риала относительно стенок подшипника.

При качении цилиндра по плоскости (рис. 4.1) в зонах / и III градиент скорости по высоте отличен от нуля и течение вязкое. В зоне // касательное напряжение меньше предельного напряжения сдвига, взаим­ное послойное перемещение в каждом сечении этой зоны отсутствует, и поток подобен течению пластического тела.

При качении или при качении со скольжением масло втягивается в зону контакта движущимися поверхностями. При некоторых условиях, аналогичных условиям возникновения гидродинамической смазки меж­ду скользящими поверхностями, в масляном слое образуется подъемная сила. Вследствие малой протяженности зоны контакта и больших давле­ний в ней масляный слой имеет толщину того же порядка, что и местные деформации контактирующихся тел. Эти деформации влияют на конфи­гурацию зазора. Задача о распределении давления в слое смазочного ма­териала в зоне контакта упругих тел является контактно-гидродинами­ческой.

Рис. 4.1. Эпюра распределения скоростей в вязкопластичном потоке при качении цилиндра по плоскости: х1, х2 — координаты концов смазочной про­слойки

Рис. 4.2. Форма зазора между контактиру­ющими при качении цилиндрами и ориентировочный график распределения в нем давления масла: 1 — контактирующие поверхности; 2 — мас­ло, 3 — график давления масла; 4 — эллипс распределения давления по Герцу для несма­зываемых поверхностей

На рис. 4.2 представлена примерная форма зазора и ориентировоч­ный график давления для катящихся друг по другу под нагрузкой цилин­дров при наличии между ними разделяющего масляного слоя. Точка А — начало контакта на площадке касания несмазанных цилиндров. Перед контактом в масляном клине возникает давление, которое постепенно повышается и в некоторой области контакта распределяется, как и при трении без смазочного материала. В точке В, лежащей в задней половине контакта, зазор сужается и возникает пик давления. Место расположения пика зависит от нагрузки, вязкости масла, скорости качения и др.

При малой толщине смазочного слоя, не полностью разделяющего контактирующие поверхности, трение зависит от тех же факторов, что и при жидкостной смазке и от свойств материалов.

Механизм формирования масляного клина, несущего нагрузку, в опорном подшипнике скольжения показан на рис. 5. Здесь зазор для большей ясности сильно увеличен. На рис. 5,а вал не движется, и в самой нижней точке шейка вала контактирует с подшипником. Когда начинается вращение, вал вкатывается по поверхности подшипника вверх в условиях граничного трения (рис. 8,б). Когда достигается достаточно большая скорость вращения, под шейку вала втягивается масло, и образуется стабильный масляный клин, который и поддерживает вал, как это показано на рис. 5,в. При этом шейка вала смещается влево, занимая свое равновесное положение.

металлорежущих станков, кузнечно-прессового оборудования, пор­шневых двигателей и других машин.

Четвертую группу можно разделить на две подгруппы. В первую вхо­дят пары трения с длиной хода большей, чем длина направляющих суп­порта (ползуна).

Вторую подгруппу образуют пары, у которых направляющие стани­ны имеют ограниченную длину, суппорт свешивается с них при своем движении. Номинальная площадь контакта пар непостоянна; вследствие этого, а также в связи с изменениями во взаимном положении приложенных и реактивных сил эпюра давлений переменна на участках свешивания. Если суппорт свешивается с направляющих по обе стороны, то в смысле усло­вий изнашивания станина и суппорт меняются местами. Износ направля­ющих станины более равномерен при свешивании суппорта.

Пятую группу образуют цилиндры, поршни и поршневые кольца паровых машин, двигателей внутреннего сгорания и компрессоров, цилиндрические золотники, золотниковые втулки и кольца.

Цилиндры вертикальных паровых машин изнашиваются под действи­ем сил упругости поршневых колец и давления пара. В мертвых точках давление пара наибольшее, скорость скольжения равна нулю, а вблизи мертвой точки мала. В середине хода скорость близка к максимальной, давление пара снижается. Распределение износа по длине хода поршня зависит от того, какой фактор (давление на стенку или скорость) является превалирующим в данных условиях изнашивания. При обычной точнос­ти изготовления и сборки и нормальной эксплуатации больше изнашива­ется средняя часть цилиндра, его рабочая поверхность принимает бочко­образную форму.

Моторесурс двигателей внутреннего сгорания определяется обычно ресур­сом цилиндропоршневой группы, зависящим от износостойкости деталей этой группы. Пыль, попадающая вместе с воздухом в цилиндры, частицы нагара и продукты износа вызывают абразивное разрушение рабочих поверхностей ци­линдров и поршневых колец. Давление газов в цилиндре, а, следовательно, и давление поршневых колец на стенки цилиндра имеет наибольшие значения в верхней его части, где условия смазывания неблагоприятны и поверхности тре­ния имеют повышенную температуру. Поэтому в четырехтактных двигателях и двухтактных с прямоточной продувкой зона наибольшего износа цилиндров находится против газоуплотнительных колец в положении поршня в ВМТ, а наибольший износ — против верхнего кольца.

Иногда обнаруживается еще один максимум износа; он находится в районе первого поршневого кольца в положении НМТ. Бочкообразный износ цилиндров наблюдается в автотракторных двигателях при работе на загрязненном масле, когда абразивные частицы забрасываются на зер­кало цилиндра, и в крупных судовых дизелях при недостаточном коли­честве смазочного материала вследствие конструктивных недоработок смазочной системы.

Шестая группа — винтовые пары. Это, в первую очередь, передача винт — гайка. Среднее давление в паре трения передаточный винт — гайка мало. Распределение износа в радиальном направлении связано с деформацией деталей под нагрузкой, а по длине — с раздачей усилий по виткам гайки и изменениями в раз­даче с течением времени. Достаточ­ные сведения о характере микроиз­менения поверхностей трения от­сутствуют.

К седьмой группе относят зубчато-винтовые передачи.

Рис. 16. Износ боковой поверхности зубьев с увеличенной глубиной фланка: 1 — теоретический контур; 2 — контур изношенной боковой поверхности

Неравномерность износа зубьев цилиндрических прямозубых колес по длине обусловлена неравномерным распределением нагрузки, вызван­ным упругими деформациями валов и колес, упругими смещениями под­шипников и их неравномерной выработкой, несимметричным располо­жением венца относительно ступицы и погрешностями обработки и сбор­ки деталей передачи.

Зуб бокового эвольвентного профиля тоже изнаши­вается неравномерно, в соответствии с различными величинами удель­ной скорости скольжения и сил трения по профилю, а также с по­грешностями его изготовления.

На рис. 16 показан профиль зуба с увеличенной глубиной фланка, скаженный в результате изнашивания. У вершины зуба расположен учас­ток, не участвовавший в зацеплении.

В результате износа зубь­ев радиусы их кривизны могут уменьшиться, отчего в соответствующих участках профиля зуба контактные напряжения становятся выше предела контактной выносливости при достаточном начальном запасе прочности.

В червячных передачах зубья колеса изнашиваются в большей сте­пени, чем витки червяка. Износ сосредоточивается на участках с неблагоприятными условиями смазывания. Эта зона расположена на стороне выхода червяка из зацепления у ножки зуба.

1. Литература: . ТРИБОТЕХНИКА. ИЗНОС И БЕЗЫЗНОСНОСТЬ