Основы расчета узлов трения

Дата добавления: 2014-06-18 | Просмотров: 1795

По мере развития техники и связанным с ним ужесточением условий эксплуатации, появлением новых материалов и методов упрочнения рабочих поверхностей, требований снижения энерго- и материалоемкости в инженерную практику вводились новые методы расчета деталей машин. На I-ом этапе расчеты

машин и их элементов были связаны с кинематическим анализом взаимоперемещающихся элементов, на II-ом этапе появились расчеты на прочность, жесткость и т.п., на III-м этапе - триботехнические расчеты: на изоносостойкость, заедание и т.п.

Объектами триботехнических расчетов являются любые трибологические системы, т.е. системы, в которых имеют место трение, изнашивание и смазка. К таким техническим системам, являющимися элементами машин, относятся:

1. Узлы трения, т.е. такие сборочные единицы, в которых при функцировании машин
трибологические процессы реализуются между элементами данной машины, образующими так
называемые пары трения (передачи, опоры, уплотнения, муфты, фрикционные устройства, соединения).

2. Системы, образованные элементами машин и внешними по отношению к ним твердыми телами,
жидкими и газовыми средами (режущий инструмент - обрабатываемая деталь, плуг - почва,
трубопровод - перекачиваемая жидкость).

При проведении триботехнических расчетов решающим является следующее: какие именно виды трения, изнашивания и смазки имеют место в рассматриваемых объектах, т.к. это определяет выбор метода расчета. Например, в расчет подшипника качения с эластогидролинамической смазкой и усталостным видом изнашивания.

В основу триботехнических расчетов положен принцип оценки работоспособности по предельным состояниям объекта, к которым относятся:

1. достижение предельного износа;

2. выход значения коэффициента трения за допустимые пределы;

3. толщина смазочного слоя ниже предельно допустимой;

4. температура выше предельно допустимой;

5. возникновение недопустимого локального повреждения рабочих
поверхностей;

6. заедание.

Предельный износ определяется:

- истиранием покрытия или упрочненного слоя;

- увеличением зазора в сопряжении, приводящим к недопустимой вибрации,
шуму или потере прочности;

- уменьшением сечения детали, приводящим к потере прочности;

- недопустимым ослаблением посадок с натягом.

Предельное значение коэффициента трения определяется:

а) наибольшее:

- недопустимыми потерями энергии (снижением КПД);

- недопустимым нагревом в паре трения;

б) наименьшее:

- снижением тормозного или передаваемого момента;

- снижением сцепления в парах колесо-рельс, колесо-дорога.

Предельная толщина смазочного слоя определяется:

- переходом от одного вида смазки к другому;

- повышением износа абразивными частицами, приходящими через нормально
функционирующие фильтры.

Предельная температура определяется:

- разрушением граничных смазочных слоев;

- разупрочнением поверхности детали, приводящему к повышенному износу;

- изменением вида изнашивания.

Недопустимые локальные поверхностей определяется:

- долей номинальной площади поверхностей трения м локальными
повреждениями;

- локальным повреждением покрытия или упрочненного слоя.

Заедание определяется:

- развитием задира;

- прекращением относительного движения деталей;

- недопустимым переносом материала;

- недопустимым изменением микрогеометрии.

В зависимости от вида предельного состояния, приводящего к отказу узла трения, могут приводиться следующие виды триботехнических расчетов:

1. расчет на износ;

2. расчет коэффициента трения;

3. расчет толщины смазочного слоя;

4. расчет температуры;

5. расчет на контактную прочность;

6. расчет на заедание.

Полученные при расчетах характеристики сравниваются с допустимыми, назначенными с учетом коэффициентов запасов. При этом характеристики могут быть как абсолютными (износ, коэффициент трения), так и относительными (относительная износостойкость), определяемыми по отношению к узлам с неизвестными характеристиками.

Помимо перечисленных проводятся расчеты площадей и давлений в контакте поверхностей, что необходимо для выполнения п.п. 1,2,3,4,6.

Расчет фактической площади контакта и фактического давления

При расчете фактического давления принимают следующие допущения:

1. Микронеровности представляют собой сферические сегменты радиуса г, распределенные по высоте в
соответствии с законом распределением, близким к нормальному.

2. При упругом контакте деформация отдельных выступов определяется по формулам Герца.

3. При пластическом контакте среднее нормальное напряжение на пятнах микроконтакта равно
микротвердости Н, которая примерно равна твердости по Бринеллю или Виккерсу.

4. Материалы пары не упрочняются при пластической деформации.
В результате решения для типичных случаев имеем:

- Контакт двух шероховатых поверхностей при упругой деформации микронеровностей

p_r=0.61*(R_a/rθ²)^0.43*p_c^0.14

где θ≈(1/E₁)+(1/E₂)-упругая постоянная.

Денный вид контакта имеет место для металлических поверхностей с R_a< 0,16 мкм или пар металл-

рлимер.

- Пластичный контакт при

p_{c≤ (1/3)*H}

р_r=Н.

При повторном приложении нагрузки без изменения взаимного расположения поверхностей вместо пластичной деформации будет наблюдаться упругая до тех пор, пока нормальная нагрузка N не превышает первоначальную N0

р_r =Н( N/N₀)^1/3

Фактическая площадь контакта рассчитывается по формуле

A_r=N/p_r=A_c*p_c/p_r