Правила сочетания материалов

Выбора материалов пары трения

Если известны законы изнашивания, то выбор материалов заключается в анализе влияния различных факторов на скорость изнашивания и регламентации физических параметров для получения требуемой износостойкости.

Для того чтобы правильно подобрать материалы для пары трения необходимо следовать некоторым правилам и рекомендациям.

Так, при трении однородных материалов в условиях несовершенной смазки для предотвращения молекулярного схватывания необходимо, чтобы их твердость отличалась не менее, чем на 10 НВ.

Для антифрикционных подшипниковых сплавов широко известно правило Шарли, которое заключается в том, что сплавы должны иметь структуру, состоящую из твердых включений в пластичной массе. Типичными представителями таких сплавов являются баббиты. При определенных условиях это обеспечивает хорошую прирабатываемость материалов и высокую несущую способность.

Большое значение для получения износостойкости имеет образование на поверхности защитных окисных пленок, пленок перенесенного мягкого металла из структурных составляющих, а также нанесение на поверхность твердого материала специальных легкоплавких покрытий менее прочных, чем основной материал.

Принцип разделения материалов трущейся пары вторичными структурами или специальными прослойками один из основных при создании износостойких материалов.

Выбор износостойких материалов нельзя рассматривать в отрыве от смазки поверхностей. Чем надежнее смазка смачивает поверхность трения, тем большую роль в обеспечении износостойкости играют ее свойства. Поэтому применяются специальные методы нанесения рельефа на поверхность трения и специальные структуры материалов, способные удерживать и сохранять смазочный материал. Один из методов обеспечения этих качеств – применение пористых спеченных материалов методами порошковой металлургии. В узлах трения, выполненных из пористых материалов, обеспечивается самосмазывание за счет капилляров, образовавшихся между спекшимися частицами.

Выбор сопряженных материалов для заданных условий работы является сложной задачей и базируется на анализе процессов происходящих в поверхностных слоях трущихся поверхностей. Опыт эксплуатации различных машин позволяет выделить группы типовых сочетаний материалов для различных пар трения. Ниже кратко перечислены основные из них.

Сталь – антифрикционный цветной сплав. Сочетание термообработанной, например, цементированной и закаленной стали в паре с бронзами на основе олова, цинка, алюминия, свинца, а также с баббитами широко применяется для подшипников скольжения различных типов, червячных пар, сопряжений винт–гайка и других ответственных сопряжений.

Сочетания из стали и антифрикционного материала. Сталь по стали, чугун по чугуну часто применяется при сравнительно невысоких скоростях скольжения для таких пар трения как направляющие скольжения станков, пары трения гидросистем, гильзы цилиндра – поршневые кольца двигателей, зубчатые и цепные передачи, диски фрикционных муфт и тормозов, подшипники и направляющие качения.

Металл – полимерный материал. Такое сочетание (обычно в паре со сталью или чугуном) применяется для зубчатых и червячных передач, подшипников и направляющих скольжения, винтовых передач.

В настоящее время пары трения с полимерными материалами чаще применяются для менее ответственных механизмов, при средних нагрузках и в условиях специальных воздействий, например в агрессивных средах (в этом случае в паре с другим полимером).

Специальная сталь – абразивная среда. Специальные хромистые, марганцовистые и другие высокопрочные стали применяются для деталей, работающих в контакте с почвой, породой, потоком газа или жидкости, таких как лемех плуга, звенья гусениц тракторов, зубья ковшей экскаваторов, лопатки турбин.

Сталь или чугун – фрикционный сплав. Для тормозных и других устройств, где требуется обеспечение значительного трения на сопряженных поверхностях, применяется сочетание специальных чугунов или сталей с металлическими, асбокаучуковыми, асбосмоляными и металлокерамическими фрикционными материалами. Применяется также сочетание сталь – серый чугун, например, при работе железнодорожных тормозных колодок. От этих материалов требуется, в первую очередь, высокая теплостойкость.

Сталь – самосмазывающийся материал. Это сочетание применяется для сопряжений типа подшипников скольжения, шарниров и др. с ограниченной внешней смазкой и при относительно небольших скоростях скольжения, когда материал должен обеспечивать подачу смазки (жидкой или твердой) за счет своей структуры. Такими материалами могут являться пористые спеченные псевдосплавы, включающие медь, свинец, графит, а также различные типы пластмасс и металлопластмасс. Применяются также различного рода покрытия в сочетании со специальным рельефом поверхности.

При выборе материалов для узла трения следует придерживаться следующих правил.

1. Сочетать твердый материал с мягким, имеющим температуру рекристаллизации ниже средней температуры поверхности трения при работе. При таком сочетании металлы хорошо противостоят заеданию и характеризуются высокой надежностью. Хорошие результаты дают пары «хром-резина» при смазывании минеральным маслом и водой и «хром-бронза» при использовании пластичных смазочных материалов.

2. Сочетать твердый металл с твердым (сочетание пар из азотированной, хромированной и закаленной стали). Такие пары трения обладают высокой износостойкостью вследствие малого взаимного внедрения их поверхностей. Нанесение приработочных покрытий повышает надежность пар в наиболее опасный период работы – во время приработки. Применение этих пар ограничивается скоростями скольжения. Высокая точность изготовления и сборки, значительная жесткость конструкции, тщательная приработка, улучшение условий смазывания значительно расширяют область применения пар трения из твердых материалов.

3. Избегать сочетаний мягкого материала с мягким (медный сплав по алюминиевому сплаву), а также пар из одноименных материалов (незакаленная сталь по незакаленной стали, алюминиевый сплав по алюминиевому, хром по хрому, никель по никелю, пластмасса по пластмассе). Исключение составляют пары из политетрафторэтилена и полиэтилена. Подобные пары имеют низкую износостойкость и ненадежны в работе. При незначительных перегрузках в парах образуются очаги схватывания, и происходит глубинное вырывание материалов с взаимным их налипанием на поверхности трения.

4. Применять в труднодоступных для смазывания конструкциях пористые, порошковые материалы и антифрикционные сплавы.

5. Применять в качестве фрикционных и антифрикционных материалов пластические пластмассы. В ряде случаев они повышают надежность и срок службы узла трения, снижают массу конструкции и расход дефицитных цветных металлов, уменьшают вибрации и улучшают акустические свойства машин.

6. Стремиться путем выбора материалов пары трения, смазочных материалов и присадок к ним создавать при работе пары условия реализации режима избирательного переноса.

7. Учитывать возможность при эксплуатации наводороживания поверхностей трения и надежность работы узла трения.

8. Стальные детали узлов трения при окончательной доводке их поверхности подвергать финишной антифрикционной безабразивной обработке (ФАБО).

Нам важно ваше мнение! Был ли полезен опубликованный материал? Да | Нет

Источник

Коэффициенты трения покоя и скольжения

Трением называется сопротивление, возникающее при относительном перемещении двух соприкасающихся тел в плоскости их касания. Сила сопротивления, направленная противоположно сдвигающему усилию, называется силой трения. По величине перемещения и зависимости его от приложенной силы различают:
а) силу трения движения,
б) неполную силу трения покоя и
в) полную силу трения покоя, которую обычно называют силой трения покоя.

Сила трения движения соответствует очень большим необратимым относительным перемещениям, величина которых не зависит от приложенной силы. В этом случае последняя в случае равномерного движения уравновешивается силой трения движения.

Неполная сила трения покоя соответствует очень малым частично обратимым перемещениям, величина которых пропорциональна приложенной силе. Величина перемещения, соответствующего неполной силе трения, называется предварительным смещением. Обычно визуально обнаружить предварительное смещение не удаётся, так как оно измеряется микронами. В случае предварительного смещения приложенная сила уравновешивается неполной силой трения, и тело находится в покое. Неполная сила трения зависит от приложенной силы и изменяется с увеличением последней от нуля до некоторого максимального значения, при котором она получает название силы трения покоя. В этом случае предварительное смещение переходит в относительное.

В зависимости от кинематических признаков относительного перемещения различают следующие виды трения:
а) Трение скольжения, при котором одни и те же точки одного тела приходят в соприкосновение всё с новыми и новыми точками другого тела.
б) Трение качения, при котором следующие одна за другой точки одного тела приходят в соприкосновение со следующими одна за другой точками другого тела, причём мгновенная ось вращения одного тела относительно другого проходит через одну из точек касания.
в) Трение верчения, при котором все точки, расположенные в плоскости касания двух тел, описывают концентрические окружности с центром, лежащим на оси верчения.

Трение верчения является разновидностью трения скольжения. Приведённые выше определения характеризуют трение идеальных тел; для реальных деформированных тел касание будет происходить не в точках, а в зонах. Часто один вид трения сопровождается другим: например, качение сопровождается скольжением (качение с проскальзыванием).

По признаку состояния поверхностей трущихся тел в зависимости от смазки различают:
а) Чистое трение, возникающее на фрикционных поверхностях при полном отсутствии на них посторонних примесей (жидкостей и газов в адсорбированном состоянии). br>Практически чистое трение очень трудно осуществимо; оно может быть реализовано лишь в вакууме.
б) Сухое трение, возникающее при отсутствии смазки и загрязнений между поверхностями. Часто его называют трением несмазанных поверхностей. (Термин применять не рекомендуется.)
в) Граничное трение, при котором поверхности разделены слоем смазки настолько незначительной толщины, что он обладает особыми свойствами, отличными от объёмных свойств смазки и зависящими от природы и состояния трущихся поверхностей. Обычные уравнения гидродинамики вязкой жидкости в этом случае неприменимы.
Пограничный слой имеет слоистое строение. Ближе к металлу располагаются более активные молекулы, которые, прикрепляясь своими активными концами к поверхности металла, образуют как бы ворс из молекул смазки.
г) Жидкостное трение, при котором поверхности полностью разделены слоем жидкости, причём внешнее давление вследствие специфичной формы зазора воспринимается слоем вязкой движущейся жидкости.
д) Полусухое трение, смешанное трение, одновременно граничное и сухое.
е) Полужидкостное трение, смешанное трение, одновременно жидкостное и граничное или жидкостное и сухое.

Как указывалось выше, на величину коэфициента трения всякой трущейся пары влияет ряд обычно не учитываемых параметров (давление, шероховатость, размер поверхности, степень загрязнённости и др.). В связи с этим значения коэфициентов трения, предложенные данными таблицами, пригодны лишь для тех частных условий, при которых они были получены. Очевидно, что определённую таким образом величину коэфициента трения нельзя считать неизменной для данной трущейся пары.

КОЭФФИЦИЕНТЫ ТРЕНИЯ ПОКОЯ и СКОЛЬЖЕНИЯ
для ПАР МАТЕРИАЛОВ

Примечание: синим цветом указаны коэффициенты трения скольжения.

КОЭФФИЦИЕНТЫ ТРЕНИЯ ПРИ СЛАБОЙ СМАЗКЕ
ДЛЯ СТАЛЬНОГО ВАЛА ПО ПОДШИПНИКАМ

КОЭФФИЦИЕНТЫ ТРЕНИЯ СКОЛЬЖЕНИЯ ПО СТАЛИ
БРОНЗЫ БрС30 и ПОДШИПНИКОВЫХ ПЛАСТМАСС

* в числителе — значения при смазке минеральным маслом,
в знаменателе — при смазке водой

КОЭФФИЦИЕНТЫ ТРЕНИЯ И ИЗНОСА
КАПРОНА И МЕТАЛЛОВ

КОЭФФИЦИЕНТ ТРЕНИЯ КАЧЕНИЯ
ИЛИ ПЛЕЧО ТРЕНИЯ КАЧЕНИЯ К

ТРЕНИЕ В БОЛТОВЫХ СОЕДИНЕНИЯХ

При расчёте болтовых соединений величину коэфициента трения принимают в пределах от 0,06 до 0,12, иногда до 0,2 — 0,25

КОЭФФИЦИЕНТЫ СКОЛЬЖЕНИЯ
РЕЗИНОВЫХ ШИН АВТОМОБИЛЕЙ

Коэфициенты скользящего трения для резиновых шин по данным Арну: по сухому макадаму — 0,67, по сухому асфальту — 0,71, по сырому асфальту — 0,81 и по мягкой скользкой дороге — 0,07 — 0,17.

Источник