Виды трения и износа в машинах

Согласно ГОСТ 27674–88, отдельные виды трения классифицируются по характеру взаимоперемещения трущихся деталей – трение покоя (т.е. при микросмещениях) и трение движения (при макроперемещениях поверхностей). Трение движения в свою очередь подразделяется по характеру движения: трение скольжения, трение качения и трение качения с проскальзыванием. По наличию смазочного материала различают трение без смазки (его часто называют ювенильным) и трение со смазкой, которое в свою очередь подразделяют на гидродинамическое, граничное, полужидкостное (смешанное), эласто-гидродинамическое и гидростатическое.

Трением без смазки называют фрикционное взаимодействие поверхностей, у которых нет каких-либо покрытий или загрязнений, имеющих другие физические свойства, чем основные материалы трущейся пары. К причинам затрат энергии на трение без смазки при скольжении относят механическое зацепление неровностей (шероховатостей) одной трущейся поверхности за неровности другой и силы межмолекулярного притяжения (адгезионные связи). При ювенильном трении скольжения зачастую имеет место явление сваривания трущихся пар – отдельных острых выступов в условиях высоких удельных давлений и значительного выделении тепла, что приводит к сильному износу деталей.

Обозначим через S силу, необходимую для разрушения адгезионных связей, возникающих при сближении материалов деталей до величины порядка 10^-9 м, а через Q – силу, необходимую для деформации микронеровностей при перемещении трущихся поверхностей, тогда полная сила ювенильного трения составит величину

(30)

Для хорошо обработанных поверхностей F _тр » S, поскольку превалируют адгезионные связи, образование и разрыв которых происходят по касательной к поверхностям трения. Для грубо обработанных поверхностей F _тр » Q, т.е. превалируют усилия, связанные с механической деформацией выступов. Таким образом, связь между двумя телами, находящимися в непосредственном контакте, носит адгезионно-механический характер.

Согласно закону сухого трения Амонтона–Кулона, для каждой пары трения в заданных условиях отношение возникающей силы трения F _тр к приложенной нормальной нагрузке Р является величиной постоянной, т.е.

(31)

где f – коэффициент трения, зависящий от вида трущихся материалов и качества обработки их поверхностей (для ювенильных поверхностей он составляет от 0,8 и выше).

Таким образом, трение между скользящими твердыми телами является функцией нормальной нагрузки и не зависит от геометрической площади контакта поверхностей. Кроме этого, закон Кулона постулирует о независимости силы трения от скорости скольжения. Однако современные исследования показали, что при больших относительных скоростях движения (сотни м/с) происходит плавление трущихся материалов и частично образуется жидкостное трение, приводящее к снижению коэффициента трения. С учетом этого в настоящее время принято считать, что сам коэффициент трения не материальная константа, а сложная функция не только от геометрических характеристик и материалов, но и от условий эксплуатации контактирующих пар.

Коэффициент трения при качении примерно на порядок меньше, чем при скольжении ювенильных поверхностей. Это объясняется характером их взаимодействия: в отличие от скольжения адгезионные связи при качении образуются и подвергаются разрыву в нормальном направлении к поверхностям, кроме того, эти процессы происходят только на концах зоны взаимодействия. Потери энергии при нормальном разрыве адгезионных связей в 10…100 раз меньше, чем при тангенциальном, потому во многих случаях применение пар качения оказывается энергетически более выгодным, чем пар скольжения даже при правильной организации смазки.

Жидкостное, или гидродинамическое, трение предполагает наличие между поверхностями трения достаточно толстого слоя жидкого смазочного вещества. Если слой смазки превышает суммарную высоту микронеровностей двух сопряженных поверхностей (не менее 1…3 мкм), то внешнее трение твердых тел переходит во внутреннее трение смазочного слоя. В этом случае поведение жидкости будет подчиняться законам гидродинамики, и поэтому такое трение получило название гидродинамического. Сила трения при жидкостном режиме смазки определяется, согласно закону Ньютона (1687 г.):

(32)

где h – коэффициент динамической вязкости масла; S – площадь соприкосновения трущихся поверхностей; V – относительная скорость перемещения трущихся поверхностей; h – толщина смазочного слоя.

Приравняем правые части уравнений (31) и (32) и получим выражение для “коэффициента жидкостного трения”:

(33)

который в целом не имеет физического смысла, однако даст возможность сравнения возникающих сил трения при различных режимах смазки. Таким образом, “коэффициент жидкостного трения” обычно находится в пределах 0,002…0,01, а сила трения в этом случае определяется лишь внутренним трением слоев смазочного материала и на два порядка меньше, чем при трении без смазки.

При гидродинамическом режиме трения основную роль играют толщина смазочного слоя и его объемные свойства. Смазочные свойства
(см. далее – маслянистость) в данном случае несущественны, поэтому в качестве смазок можно использовать вещества, у которых они практически отсутствуют (например, вода, воздух и др.). При этих условиях величина трения определяется главным образом вязкостью смазки, которая в общем случае является функцией температуры и давления в смазочном слое, скорости и напряжения сдвига, а также времени взаимодействия. С этой точки зрения различают ньютоновские жидкости, т.е. те, которые при данной температуре имеют постоянную вязкость при всех скоростях или напряжениях сдвига, и неньютоновские жидкости, вязкость которых при данной температуре изменяется с изменением градиента скорости сдвига или напряжения сдвига. Следует отметить, что большинство жидких смазочных материалов, применяемых в ДВС, являются ньютоновскими жидкостями (с определенной долей приближения), к неньютоновским жидкостям в основном относятся пластичные смазки.

В гидродинамическом режиме зазор между находящимися в относительном движении поверхностями обеспечивается подъемными гидродинамическими силами, возникающими за счет увлечения смазки в клиновидный зазор между поверхностями. Причем сама толщина смазочного слоя является сложной функцией практически тех же величин, от которых зависит сила трения: вязкости, скорости взаимного перемещения поверхностей, давления и температуры смазочного слоя, а также других характеристик узла трения. Поэтому характер изменения силы трения при работе узла весьма сложен и неоднозначен.

Граничное трение возникает между поверхностями, которые разделяются тонким слоем смазки (явно недостаточным для образования гидродинамического режима, т.е. менее 1 мкм) или пленки с отличающимися от основных материалов свойствами. При этом силы, затрачиваемые на преодоление адгезионных связей и на взаимную деформацию микронеровностей трущихся поверхностей, существенно уменьшаются. Сами пленки могут быть как естественными, так и специально создаваемыми. Разделительную пленку называют граничной. Трение при наличии граничной пленки также называют граничным.

Граничное трение стало изучаться гораздо позднее других видов трения. Лишь в 1885 г. Н.П. Петров высказал предположение, что вблизи твердой поверхности масло может обладать иными свойствами, чем в объеме жидкости вследствие особого расположения молекул. Гораздо позднее было установлено, что создание тончайших пленок, прочно связанных с металлическими поверхностями, обусловлено наличием в смазочном материале поверхностно-активных молекул, способных адсорбироваться на этих поверхностях.

В настоящее время известно, что для обеспечения наименьших потерь энергии на преодоление сил трения пленка, разделяющая поверхности, должна обладать минимальным сопротивлением сдвигу в касательном направлении к поверхностям, а для исключения механического контакта между трущимися поверхностями и уменьшения сил адгезионного взаимодействия между ними – наибольшим сопротивлением сдвигу в нормальном направлении. В практике на металлических поверхностях трения образуются пленки оксидов и веществ, адсорбированных из окружающей среды. Они уже способны снизить коэффициент трения до 0,2…0,8. Однако, поскольку такие естественные граничные пленки обладают неудовлетворительными эксплуатационными свойствами и быстро разрушаются без последующего восстановления, в технике их намеренно образуют введением специальных смазочных веществ, называемых смазочными материалами.

Специально наносимые пленки удерживаются на поверхности трения за счет межмолекулярных физических (адсорбционных) и внутримолекулярных (химических) сил. В первом случае пленки, образующиеся на поверхности твердого тела, называют адсорбированными, во втором – хемосорбированными. Смазочные материалы подбирают так, чтобы одновременно образовывались как адсорбированные, так и хемосорбированные пленки. Физико-химические характеристики пленок в данном случае обусловливают взаимодействие трущихся поверхностей и в первую очередь их износ и величину сил трения.

Установлено, что толщина и прочность граничных слоев зависят от химического состава масла, входящих в него присадок, а также от особенностей химической структуры и состояния поверхностей трения. С другой стороны, поведение граничных слоев не зависит от вязкости, т.е. от “объемной” части масла. Величина же силы трения удовлетворительно определяется по выражению Амонтона–Кулона (31).

Создание смазочных пленок силами адсорбции обусловливается наличием в смазочных материалах поверхностно-активных веществ (ПАВ), несущих электрический заряд. Способность смазочных материалов, содержащих ПАВ, образовывать на смазываемых поверхностях достаточно прочные слои ориентированных молекул обычно называют маслянистостью, или смазывающей способностью.

Адсорбированная на твердой поверхности пленка не только механически разделяет трущиеся поверхности, но и участвует в химическом взаимодействии с этими поверхностями. Присутствие в смазочных материалах серы, хлора, фосфора обусловливает образование на поверхности металла устойчивых химических пленок фосфатов, хлоридов или сульфидов этих металлов – хемосорбированных пленок. Граничные пленки при наличии исходного материала в объеме смазки образуются с большой скоростью, что обеспечивает возможность их быстрого восстановления в местах разрушения граничного слоя. Эта особенность играет большую роль для предотвращения процесса схватывания. Для специально нанесенных граничных пленок коэффициент трения может составлять 0,05…0,4 и менее. В настоящее время разрабатываются материалы, позволяющие снизить коэффициент граничного трения ниже гидродинамического.

Для двигателя внутреннего сгорания важно иметь минимальные внутренние потери на трение. Анализ зависимостей (31) и (32) показывает, что в отличие от сухого и граничного гидродинамическое трение впрямую определяется как площадью взаимодействия, так и скоростью перемещения поверхностей трения. Таким образом, мощность трения, выражаемая произведением скорости на силу трения для граничного трения, будет пропорциональна первой степени скорости, а для гидродинамического – ее квадрату. Для минимизации износа поверхностей необходимо иметь полное разделение поверхностей – т.е. гидродинамический режим трения.

Таким образом, конструирование узлов трения ДВС представляет собой сложную и многогранную задачу оптимизации между ресурсными показателями двигателя и его экономичностью (нужны минимальные внутренние потери). При эксплуатации ДВС могут возникать все три рассмотренные выше виды трения, поэтому основное направление оптимизации можно сформулировать как обеспечение на основных режимах работы двигателя гидродинамического режима трения во всех узлах и работы при граничном трении на особых режимах (пуск, прогрев, останов и т.д.). Переход работы узлов трения в полусухой и сухой режимы (а это возможно при перегрузке узлов трения и выдавливании и испарении смазки с поверхности) крайне нежелателен.

Из оставшихся нерассмотренными видов трения полужидкостное, или смешанное, возникает при переходе от гидродинамического к граничному или сухому виду трения, когда появляются отдельные зоны непосредственного взаимодействия контактирующих материалов. Специального закона трения для данного режима не существует, поэтому коэффициент трения определяют по зависимости

(34)

где x+y = 1, а сами коэффициенты x и y представляют собой вклад отдельных видов трения и зависят от сложившихся условий.

Гидростатический режим трения обеспечивается подачей смазки в узел трения при повышенном давлении при помощи внешних вспомогательных насосов. Гидростатические подшипники применяют при низких скоростях движения и высоких нагрузках (при этом обеспечивается полное разделение поверхностей трения), к примеру в шарнирах и направляющих прокатных станов, гидротурбин, прецизионных станков и т.д. Практического применения в ДВС они не нашли, так как требуют применения дополнительных устройств (насосов).

Эласто-гидродинамический, или контактно-гидродинамический, режим трения реализуется в условиях высоких нагрузок, при которых возможны упругие деформации поверхностей, приводящие к увеличению зоны, несущей нагрузку. Упругие деформации обратимы при снижении нагрузки. В условиях больших нагрузок вязкость сжимаемого в малом зазоре масла возрастает настолько (см. далее о зависимости вязкости от давления), что обеспечивается гидродинамический режим смазки. Математически эти явления связаны между собой уравнениями гидродинамики, состояния капельной жидкости и упругости. В настоящее время существуют лишь приблизительные решения этой сложной системы. В ДВС контакты подобного рода могут иметь место, к примеру, в паре ролик – толкатель в ТНВД дизеля или в зубчатых колесах приводов ГРМ и прочих агрегатов.

Предотвратить износ трущихся поверхностей практически невозможно, и с этим приходится мириться. Износ в большинстве случаев является результатом процессов трения. Минимальная скорость износа наблюдается при гидродинамическом режиме смазке (определяется только наличием в смазке микрочастиц инородных примесей и продуктов износа). По мере перехода к смешанному, граничному и далее к полусухому и сухому видам трения скорость износа увеличивается вплоть до разрушения поверхностей трения.

ГОСТ 27674–88 определяет следующие основные виды износа: механический, коррозионно-механический и при действии электрического тока (электроэрозионное изнашивание).

Механическое изнашивание, возникающее в результате механических воздействий, разделяют на абразивное (в результате режущего или царапающего действия твердых тел или частиц), гидро- и газоабразивное (под воздействием твердых частиц, увлекаемых потоком жидкости или газа), гидро- и газоэрозионное (под действием направленных потоков или струй жидкостей и газов), усталостное (в результате повторяющихся воздействий и деформаций микрообъемов материала поверхностного слоя – микро-трещины), кавитационное (при движении поверхности относительно жидкости, в которой происходит схлопывание микропузырьков газа, что создает местное высокое ударное давление или температуру – каверны), при фреттинге (колебательных микросмещениях поверхностей) и заедании (в результате схватывания и глубинного вырывания металла).

Наиболее опасный для двигателя внутреннего сгорания вид износа – заедание, происходит, когда абразивное изнашивание дополняется воздействием молекулярных или атомных сил в результате перегрузки или локального перегрева в узле трения (к примеру, в паре поршень – втулка цилиндра). В этом случае происходит местное соединение (сваривание) двух твердых тел – адгезионный износ, перенос металла с одной поверхности на другую с глубинным вырыванием металла. На начальной стадии происходит схватывание поверхностей, затем задир (или наволакивание материала одной детали на другую) и заедание деталей. В результате двигатель может полностью потерять способность к выполнению своих функций.

Способность трущихся поверхностей и смазочных материалов сопротивляться возникновению задира определяется их противозадирными свойствами. Важным свойством, обеспечивающим противозадирную стойкость, является способность поверхности аккумулировать некоторое количество масла. Это свойство называют маслоемкостью поверхности. Для повышения маслоемкости, в частности, применяют специальные канавки, нанесение слоя пористого хрома, вибронакатку, электрохимическую обработку, специальные виды финишной обработки поверхностей.

Чрезмерное увеличение чистоты обработки трущихся поверхностей может привести к повышенному износу и схватыванию, так как тщательное выглаживание поверхностей уменьшает их маслоемкость. К примеру, наибольший износ цилиндров двигателя наблюдается вблизи ВМТ, где на трущиеся поверхности воздействуют высокие температуры и давления, приводящие к ухудшению механических свойств материалов, происходит смыв топливом масляной пленки, пониженные скорости относительного перемещения поверхностей приводят к уменьшению гидродинамической подъемной силы и нарушению гидродинамического режима трения, а отложения нагара приводят к повышенному абразивному износу. Поэтому часто применяют плосковершинное хонингование поверхности втулки цилиндра, а поверхность первого поршневого кольца подвергают пористому хромированию.

Коррозионно-механическое изнашивание – окислительное и фреттинг-коррозия – определяют как воздействие на трущиеся поверхности агрессивных веществ (химически активные газы, кислотные примеси) с последующим механическим истиранием поврежденных участков поверхности. Весьма распространенное явление в машинах и механизмах – питтинг, или выкрашивание металла из поверхности трения. В ДВС такие явления наблюдаются, к примеру, на профилях зубчатых колес, толкателях клапанов, кулачковых профилях распределительных валов и т.д. Среди причин подобного износа в двигателях можно выделить локальные высокие повторяющиеся нагрузки (усталостный износ), коррозионное воздействие внешних сред (топливо, масло, газы), а также кавитационный износ и схватывание.

Наряду с нежелательным износом существует и необходимый контролируемый износ, который имеет место при приработке (обкатке) новых машин. Для этого могут применяться специальные масла с “приработочными” свойствами, обеспечиваемыми полярными хлор-, серо- и фторсодержащими присадками. Эти присадки, вступая в реакции с металлом поверхностного слоя, способствуют быстрому и беззадирному сглаживанию излишней шероховатости поверхностей и повышению несущей способности узлов трения.