Машина трения
Введение
Трение является важнейшим видом
вредного сопротивления; в то же время на действие сил трения основан ряд
важнейших технологических процессов и работы механизмов: процессы прокатки,
дробления, торможения автомобиля, сцепления шины с дорогой, трение в механизме
сцепления, работа фрикционов, ременные передачи и т.д. Являясь неизбежным
спутником всякого движения, а следовательно и работы машины, трение иногда
достигает весьма большой величины; например, при прокатке около 50% все энергии
двигателя затрачивается на преодоление трения.
Работа, развиваемая силами
трения, отчасти превращается в теплоту, отчасти затрачивается на истирание
твердых трущихс поверхностей; при этом появлятся колебания, звук (скрип
тормозов, свисит шин при резком торможении и т.д.), а также электрически
заряды.
Повышение температуры частей
машины всегда нежелательно и даже опасно, так как перегрев может привести к
самовозгоранию смазки, заеданию и поломкам частей машины: с повышением
температуры металлы теряют в большей или меньшей степени свою прочность.
В современном машиностроении
особенно важное значение имеет трение скольжение, в частности трение цапф в
подшипниках, а также трение в зубчатых передачах.
Трение скольжение вызывается:
) Механическим сопротивлением
выступающих бугорков, всегда имеющихся на скользящих поверхностях;
) Молекулярным воздействием;
последнее невозможно без тесного контакта трущихся поверхностей, при этом
неизбежен срыв бугорков. Поэтому все явление имеет двойственный характер
упругопластических деформаций, сопровождающихся рядом других явлений. В
настоящие время принята молекулярна-механическая теория трения покоя,
разработанная советсякими учеными (статья И. В. Крагельского). Физическая
сторона трения скольжения в движении разработана сравнительно меньше.
Больший интерес представляет
новая энергетическая теория А.Д. Дубина; он отмечает, что нельзя правильно
оценить и раскрыть природу трения и износа на основе одних только общих законов
классической механики и считает , что трение есть процесс возбуждения атомов и
атомной решетки поверхностного слоя в результате передачи энергии от одного
тела к другому.
Трение и износ - весьма сложное
явление физического, механического и химического характера, в настоящее время
еще не достаточно изученные.
В машинах следует различать два
основных вида трения скольжения: трение сухое и трение жидкостное;
промежуточные виды трения скольжения: полусухое, являющееся разновидностью
первого, и полужидкостное - разновидностью второго.
При сухом трении вследствие
неизбежной шероховатости скользящих поверхностей тверждых тел происходят
задевание, деформации (упругие и пластические) и срыв выступающих буртиков.
Нормальные реакции в точках соприкосновения можно разложить на вертикальные
составляющие и горизонтальные; очевидно, есть сила, сжимающая (по вертикали)
тела, есть сопротивление, вызываемое трением, действующее на каждое из трущихся
тел против его относительного перемещения.
При отсутствии относительного
движения сила трения, точнее - сила сцепления, действует на тело противоположно
направлению того относительного движения, которое имело бы тело, если бы трения
(сцепления) не было.
При сухом трении неизбежно
нагревание трущихся тел и их изнашивание, состоящее отчасти в срыве бугорков,
отчасти в деформациях и других более сложных явлениях молекулярного характера;
повышение температуры при трении может довести вкладыши коленчатого вала из
твердого состояния в расплавленное.
Жидкостное трение имеет совсем
другой характер: при нем твердые трущиеся поверхности тел полностью отделены одна
от другой сплошным слоем смазки (жидкости или газа) такой толщины, что даже
самые высокие богорки этих поверхностей не соприкасаются или почти не
соприкасаются. Поэтому силами трения в этом случае являются главным образом
силы сопротивления сдвигу внутри самой жидкости, обладающей определенной
вязкостью, а износ твердых поверхностей теоретически полностью исключен.
таким образом, назначение
смазки состоит в разъединении твердых трущихся поверхностей, в устранении
непосредственного контакта между ними, неизбежно ведущего при относительном
движении их к изнашиванию.
Полусухое трение получается при
наличии тонкого смазочного слоя, когда значительная часть бугорков твердых
трущихся поверхностей еще соприкасаются, деформируются и срезается; поэтому для
этого трения можно считать достаточно правильными законы Кулона.
Полужидкосное трение получается
при недостаточное толщине слоя смазки, когда соприкасаются лишь немногие,
наиболее выступающие бугорки твердых поверхностей; в этом случае можно
пользоваться с достаточным приближением законами жидкостного трения. Однако
провести резкую границу между полусухим и полужидкостным трением нельзя, так
как оба происходят при неполной смазке: в первом случае - при преобладании
контакта твердых поверхностей, во втором - при преобладании слоя смазки,
прерываемого лишь в отдельных точках особенно выступающих бугорками. Обычно
полусухое трение получается при малых скоростях, в особенности при пуске машины
в начале ее движения, а полужидкостное - при неправильной или недостаточной смазке,
в качающихся цапфах, а также при неправильной эксплуатации, например при
перегрузке цапфы, и т.д. В технике оба основных вида дрения (сухое и
жидкостное) встречаются весьма часто; сухое трение - в фрикционных и ременных
передачах, в тормозах, при прокатке и дроблении, при движении шины по дороге и
т.д.; жидкостное трение - в хорошо смазываемых цапфах, пятах, ползынах и т.д.
В большенстве современных машин
имеет место трение полужидкостное или полусухое, поэтому ближайшей задачей
является переход на жидкостное трение, без износа трущихся поверхностей.
Износ частей машин - явление
черезвычайно вредное. Износ можно определить как нежелательный результат
процесса изнашивания пи наличии трения. В основном износ заключается в
поверхностном разрушении трущихся твердых тел под влиянием касательных сил
трения, что сопровождается перенапряжением поверхностных слоев трущихся тел
выше предела текучести или предела прочности, скалывание мельчайших частиц,
пластическими деформациями и другими явлениями физического и химического
характера. Величина износа характеризуется толщиной стертого слоя металла.
) Коррозионный (под коррозией
понимается физикохимический процесс разрушения металла под воздействием
окрыжающей среды);
) осповидный (выкрашивание),
преимущественно при качении;
) окислительный;
) тепловой;
) абразивный.
Работа любой машины неизбежно
сопровождается трением при относительном движении ее частей, поэтому полностью
устранить износ невозможно; величина же износа при непосредственном контакте
поверхностей прямо пропорциональна работе сил трения. Адразивный износ частично
вызывается действием пыли и грязи, поэтому очень важно содержать машину в
чистоте, особенно ее трущиеся части, важно также, что бы работа машины была
спокойной (безударной).
При ударной нагрузке
сопротивляемость металла износу определяется не только прочностью и твердостью
поверхности, но она зависит также от его вязкости. так отбеленный чугун,
твердость которого примерно вдвое выше твердости марганцевой стали,
изнашивается в дробилках примерно 5-7 раз бастрее последней из-за отсутствия
необходимой вязкости.
Зависимость срока службы от
условий работы машины наглядно илюстрируется следующим примером: в то время как
вал стационарной паровой турбины может работать до 15 млрд. оборото, ось
паровоза может выдержать лишь 400 мин. оборотов, ее срок службы почти в 40 раз
меньше.
Таким образом, под изнашиванием
следует понимать неизбежный и вредный процесс изменения формы и размеров частей
машин и сооружений по действием главным образом сил трения и других тесно
связаных с ним факторов.
Обромное большинство деталей
машин выходят из строя именно в следствии износа. Поэтому уменьшение трения и
износа даже на 5-10% даст огромную экономию, что имеет исключительное значение.
Для борьбы с износом и трением
заменяют одни металлы другими, более устойчивими, применяют термическую и
химическую обраотку трущихся поверхностей, точную механическую обработку, а
также заменяют металлы различтыми заменителями (пластмассами, древесиной
специальной обработки и т.п.), изменяют конструкцию, улучшают смазку и вводят
новые виды ее и т.д.
В машинах стремятся не
допускать непосредственного трения скольжения твердых поверхностей, для чего
или разделяют их слоем смазки (жидкостное трение), или же вводят между ними
добавочные элементы качения (шариковые и роликовые подшипники), к перемещению
грузов на катках и колесах и т.п.
Основное правило
конструирования трушихся деталей машин состоит в том, что более дорогой и
трудно заменяемый элемент трущейся пары (вал) изготовляют из более твердого и
более износоустойчивого материала, обычно из твердой стали, а более простые,
дешевые и легко сменяемый части (вкладыши подшипнико) изготовляют из
сравнительно мягкого материала с небольшим коэффициентом трения, обычно из
бронзы, бабита, специальных сортов чугуна и т.п.
Кроме физического износа,
машина подвержена также старению; при этом стареет ее конструкиця и машина
становится невыгодной технически и экономически по сравнению с новыми, более
совершенными по конструкции и работе.
1. Конструкция и применение
машины
Изобретение относится к области
трибологических испытаний, а именно к устройствам для испытания материалов и
смазочных сред при динамическом управлении параметрами нагружения и
реверсивного движения на малых скоростях относительного перемещения. Машина
трения содержит основание, установленные на нем держатель контробразца, каретку
горизонтального перемещения и держатель испытуемого образца, совершающие
движение от возвратно-поступательного привода, нагружающее устройство и привод
нагружения. Машина трения снабжена кареткой вертикального перемещения,
установленной на каретке горизонтального перемещения, с закрепленным на ней
держателем образца, уравновешивающим устройством, связанным с кареткой
вертикального перемещения, управляющим компьютером, согласующим устройством,
блоком управления приводом возвратно-поступательного движения, блоком
управления приводом нагружения, измерителем силы нагружения, усилителем
аналогового сигнала и аналого-цифровым преобразователем.
Технический результат
заключается в расширении функциональных возможностей машины трения, повышении
точности и достоверности трибологических испытаний. 2 з.п. ф-лы, 1 ил.
Изобретение относится к области трибологических
испытаний, а именно к устройствам для испытания материалов и смазочных сред при
динамическом нагружении и реверсивном движении при малых скоростях
относительного перемещения.
Известна машина трения (А.с. №624141, кл. МКИ2
G 01 N 3/56, 1977, БИ №34, "Машина трения"), содержащая основание, на
котором размещен держатель контробразца, подвижную каретку с закрепленным на
ней держателем образца, нагружающее устройство и привод
возвратно-поступательного движения каретки.
Кинематическая схема
реверсивный машина трение
трибологический
Методы испытаний
Задачей изобретения является расширение
функциональных возможностей машины трения, повышение точности и достоверности
трибологических испытаний.
Поставленная задача решается тем, что машина
трения, содержащая основание, установленные на нем держатель контробразца,
каретку горизонтального перемещения и держатель испытуемого образца,
совершающие движение от возвратно-поступательного привода, нагружающее
устройство, привод нагружения, снабжена кареткой вертикального перемещения,
установленной в направляющих на каретке горизонтального перемещения и
обеспечивающей движение установленного на ней держателя образца в плоскости,
перпендикулярной плоскости контробразца, уравновешивающим устройством, управляющим
компьютером, согласующим устройством, блоком управления приводом
возвратно-поступательного движения, блоком управления приводом нагружения,
измерителем силы нагружения, усилителем аналогового сигнала и аналого-цифровым
преобразователем.
Задача повышения точности измерения нагружающей
силы за счет исключения влияния веса каретки вертикального перемещения и
держателя с образцом на результаты измерения решается тем, что машина трения
снабжена уравновешивающим устройством состоящем из противовеса, соединенного с
кареткой вертикального перемещения при помощи гибкого элемента, проходящего
через ролик, закрепленный на каретке горизонтального перемещения. Масса
противовеса подобрана из условия превышения массы каретки вертикального
перемещения и держателя с образцом. Действие противовеса обеспечивает
предварительное поджатие нагружающей пружины и измерителя силы нагружения, для
смещения нулевой точки отсчета измерителя из зоны значений, близких к нулю, что
позволяет повысить точность регистрации силы нагружения в области малых
значений.
Взаимодействие уравновешивающего устройства с
кареткой вертикального перемещения создает условия, при которых эффективная
работа привода нагружения и нагружающего устройства машины трения не зависит от
толщины контробразца, что позволяет применять в качестве контробразцов
поверхности реальных деталей.
Задача повышения достоверности испытаний путем
регистрации мгновенных значений действующей силы нагружения достигается тем,
что машина трения снабжена измерителем силы нагружения, выполненного в виде
тензометрического датчика силы, жестко закрепленного на каретке вертикального
перемещения, передающего сигнал, пропорциональный действующей силе на усилитель
аналогового сигнала, с выхода которого поступает в аналого-цифровой
преобразователь и далее в цифровом виде поступает через согласующее устройство
на управляющий компьютер, который обрабатывает поступающие данные в
соответствии с программой управления. Нагружение испытуемого образца
производится приводом, установленным на каретке горизонтального перемещения и
связанным с кареткой вертикального перемещения при помощи узла нагружения,
выполненного в виде стакана и расположенной внутри пружины, одним концом
упирающейся в дно стакана, а другим в измеритель силы нагружения.
Задача расширения функциональных возможностей
путем реализации динамического управления параметрами движения и нагружения
испытуемого образца решается тем, что машина трения снабжена управляющим
компьютером, согласующим устройством, блоком управления приводом возвратно-поступательного
движения, блоком управления приводом нагружения. Программа управления процессом
испытания функционирует на управляющем компьютере и осуществляет управление
приводами машины трения путем передачи импульсов управления через согласующее
устройство (интерфейсную плату, установленную на системной шине компьютера) к
блокам управления приводами движения и нагружения, которые управляют
электродвигателями соответствующих приводов.
Применение в конструкции машины трения двух
кареток, перемещающихся во взаимно перпендикулярных направлениях,
горизонтальном и вертикальном, приводимых в движение независимыми приводами, а
также использование единой системы управления приводами машины трения позволяет
реализовать более сложные режимы проведения испытания образцов, позволяет
избежать временного рассогласования приводов при длительных циклических
испытаниях, обеспечивает динамическое регулирование параметров движения и
нагружения (по амплитуде, по частоте, по времени, по количеству циклов движения
или нагружения и т.д.).
Устройство работает следующим образом.
Перед началом испытания машина трения находится
в исходном состоянии.
Каретка горизонтального перемещения 4 находится
в крайнем правом (или левом) положении держателя образца 2.
Гайка 17 привода нагружения отведена в крайнее
верхнее положение, каретка вертикального перемещения 5 с установленным на ней
держателем образца 6 под действием противовеса 11 максимально подняты над
поверхностью держателя образца 2, обеспечивая свободный доступ для установки
образцов.
Производится установка образцов 3 и 7 в
соответствующих держателях 2 и 6.
Дальнейшая работа машины трения осуществляется в
автоматическом режиме в соответствии с алгоритмом испытания, обеспечение
которого возлагается на программу управления, функционирующую на компьютере 21.
Первым шагом алгоритма испытания является
тарировка измерителя силы нагружения 12, которая производится перед каждым
испытанием для исключения влияния веса образца 7 на результаты измерения и
заключается в определении нулевой точки отсчета измерителя силы нагружения 12.
Вторым шагом алгоритма испытания является
приведение образцов 3 и 7 в контакт и установка силы нагружения, для чего
компьютер 21 формирует и передает через интерфейсную плату 22 сигналы
управления модулю управления 26, обеспечивающему работу двигателя 15. Двигатель
15 вращает винт 16, передвигая гайку 17 и стакан 13 вниз, сжимает пружину 16,
при этом каретка 5 движется вниз до контакта образцов 3 и 7.
Дальнейшее движение гайки 19 вниз будет
приводить к сжатию пружины 14 и возрастанию силы нагружения приведенных в
контакт образцов 3 и 7.
Изменение силы нагружения фиксируется
тензометрическим измерителем силы 12, аналоговый сигнал с которого поступает на
усилитель 24, преобразуется аналого-цифровым преобразователем 23 и поступает в
цифровом виде через согласующее устройство 22 в управляющий компьютер 21, на
котором функционирует программа управления экспериментом.
Далее программным путем осуществляется анализ
достигнутого значения нагружающей силы и производится либо дальнейшее движение
гайки 19 вниз для увеличения нагружающей силы либо вверх для уменьшения
нагрузки.
В дальнейшем в соответствии с алгоритмом
испытания производится управление двигателями 18 и 15, соответственно
производится регулирование параметров возвратно-поступательного движения и
величины нагружающей силы.
После окончания программы испытания производится
возврат рабочих органов машины трения в исходное состояние.
Достоинства(недостатки)
К недостаткам известной машины трения можно
отнести: переменную скорость относительного движения образцов в одном цикле
испытания, регулирование амплитуды возвратно-поступательного движения при
помощи эксцентрикового привода движения, регулирование уровня нагружения
образцов в пределах одного цикла путем применения системы сменных копиров,
отсутствие системы непрерывного контроля нагрузки в ходе испытания.
Соответственно, возникают существенные проблемы эксплуатации машины трения,
связанные с постоянной переналадкой ее узлов и агрегатов.
Наиболее близкой по технической сущности
является машина трения (А.с. №222157, кл. МКИ2 G 01 N 3/56, 1966, БИ
№22, "Стенд для испытания износостойкости обивочных материалов транспортных
сидений"), содержащая основание, установленные на нем держатель
контробразца, подвижную в горизонтальном направлении каретку и держатель
испытуемого образца, совершающие движение от возвратно-поступательного привода,
узел нагружения и привод нагружения.
Недостатком конструкции машины-прототипа
является применение кривошипно-шатунного механизма для организации
возвратно-поступательного движения, что исключает возможность регулирования
амплитуды горизонтальных перемещений в ходе испытания и создает переменную (за
один цикл) скорость относительного перемещения образцов. Отмеченные особенности
ограничивают функциональные возможности машины трения и не позволяют
реализовать более сложные алгоритмы управления параметрами движения образцов.
Недостатком конструкции машины-прототипа при
регулировании нагружающей силы образцов является применение эксцентрикового
механизма привода, что обеспечивает регулирование частоты приложения нагрузки в
процессе испытания, но не позволяет регулировать ее величину (амплитуду) без остановки
и перенастройки машины трения.
Недостатком конструкции машины-прототипа
является низкая точность воспроизведения нагружающей силы от величины
перемещения, что обусловлено наличием автономных систем управления приводами
движения и нагружения.
Дополнительно с этим существенным недостатком
машины трения является отсутствие системы измерения нагрузки, что не позволяет
производить контроль нагружающей силы в ходе проведения испытания.
Схемы узлов
На чертеже схематически представлена машина
трения.
Машина трения содержит основание 1, держатель 2
плоского образца 3, каретку горизонтального перемещения 4, размещенную в
линейных направляющих (на чертеже не показаны), установленных на основании 1,
каретку вертикального перемещения 5 с держателем 6 образца 7, размещенную в
линейных направляющих (на чертеже не показаны), установленных на каретке 4,
уравновешивающее устройство, включающее гибкий элемент 8, ролик 9, закрепленный
на оси 10 каретки 4, противовес 11; измеритель силы нагружения 12, выполненный
в виде тензометрического датчика силы; нагружающее устройство, включающее
стакан 13, внутри которого находится пружина 14, упирающаяся одним концом в дно
стакана 13, а другим в измеритель силы нагружения 12; привод нагружения,
размещенный на каретке горизонтального перемещения 4, включающий
электродвигатель 15, ходовой винт 16, гайку 17, жестко связанную со стаканом 13
нагружающего устройства; привод возвратно-поступательного перемещения,
установленный на основании 1, включающий электродвигатель 18, ходовой винт 19,
гайку 20, жестко связанную с кареткой горизонтального перемещения 4;
управляющий компьютер 21 (ПК), согласующее устройство 22 (СУ), аналого-цифровой
преобразователь 23 (АЦП), усилитель аналогового сигнала 24 (У), блок управления
25 (БУ1) приводом возвратно-поступательного движения, блок управления 26 (БУ2)
приводом нагружения.
Согласующее устройство 22 (СУ) обеспечивает
необходимое количество каналов ввода-вывода для подключения внешних устройств и
выполняет функции согласования уровней входных сигналов, поступающих в
управляющий компьютер с АЦП, а также выходных сигналов, поступающих из
управляющего компьютера на блоки управления приводами машины трения БУ1 и БУ2.
В нашем конкретном устройстве применили
следующие компоненты: управляющий компьютер класса Pentium; согласующее
устройство выполнено в виде интерфейсной платы, устанавливаемой на системной
шине компьютера управления, построенной на микросхеме портов ввода-вывода
КР580ВВ55А, имеющей 24 канала программного ввода вывода; для измерения нагрузки
применили тензометрический датчик FSG 15N1 фирмы Honeywell, усилитель
аналогового сигнала RL-4DA200 фирмы RealLab и АЦП типа Ф7077/1; в системе
управления применили двигатели AEG S026/48 и модули управления Ml06 немецкой
фирмы Kemo electronic.
Формула изобретения
. Машина трения, содержащая основание,
установленные на нем держатель контробразца, каретку горизонтального
перемещения и держатель испытуемого образца, совершающие движение от
возвратно-поступательного привода, нагружающее устройство и привод нагружения,
отличающаяся тем, что она снабжена кареткой вертикального перемещения,
установленной на каретке горизонтального перемещения с закрепленным на ней
держателем образца, уравновешивающим устройством, связанным с кареткой
вертикального перемещения, управляющим компьютером, согласующим устройством,
блоком управления приводом возвратно-поступательного движения, блоком
управления приводом нагружения, измерителем силы нагружения, усилителем
аналогового сигнала и аналого-цифровым преобразователем.
. Машина трения по п.1, отличающаяся тем, что
уравновешивающее устройство выполнено в виде противовеса, соединенного с
кареткой вертикального перемещения при помощи гибкого элемента, проходящего
через ролик, закрепленный на каретке горизонтального перемещения.
. Машина трения по п.2, отличающаяся тем, что
масса противовеса превышает вес каретки вертикального перемещения и держателя с
образцом в 1,1-1,2 раза.
Вывод
Испытания на машинах трения обеспечивают
достаточно точное установление результатов.
1. Основы трибологии (трение,
износ, смазка)/ А. В. Чичинадзе, Э. Д. Браун, Н. А. Буше и др.; Под общ. ред.
А. В. Чичинадзе: Учебник для технических вузов. - 2- изд., переработ. и доп. -
М.: Машиностроение, 2001.
. Гаркунов Д. Н.
Триботехника (износ и безызносность): Учебник. - 4-е изд., переработ. и доп. -
М.: "Издательство МСХА", 2001.
. Трибология: Исследования и
приложения: опыт США и стран СНГ/ Под ред. А. В. Белого, К. Лудемы, Н. К.
Мышкина. - М.:Машиностроение; Нью-Йорк: Аллертон Пресс, 1993.
. Силин А. А. Трение и его
роль в развитии техники. - М.: Наука, 1983.