книги из ГПНТБ / Комбалов, В. С. Влияние шероховатости твердых тел на трение и износ

^ J

К о м б а л о в В. С. Влияние шероховатости твердых тел на трение и износ М., «Наука», 1974.

В книге рассматривается вопрос о существовании равновесной шероховатости на поверхностях трения. Предлагается формула расчета равновесной шеро­ ховатости, основанная на молекулярно-механической теории трения и теории усталостного изнашивания. Предложен новый комплексный критерий оценки шероховатости. Показана аналитическая связь комплексного критерия шерохо­ ватости с площадью касания, коэффициентом трения, интенсивностью изнаши­ вания и контактной жесткостью.

Рассчитана на научных и инженерно-технических работников.

Ответственный редактор доктор технических наук,

профессор И. В. КРАГЕЛЬСКИЙ

ВВЕДЕНИЕ

Долговечность и надежность машин в большой мере обусловлены безотказностью работы их подвижных сочленений. Трудно пере­ числить все факторы, которые обеспечивают правильное функ­ ционирование подвижного сочленения. Общеизвестно, что одним из наиболее ярких показателей, характеризующих нор­ мальный режим его работы, является шероховатость поверхности.

Шероховатость поверхности дает информацию о режиме эксплуатации и об условиях нарушения этого режима, она явля­ ется «зеркалом», отражающим условия эксплуатации. От ше­ роховатости поверхности зависят величина силы трения, изно­ состойкость подвижных сочленений. Кроме того, шероховатость определяет ряд важнейших служебных качеств подвижных и неподвижных сопряжений машин, а именно электропроводность -соединений, газопроницаемость, толщину масляной пленки под­ вижного сопряжения, гидравлическое сопротивление зазора, тангенциальную и нормальную контактную жесткость стыков

имногое другое.

Внастоящее время назначение того или иного вида техноло­ гической обработки поверхности сочленения в основном базиру­ ется на практическом опыте, так как нет надежной связи между геометрическими характеристиками поверхности и эксплуатаци­ онными показателями.

Необходимость написания книги «Влияние шероховатости

раметров шероховатости) оказались недостаточными для изуче­ ния таких важных служебных свойств, как контактная жесткость, электро- и теплопроводность, газопроницаемость, а также для изучения процесса трения и изнашивания. Развитая за послед­ ние годы теория контактирования, трения и изнашивания твер­ дых тел позволяет установить связь между некоторыми пара­ метрами шероховатости поверхности и важнейшими эксплуата­ ционными свойствами. В работе использован комплексный кри­ терий оценки шероховатости, учитывающий форму неровностей и их распределение по высоте.

Полученные расчетные зависимости выявляют влияние шеро­ ховатости на трение и изнашивание и позволяют прогнозировать

3

Глава 1

ВЛИЯНИЕ ШЕРОХОВАТОСТИ ТВЕРДЫХ ТЕЛ НА ТРЕНИЕ И ИЗНАШИВАНИЕ

§ 1. Влияние шероховатости поверхности на трение и изнашивание подвижных сопряжений

Одним из первых И. В. Крагельский [46, 47—49, 54] исследовал влияние шероховатости поверхности на силу трения несмазан­ ных поверхностей. Он экспериментально, а впоследствии и тео­ ретически показал, что при трении без смазки с увеличением степени шероховатости поверхности сила трения уменьшается. Затем в значительном интервале изменения степени шерохова­ тости сила трения остается постоянной, и только при очень гру­ бой обработке поверхности наблюдается небольшое увеличение силы трения.

Далее, подробное исследование трения без смазки и гранич­ ного трения в зависимости от шероховатости поверхности было выполнено С. А. Суховым [95, 96]. Он экспериментально показал, что закономерность, найденная И. В. Крагельским для трения покоя, справедлива и для трения движения. Зависимость силы трения от степени шероховатости изменяется: при малых значе­ ниях параметра Я ск для трения движения наблюдается такая же зависимость, как и для трения покоя, а в области больших зна­ чений параметра Я ск сила трения движения возрастает, в то вре­ мя как при трении покоя она почти не увеличивается. При уве­ личении степени шероховатости поверхности зависимость коэф­ фициента трения от параметра шероховатости Я ск проходит через минимум. Характер изменения коэффициента трения в зависи­

На фиг. 1 приведена зависимость коэффициента трения f от параметра шероховатости Я ск при нагрузках Я = 300 и 600 г для пары сталь — медь (трение без смазки) [95, 96]. По мере утол­ щения слоя смазки глубина минимума уменьшается, а при тол­ щине около десятых долей микрона минимум исчезает. Это объ­ ясняется нивелирующим влиянием слоя смазки.

На фиг. 2 приведена зависимость коэффициента трения f от

5

сила трения скольжения при изменении степени шероховатости поверхностей в достаточно широком интервале также проходит через минимум. Учитывая молекулярно-механическую природу трения, В. А. Кислик [37] приходит к выводу, что «зависимость между коэффициентом трения и степенью шероховатости должна изображаться кривой ^/-образного типа. При до­ статочно чистых поверхностях пара металл — металл образует узлы схватывания за счет тесного молекулярного контакта. При

этом изменение коэффициента трения в этой области будет изо­ бражаться спадающим участком кривой. Дальнейшее увеличе­ ние степени шероховатости приводит к тому, что процесс схваты­ вания не развивается, и взаимодействие поверхностей в этой области происходит за счет механического зацепления микро­ неровностей; коэффициент трения в этом интервале значений па­ раметра шероховатости будет тем больше, чем больше 7?тах. Часть кривой, общая для обеих ветвей у точки минимума, долж­ на отвечать смешанному процессу изнашивания». Подтвержде­ ние этого положения приведено на фиг. 3, где показана зависи­ мость коэффициента трения f от суммарного параметра шерохо­ ватости Е^шах для пар чугун — сталь (/) и бронза — сталь (2). Нужно отметить, что изменение шероховатости сопрягаемых де­ талей приводит к существенной разнице в сопротивляемости

6

Проведенные в дальнейшем исследования влияния шерохова­ тости поверхности на трение и изнашивание сводились к уста­ новлению так называемой оптимальной шероховатости примени­ тельно к конкретным трущимся сопряжениям. Покажем это на некоторых примерах. Исследования по влиянию чистоты меха­ нической обработки поверхности хромированного зеркала цилин­ дра на износ поршневых колец показали, что кривая зависимо­ сти износа поршневого кольца от класса чистоты обработки ци­ линдра имеет минимум. При этом установлено, что наиболь­

V9, что благоприятствует «жизнеспособности» масляной плен­ ки [94].

Исследование по влиянию величины радиального усилия на резиновых манжетах и чистоты поверхности вала на износ со­ пряжения резина — металл, работающих в жидкой среде, пока­ зали, что для наименьшей величины износа оптимальное давле­ ние составляет 0,38—0,42 кг/см1 и чистота обработки поверхно­ сти вала соответствует V9 [40].

Экспериментальная /7-образная зависимость коэффициента трения от степени шероховатости для пары металл — полимер проявляется в большей степени, чем для двух металлических по-, верхностей. По данным [3, 119] увеличение степени шероховато­ сти металлического вала приводит к переходу коэффициента тре­ ния через минимум.

На фиг. 4 представлены экспериментальные данные [136] для пары сталь — капрон (удельное давление 1,5 кг/см2, скорость скольжения 1 м/сек, температура 20—30°С, трение без смазки). Ю. А. Евдокимовым [30] проведены исследования влияния шеро­ ховатости вала из стали 45 как нй износ капронового подшип­

обычному режиму работы пластмассового подшипника в эксплуа­ тационных условиях. Износ вала и подшипника изменялся от 0 до П О х Ю-5 г/км. При одном и том же значении параметра ше­ роховатости износ подшипника больше, чем вала. В данных условиях оптимальной чистотой является обработка по V7 (зна­ чения Rz в пределах от 3,2 до 6,8 мкм), при которой достигается уменьшение износа, снижение коэффициента трения и темпера­ туры. При этом наблюдается сглаживание вершин микронеров­ ностей, увеличение радиусов закругления единичных микронеров­ ностей металлического вала. Исходная шероховатость, близкая

1

к оптимальной, уменьшает износ, температуру на поверхности трения и коэффициент трения. Отметим, что оптимальной шеро­ ховатости соответствует минимум коэффициента трения и ми­ нимум величины износа материалов. Это положение согласует­ ся с исследованиями [5, 29, 35, 74, 76, 136] для пар металл — полимер.

В табл. 2 приведены результаты испытаний [74] анти­ фрикционных свойств и износостойкости образцов из полиамида

масло вязкостью 5,6° ВУ при температуре 50°С).

Из данных табл. 2 следует, что для указанных пар материа­ лов минимальное значение коэффициента трения, а также вели-

Фиг. 5

8

Т а б л и ц а 3

Наименьшая величина линейного износа получена при исти­ рании пластмасс по точеному диску с высотой микронеровностей, соответствующей б-му классу чистоты, при котором Rm&x не пре­ вышает 10 мкм. Как показывает таблица, для более гладкой поверхности (7-й класс чистоты) износ значительно больше, хотя, казалось бы, гладкие поверхности должны меньше повреждать материал контртела. Так как шероховатость вдоль и поперек штрихов обработки различна, то соответственно износ полимеров при продольном и поперечном перемещении образцов относи­ тельно штрихов обработки, по данным [5], может меняться в не­ сколько раз.

Результаты исследований [3] по определению оптимальной шероховатости металлического вала при трении по полимерам представлены в табл. 4. В ней приведены значения коэффициен­ та трения пар сталь — полимеры в зависимости от степени ше­ роховатости и вида технологической обработки поверхности тре­ ния стального вала. Экспериментальные данные получены при удельной нагрузке 12 /сг/сж2, скорости скольжения 0,24 ж/се/с и температуре 40—50°С (трение без смазки). Каждая серия образ-

10