Реферат Трибология. Основные задачи дисциплины
Работа добавлена на сайт bukvasha.net: 2015-10-28Поможем написать учебную работу
Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
от 25%
Подписываем
договор
Московский государственный технический университет им. Н. Э. Баумана
РЕФЕРАТ
По предмету: «Введение в специальность».
Тема: «Введение в трибологию, основные задачи дисциплины».
Выполнил:
Ст. гр. РК5-11
Лисицын О.Г.
г. Москва, 2001.
СОДЕРЖАНИЕ.
Глава 1.
Историческая справка……………………………………………..2
Современная картина трения……………………………………..3
Глава 2.
2.1 Трение скольжения……………………………………………..4
2.2 Трение качения, жидкостное трение………………………….6
2.3 Фрикционные автоколебания………………………………....7
2.4 Вибрационное сглаживание…………………………………...8
Заключение………………………………………………………….9
Список литературы……………………………………………….11
Глава 1.
1.1 Историческая справка.
Трение может быть полезным и вредным - эту аксиому человек освоил еще на заре цивилизации. Ведь два самых главных изобретения - колесо и добывание огня - связаны именно со стремлением уменьшить и увеличить эффекты трения. Однако понимание природы трения и законов, которым подчиняется это явление, возникло не так уж давно и, к сожалению или к счастью, еще далеко от совершенства.
Талантливый человек во всем талантлив, но лишь немногие гении были гениальны во всем, что бы они ни делали, и, пожалуй, за всю историю человечества только один человек - Леонардо да Винчи заслуживает звания абсолютно универсального гения. Как художник, скульптор и инженер он превосходил своих современников. Как ученый он обогнал свою эпоху на века. Среди бесчисленных научных достижений и первая формулировка законов трения. Он ещё в 1519 утверждал, что сила трения, возникающая при контакте тела с поверхностью другого тела, пропорциональна нагрузке (силе прижима), направлена против направления движения и не зависит от площади контакта. Модель Леонардо да Винчи была переоткрыта через 180 лет Г. Амонтоном и получила окончательную формулировку в работах Ш. О. Кулона (1781). Амонтон и Кулон ввели понятие коэффициента трения как отношения силы трения к нагрузке, придав ему значение физической константы, полностью определяющей силу трения для любой пары контактирующих материалов. До сих пор именно эта формула
Fтр = fтрP,
где P - сила прижатия, а Fтр - сила трения, является единственной формулой, фигурирующей в учебниках по физике, а значения коэффициента трения fтр для различных материалов (сталь по стали, сталь по бронзе, чугун по коже и т.д.) входят в стандартные инженерные справочники и служат базой для традиционных технических расчетов. Однако уже в XIX веке стало ясно, что закон Амонтона-Кулона не дает правильного описания силы трения, а коэффициенты трения отнюдь не являются универсальными характеристиками. Прежде всего, было отмечено, что коэффициенты трения зависят не только от того, какие материалы контактируют, но и от того, насколько гладко обработаны контактирующие поверхности. Выяснилось также, что сила статического трения отличается от силы трения при движении. Чтобы напомнить, что обычно понимается под статическим трением, представим схему простейшего эксперимента. Будем пытаться сдвинуть с места тело потянув за трос с пружинным динамометром. При малом перемещении конца троса тело остается на месте: силы, развиваемой пружиной динамометра, недостаточно. Обычно говорят, что на контактирующих поверхностях развивается сила трения, уравновешивающая приложенную силу. Постепенно увеличиваем перемещение и вместе с ним упругую силу, приложенную к телу. В какой-то момент она оказывается достаточной для того, чтобы стронуть тело с места. Зарегистрированное в этот момент показание динамометра и называют обычно силой статического трения, характеризующего предельные возможности неподвижного (статического) сцепления тел. Если мы будем продолжать медленно вытягивать трос, то тело поедет по поверхности. Оказывается, что регистрируемые в ходе движения показания динамометра будут не такими, как в момент страгивания. Обычно сила трения при медленном движении меньше силы страгивания, статического трения. Кулон изучал именно силу трения при медленном взаимном перемещении контактирующих тел и установил, что эта сила не зависит от величины скорости, а только от направления движения (всегда направлена против движения).
Конец XIX века ознаменовался замечательными достижениями в исследовании вязкости, то есть трения в жидкостях. Наверное, с доисторических времен известно, что смазанные жиром или даже просто смоченные водой поверхности скользят значительно легче. Смазка трущихся поверхностей применялась с момента зарождения техники, но только О. Рейнольдс в 1886 году разработал первую и принципиально на то время новую теорию смазки.
Она заключалась в том, что при наличии достаточно толстого слоя смазки, обеспечивающего отсутствие непосредственного контакта трущихся поверхностей, сила трения определяется только свойствами (гидродинамикой) смазочного слоя. Сила статического трогания равна нулю, а с ростом скорости сила сопротивления движению увеличивается. Если же смазки недостаточно, то действуют все три механизма: сила статического сопротивления страгиванию с места, Кулонова сила и сила вязкого сопротивления. Итак, к концу XIX века выяснилась картина зависимости силы трения от скорости. Но уже на пороге XX века возникло сомнение в правильности этой картины при очень малых скоростях. В 1902 году Штрибек опубликовал данные, свидетельствующие о том, что при отсутствии смазки сила сопротивления не падает сразу с уровня силы трогания до кулоновой силы, а возникает постепенное падение силы с ростом скорости - эффект, противоположный гидродинамической вязкости. Этот факт был многократно перепроверен в дальнейшем и теперь обычно именуется Штрибек-эффектом. Картина зависимости силы трения от скорости приобрела форму, использующуюся до сегодняшнего дня.
Быстро развивавшаяся техника XX века требовала все большего внимания к исследованию трения. В 30-е годы исследования в области трения стали настолько интенсивными, что потребовалось выделить их как специальную науку - трибологию, лежащую на стыке механики, физики поверхностных явлений и химии (создание новых смазочных материалов - дело химиков). Только в США в этой области работают в настоящее время более 1000 исследователей, и в мировой науке ежегодно публикуется более 700 статей.
1.2 Современная картина трения.
ТРИБОЛОГИЯ (от греч. tribos - трение и ...логия) - научная дисциплина, занимающаяся изучением трения и износа узлов машин и механизмов в присутствии смазочных материалов.
Для того чтобы понять хотя бы основы трибологии, следует прежде всего обратиться к топографии поверхностей контактирующих между собой частей реальных механизмов. Эти поверхности никогда не являются идеально плоскими, имеют микронеровности. Места выступов на одной поверхности отнюдь не совпадают с местами выступов на другой. Как образно выразился один из пионеров трибологии, Ф. Боуден, "наложение двух твердых тел одного на другое подобно наложению швейцарских Альп на перевернутые австрийские Альпы - площадь контакта оказывается очень малой". Однако при сжатии остроконечные "горные пики" пластически деформируются и подлинная площадь контакта увеличивается пропорционально приложенной нагрузке. Именно сопротивление относительному сдвигу этих контактных зон и является основным источником трения движения. Само сопротивление сдвигу при идеальном контакте определяется межмолекулярным взаимодействием, зависящим от природы контактирующих материалов.
Таким образом, объясняется влияние двух главных факторов: нагрузки (силы прижатия) и свойств материалов. Однако имеются два осложняющих обстоятельства. Во-первых, металлические поверхности на воздухе быстро покрываются тонкой пленкой окислов и фактически контакт осуществляется не между чисто металлическими поверхностями, а между окисными пленками, имеющими более низкое сопротивление сдвигу. Проникновение же любой жидкой или пастообразной смазки вообще меняет картину контакта. Во-вторых, при относительном сдвиге осуществляется не только скольжение по контактным площадкам, но и упругое деформирование выступов, пиков. Выделим мысленно только два пика (наклон их склонов порядка 10-20). При попытке сдвинуться в горизонтальном направлении один пик начинает прогибать другой, то есть сначала пытается сгладить дорогу, а потом уже скользить по ней. Ширина пиков мала (порядка сотых долей миллиметра), и в пределах таких микросмещений главную роль играет именно упругое сопротивление, то есть сила должна подчиняться закону Гука, быть пропорциональной смещению. Иначе говоря, при микросмещениях контактирующие поверхности оказываются как бы связанными многочисленными пружинками. Но после того как верхний пик в ходе движения перевалит через нижний (причем оба они сплющиваются), пружинка рвется вплоть до встречи с новым препятствием. Таким образом, после приложения продольной силы, стремящейся сдвинуть два тела, могут возникнуть следующие четыре основных режима: режим I упругих микросмещений, режим II скольжения по площадкам контактов мягкого поверхностного слоя (окисных пленок), режим III, когда при большей скорости выдавливаемая жидкая смазка создает подъемную силу, нарушающую большую часть прямых контактов и тем самым снижающую силу трения, режим IV, когда прямые контакты вообще исчезают, одно тело "плывет" над другим по смазочному слою и с увеличением скорости возрастает вязкое сопротивление.
Этим качественным представлениям соответствует график зависимости коэффициента трения от скорости. Заметим, что зона спадания коэффициента трения (зона Штрибек-эффекта) обычно очень мала, порядка 1 мм/с. Если же смазка не вводится искусственно, то увеличение трения с ростом скорости почти незаметно и мы возвращаемся к закону Амонтона-Кулона, за исключением зоны очень малых скоростей на получившемся графике зависимости.
Глава 2.
2.1 Трение скольжения.
Под трением понимают сопротивление, возникающее при перемещении одного тела относительно другого, прижатого к первому. При этом различают трение покоя, скольжения и качения.
Силой трения покоя (Fn) называют сдвиговое усилие, прикладываемое к контактирующим телам, и не вызывающее их взаимного скольжения. При этом взаимное перемещение (Ln) достигается за счет деформации материала выступов шероховатости в зоне контакта и называется предварительным смещением. Оно носит в основном упругий характер и исчезает при снятии сдвигающего усилия. Однако по мере роста сдвигающего усилия предварительное смещение приобретает пластический характер и становится частично необратимым.
Силу трения можно представить в виде произведения удельной силы трения (t) и фактической площади контакта (Аr):
F = tAr. (1)
Под коэффициентом трения понимают отношение силы трения к действующему на контакте нормальному усилию:
m = F/N. (2)
Здесь также различают коэффициенты трения покоя (статический) и скольжения (кинетический).
В зависимости от характера смазочной прослойки различают 4 вида трения: сухое, граничное, гидродинамическое (жидкостное) и смешанное (одновременно имеются элементы сухого, граничного и гидродинамического трения). В первом случае контактируют несмазываемые поверхности, покрытые окисными пленками и тончайшими слоями молекул газов и воды, адсорбированными из окружающей среды. Во втором случае, помимо перечисленных пленок, присутствуют молекулы смазочных материалов в виде тонкого слоя толщиной в несколько молекул, которые прочно связаны с поверхностью. В третьем случае слой жидкой смазки полностью разделяет сопряженные поверхности.
Сухое и граничное трения сходны по своей природе и имеют общие закономерности. Причиной служит то обстоятельство, что при граничном трении мономолекулярные слои смазки прочно связаны с твердой поверхностью, обладают твердообразными свойствами и как бы служат продолжением твердой фазы. Поэтому, как и при сухом трении, фактически имеет место контакт двух твердых поверхностей. Отличие проявляется в разных значениях коэффициента трения. Если при сухом трении он обычно больше 0,2 , то при граничном его величина заключена в интервале 0,05-0,2.
Механизм возникновения трения объясняет молекулярно-механическая теория трения, в разработку которой внесли большой вклад российские ученые (Б.В. Дерягин, И.В. Крагельский и др.) и зарубежные (Боуден, Тейбор, Томлинсон и др.). В соответствии с этой теорией трение имеет двойственную молекулярно-механическую природу. Силу трения можно представить как сумму молекулярной (адгезионной) и механической (деформационной) составляющих:
F = FA + FD . (3)
Молекулярная составляющая обусловлена сопротивлением разрыву молекулярных либо межатомных связей, которые возникают между контактирующими телами. Механизм этого процесса аналогичен описанному в гл. 2 для разрушения кристаллической решетки при сдвиге. Рассеяние работы трения в теплоту связано с упругой деформацией кристаллических решеток. Работа внешней силы переходит в потенциальную энергию решеток. После разрыва связи потенциальная энергия переходит в энергию колебаний атомов - во внутреннюю.
Механическая составляющая вызвана сопротивлением упругому и пластическому оттеснению выступов контактирующих тел, внедрившихся при движении в контроповерхности.
Для измерения силы трения применяют различные трибометры. На них изучают трение образцов в виде дисков, контактирующих торцами; цилиндров, контактирующих по образующей, и т.д. Наиболее простым и часто используемым является трибометр.
На рисунке ниже представлена схема этого устройства.
Образец 1 прикрепляется к пружинному динамометру 3 и прижимается к контртелу 2, приводимому в движение. Динамометр измеряет силу трения. Прибор позволяет исследовать влияние на трение шероховатости поверхностей, материалов пары трения,
Схема трибометра.
2.2 Трение качения.
Если бы колесо, катящееся по основанию, не испытывало проскальзывания, то такое движение было бы чистым качением и путь, проходимый любой точкой поверхности колеса по основанию за один оборот, составлял бы 2pr. Однако качения без проскальзывания не бывает. Колесо и основание испытывают упругие деформации. При этом колесо в зоне контакта сжимается, а основание - растягивается (стрелки на рис. а).
а) б)
Взаимодействия колеса с опорой.
Поэтому на контакте постоянно происходит проскальзывание колеса относительно основания. Это один из источников рассеяния энергии. Другим источником является вязкоупругое поведение материалов основания колеса. Если к оси колеса не приложено тяговое усилие, то дуга контакта симметрична (см. рис. а), и реакция опоры соосна с нормальной нагрузкой. Если приложить тяговое усилие и колесо приходит в движение, то зона контакта искажается (см. рис.б). Материал сзади колеса не успевает восстановить форму. При малых скоростях коэффициент трения качения увеличивается с повышением скорости, а при больших - уменьшается.
Также существует гидродинамическое трение как один из основных видов трения.
Гидродинамическое (жидкостное) трение характеризуется тем, что трущиеся поверхности разделены слоем масла. Минимальная толщина слоя должна быть больше, чем суммарная высота наиболее высоких микронеровностей обеих поверхностей: hmin³ (Rmax1+Rmax2).
2.3 Фрикционные автоколебания.
Проведём самый простой эксперимент. Будем тянуть тело с помощью троса, в который врезана пружина динамометра, и притом потянем за хвостик с постоянной скоростью. Окажется, что само тело не двигается с той же скоростью, а перемещается толчками. И это легко качественно объяснимо с помощью представленной выше картины. Действительно, один конец пружины прикреплен к телу, а второй начинает удаляться. К телу приложена упругая сила пружины, пропорциональная ее растяжению. Вначале эта сила мала и меньше силы упругого сцепления контакта (трения покоя), так что тело стоит на месте, а точнее, испытывает только незаметное микросмещение. При дальнейшем вытягивании сила пружины преодолевает силу контакта и тело начинает скользить по поверхности. Но сила сопротивления скольжению ниже статического трения, и возникает положительная разность сил, разгоняющая тело. Пружина начнет сжиматься, а создаваемая ею упругая сила - уменьшаться, тело тормозится, вновь прилипает к поверхности, и придется затратить еще время, чтобы вновь растянуть пружину для преодоления трения покоя.
Таким образом, движение тела оказывается колебательным, в котором периодически сменяются фазы прилипания и скольжения (по-английски это звучит короче - stick and slip). Такое движение принято называть фрикционными автоколебаниями: фрикционными потому, что они порождены трением (friction), а авто потому, что они не навязаны извне какой-либо внешней колеблющейся силой, а являются внутренним свойством системы. Внешнее воздействие - движение конца троса не является колебательным, трос движется с постоянной скоростью. Конечно, через этот трос мы «подпитываем» тело энергией, поэтому-то колебания являются незатухающими, несмотря на потери энергии в контакте.
Причинами колебаний являются реологические свойства контакта, а также упругие свойства элементов пары трения и их связей с другими деталями. Главным проявлением реологии контакта является рост статической силы трения с увеличением времени неподвижного контакта и скачкообразное падение силы трения при переходе от покоя к движению, а затем падение силы трения с ростом скорости скольжения, вызванное, главным образом, скачком температуры на пятнах контакта. Динамическая модель такой системы изображена на рисунке:
Схема модели фрикционных автоколебаний.
Фрикционные автоколебания - крайне нежелательный эффект в технике. Для многих машин требуется обеспечить плавное, без толчков, медленное движение. Сварочный робот должен плавно вести сварочный аппарат вдоль свариваемого шва: если возникнут колебания, то в одном месте будет перегрев и свариваемые пластины деформируются, а в другом сварка не осуществится вовсе, аппарат его проскочит. А ведь робот - это механизм, в узлах которого обязательно возникает трение. При работе разных механизмов часто возникают колебания, связанные с трением. Они приводят к появлению скрипов, которые проявляются при движении (скрип колес, тормозов, скрип протекторов автомобилей, когда машина идет юзом и др.).
Обрисованная картина указывает и на два главных пути уменьшения трения: улучшить качество обработки поверхностей, чтобы уменьшить пики, а тем самым силу страгивания, или обеспечить возможно лучший доступ смазки и сохранность поверхностного слоя. Это самые важные пути, и они предназначены не только для борьбы за плавность хода, но прежде всего для борьбы с ненужными потерями энергии в скользящих контактах. Поиском эффективных видов смазочных материалов и способов их подвода к скользящим поверхностям занимается большое количество специалистов. В зависимости от уровня гашения колебания могут существовать либо не возникать вовсе. От этого зависит устойчивость, надежность и долговечность механических систем, что необходимо учитывать при проектировании механизмов и замене деталей при ремонте и техобслуживании.
2.4 Вибрационное сглаживание.
Проведём самый простой эксперимент, который можно осуществить не отходя от стола. Положим какой-нибудь достаточно тяжёлый предмет (например, тяжёлую книгу) на лист бумаги и попытаемся затем вытянуть этот лист из-под предмета. Если медленно потянуть за лист, книга поползет вместе с ним. Попытаемся тянуть не равномерно, а толчками. Скорость движения вытягиваемого листа будет переменной, и, хотя в среднем она может быть прежней или даже меньшей, обнаруживаем, что книга почти останется на месте, а лист из-под нее вытянется. Книга не отцеплялась от листа из-за наличия сухого трения, большой силы трения покоя. Это сцепление уменьшилось только из-за того, что переменная скорость позволила преодолеть барьер трения покоя и привести тела во взаимное движение.
Вернемся теперь к основной экспериментальной схеме. Пусть на основное движение вытягиваемого конца троса наложены высокочастотные вибрации. Соответственно и сила, приложенная к телу, будет быстро колебаться, вибрировать. Экспериментатор может обнаружить замечательный эффект: неприятное движение толчками исчезнет, прилипание отсутствует, тело будет двигаться плавно, лишь слегка вздрагивая под действием колебаний силы, причем эти колебания могут быть почти незаметны для глаза.
Измерения показывают, что средний уровень силы, регистрируемой динамометром, плавно растет с ростом средней скорости вытягивания троса вплоть до уровня трения скольжения. Отметим, что с увеличением размаха (амплитуды) вибраций кривая становится все более пологой.
Главный вывод: при не слишком больших средних скоростях средняя сила сопротивления ведет себя не как сухое трение, а как вязкое, жидкое, пропорциональное скорости, а при росте амплитуды эта "средняя" вязкость падает. Такой эффект принято называть вибрационным сглаживанием или ожижением сухого трения под действием высокочастотных вибраций. Он с успехом используется в технике, в особенности в системах управления, использующих механические устройства. В частности, он позволяет сделать движение робота более плавным, а робота более послушным даже слабым сигналам.
Итак, для обеспечения вибрационного сглаживания требуется приложить быстроменяющуюся силу. Поэтому ясно, что классическая модель может оказаться непригодной. Однако математическая задача описания даже простого эксперимента становится очень сложной. Получить явное точное решение здесь невозможно. Однако удается построить достаточно точное приближенное решение, используя идеи российских математиков Н.Н. Боголюбова и А.Н. Тихонова. Приводить строгие формулировки их теорем затруднительно, но их смысл достаточно прост. Теорема Боголюбова утверждает: если на тяжелое, инерционное тело действуют быстроколеблющиеся силы, то оно в основном реагирует только на среднее значение силы, испытывая лишь дополнительные колебания малой амплитуды, которыми можно пренебречь. Теорема Тихонова говорит: если в системе могут совершаться и быстро устанавливающиеся и медленные движения, то при рассмотрении медленных движений можно пренебречь процессом установления быстрых.
На самом деле эффект вибрационного сглаживания может проявляться и совсем нежелательным образом, о чем гласит такая печальная история. К северу от Петербурга находится самое большое в Европе Ладожское озеро. Те, кто бывал на нем, хорошо знакомы с его коварным характером. Оно может быть обманчиво тихим, с "зеркальной гладью вод", но внезапно откуда-то из-за скал подует ветер, и через час разгуляются волны, и притом крутые и частые. Маленькая байдарка прыгает на них как поплавок, а вот о борт большого корабля волны разбиваются с грохотом, заставляя его корпус дребезжать, то есть испытывать высокочастотную вибрацию. Чтобы избежать коварства Ладоги, еще при Петре I построили обводной канал, чтобы доставлять грузы в Петербург по тихой воде. В питерских холодных и мокрых краях хлеб, как известно, растет плохо, и от века пшеницу везли туда из южных районов России. Уже в наши времена соединили Волгу с Ладогой и Невой большими каналами и пустили по ним большие корабли для перевозки зерна. Зерно насыпалось в огромные трюмы и ехало в них к месту назначения. Однако в начале работы таких больших судов произошло несколько катастроф: пересекая Ладогу в осенние дни, некоторые корабли вдруг начинали сильно раскачиваться с борта на борт, а затем опрокидывались. В чем же дело? Ведь теперь любой корабль еще при проектировании детально рассчитывается, чтобы он не мог потерять устойчивость. Выяснилось, однако, что проектировщики при расчетах предполагали, что зерно в трюме будет лежать неподвижно, как положено любому сыпучему материалу, например куче песка. За счет чего обеспечивается эта неподвижность? Да за счет все того же сухого трения, сцепляющего между собой песчинки или зерна. Это верно, но при отсутствии высокочастотных вибраций! А эти вибрации превратили сыпучий материал почти в жидкий. Зерно в трюме стало колебаться как вода в тазу, наваливаясь на наклонный борт и способствуя переворачиванию. Наверное, каждый, таскавший в руках таз с водой, помнит, как трудно удержать его в горизонтальном положении.
Конечно, как только эффект был понят, нашлись и достаточно простые инженерные решения, чтобы преодолеть неприятные последствия: как и в тех судах, которые возят реальные жидкости, трюм был разделен на отсеки, не позволявшие всему ожиженному грузу наваливаться на один борт.
Заключение.
Гибкость и мобильность автомобильного транспорта при сравнительно невысокой стоимости перевозок способствуют развитию промышленного производства, что призвано сыграть решающую роль в развитии новой экономики любого государства. Поэтому одной из важнейших задач, стоящих перед транспортом Российской Федерации, является улучшение эксплуатационных свойств транспортных средств за счет повышения надежности, долговечности и экономичности. Значимость этой задачи постоянно возрастает из-за конкуренции с железнодорожными и другими видами перевозок и в связи с развитием сети шоссейных дорог.
Надежность и долговечность автомобильного и других видов транспорта во многом обусловлены явлениями трения и изнашивания, происходящими в узлах машин. Изнашивание приводит к нарушению герметичности узлов, теряется точность взаимного расположения деталей и перемещений. Возникают заклинивания, удары, вибрации, приводящие к поломкам. Трение приводит к потерям энергии, перегреву механизмов, снижению передаваемых усилий, повышенному расходу горючего и других материалов. Положительно роль трения необходима для обеспечения работы тормозов, сцепления, движения колес. Явления трения и изнашивания взаимно обусловлены: трение приводит к изнашиванию, а изнашивание поверхностей деталей в ходе работы приводит к изменению трения.
Для ликвидации последствий изнашивания проводятся текущие и капитальные ремонты, в ходе которых изношенные детали и узлы либо заменяют, либо восстанавливают. В процессе эксплуатации с изнашиванием борются путем проведения плановых техобслуживаний.
В США,например, в начале 90-х гг. затраты на ремонт автотранспортных средств составили около 24 млрд. долларов в год. В России же эти расходы (в ценах начала 90-х гг.) составили в среднем 40 млрд рублей. При этом установлено, что из-за износа и плохой регулировки теряется около 15% мощности двигателя. Изношенные ДВС выбрасывают в атмосферу большое количество СО, соединений свинца и других вредных веществ. В связи с этим обострена экологическая проблема применения ДВС. Простои автомобилей из-за технических неисправностей в среднем автохозяйстве достигают 30-40% календарного времени.
В силу сложившегося отставания от международного технологического уровня производства автомобильные ДВС у нас имеют весьма малый ресурс (дизельные двигатели - порядка 7500 моточасов). После ремонта ресурс сокращается до 2500-3000 ч. Автомобили (грузовые) за весь срок службы ремонтируют до 5 раз, как правило, в полукустарных условиях, что приводит к резкому снижению технико-экономических показателей. С учетом перечисленных обстоятельств, трудозатраты за срок службы автотранспорта распределены таким образом: 1,4% - на изготовление; 45,4% - на техническое обслуживание; 46% - на текущий ремонт; 7,2% - на капитальный ремонт.
Проблемы трения, износа и смазки в машинах изучает трибология. Прикладными задачами по повышению износостойкости и управлению трением за счет применения новых конструкций узлов, материалов и эксплуатационных приемов занимается триботехника.
Одним из стимулов для развития науки о трении, изнашивании и смазки явилось бурное развитие автомобилестроения и других видов транспортного машиностроения в начале ХХ века. К настоящему времени трибология окончательно оформилась, как самостоятельная отрасль знаний. Во всех развитых странах имеются научные трибологические центры, и ведется подготовка инженеров-трибологов. Решение проблем трения, изнашивания и смазки позволило добиться высокого экономического эффекта. По оценкам международных экспертов широкое внедрение достижений в этой области способно на треть сократить затраты на ремонт и эксплуатацию автотранспортных средств, причем на одну шестую без заметных капитальных вложений. Иллюстрацию прогресса в деле внедрения достижений трибологии в 90-х гг. дают данные, опубликованные по Великобритании.
Результаты внедрения по статьям Годовой эффект,
млн ф. ст.
Снижение потребления энергии 28
Сокращение ручного труда 10
Снижение затрат на смазочные материалы 10
Снижение затрат на обслуживание и ремонт 230
Исключение потерь, связанных с поломками 115
Интенсификация использования оборудования и повышение КПД 22
Экономия вложений за счет повышения долговечности 100
Итого: 515
Несомненно, что расширение применения достижений трибологии в нашей стране тоже позволит существенно повысить эксплуатационное качество транспортных средств и достигнуть значительных экономических и экологических результатов.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ.
1. Крагельский И.В., Добычин М.Н., Комбалов В.С. Основы расчетов на трение и износ. М.: Машиностроение, 1977. 526 с.
2. Блехман И.И., Джанелидзе Г.И. Вибрационное перемещение. М.: Наука, 1964. 313 с.
3. Волосов В.М., Моргунов Б.И. Метод осреднения в теории нелинейных колебательных систем. М.: Изд-во МГУ, 1971. 507 с.
4. Первозванский А.А. Курс теории автоматического управления. М.: Наука, 1986. 615 с.
5. Беркович И.И., Громаковский Д.Г. Трибология. Физические основы, механика и технические приложения. Учебник для вузов. Самар. гос. техн. ун-т. Самара, 2000. 268 с.
Если бы колесо, катящееся по основанию, не испытывало проскальзывания, то такое движение было бы чистым качением и путь, проходимый любой точкой поверхности колеса по основанию за один оборот, составлял бы 2pr. Однако качения без проскальзывания не бывает. Колесо и основание испытывают упругие деформации. При этом колесо в зоне контакта сжимается, а основание - растягивается (стрелки на рис. а).
а) б)
Взаимодействия колеса с опорой.
Поэтому на контакте постоянно происходит проскальзывание колеса относительно основания. Это один из источников рассеяния энергии. Другим источником является вязкоупругое поведение материалов основания колеса. Если к оси колеса не приложено тяговое усилие, то дуга контакта симметрична (см. рис. а), и реакция опоры соосна с нормальной нагрузкой. Если приложить тяговое усилие и колесо приходит в движение, то зона контакта искажается (см. рис.б). Материал сзади колеса не успевает восстановить форму. При малых скоростях коэффициент трения качения увеличивается с повышением скорости, а при больших - уменьшается.
Также существует гидродинамическое трение как один из основных видов трения.
Гидродинамическое (жидкостное) трение характеризуется тем, что трущиеся поверхности разделены слоем масла. Минимальная толщина слоя должна быть больше, чем суммарная высота наиболее высоких микронеровностей обеих поверхностей: hmin³ (Rmax1+Rmax2).
2.3 Фрикционные автоколебания.
Проведём самый простой эксперимент. Будем тянуть тело с помощью троса, в который врезана пружина динамометра, и притом потянем за хвостик с постоянной скоростью. Окажется, что само тело не двигается с той же скоростью, а перемещается толчками. И это легко качественно объяснимо с помощью представленной выше картины. Действительно, один конец пружины прикреплен к телу, а второй начинает удаляться. К телу приложена упругая сила пружины, пропорциональная ее растяжению. Вначале эта сила мала и меньше силы упругого сцепления контакта (трения покоя), так что тело стоит на месте, а точнее, испытывает только незаметное микросмещение. При дальнейшем вытягивании сила пружины преодолевает силу контакта и тело начинает скользить по поверхности. Но сила сопротивления скольжению ниже статического трения, и возникает положительная разность сил, разгоняющая тело. Пружина начнет сжиматься, а создаваемая ею упругая сила - уменьшаться, тело тормозится, вновь прилипает к поверхности, и придется затратить еще время, чтобы вновь растянуть пружину для преодоления трения покоя.
Таким образом, движение тела оказывается колебательным, в котором периодически сменяются фазы прилипания и скольжения (по-английски это звучит короче - stick and slip). Такое движение принято называть фрикционными автоколебаниями: фрикционными потому, что они порождены трением (friction), а авто потому, что они не навязаны извне какой-либо внешней колеблющейся силой, а являются внутренним свойством системы. Внешнее воздействие - движение конца троса не является колебательным, трос движется с постоянной скоростью. Конечно, через этот трос мы «подпитываем» тело энергией, поэтому-то колебания являются незатухающими, несмотря на потери энергии в контакте.
Схема модели фрикционных автоколебаний.
Фрикционные автоколебания - крайне нежелательный эффект в технике. Для многих машин требуется обеспечить плавное, без толчков, медленное движение. Сварочный робот должен плавно вести сварочный аппарат вдоль свариваемого шва: если возникнут колебания, то в одном месте будет перегрев и свариваемые пластины деформируются, а в другом сварка не осуществится вовсе, аппарат его проскочит. А ведь робот - это механизм, в узлах которого обязательно возникает трение. При работе разных механизмов часто возникают колебания, связанные с трением. Они приводят к появлению скрипов, которые проявляются при движении (скрип колес, тормозов, скрип протекторов автомобилей, когда машина идет юзом и др.).
Обрисованная картина указывает и на два главных пути уменьшения трения: улучшить качество обработки поверхностей, чтобы уменьшить пики, а тем самым силу страгивания, или обеспечить возможно лучший доступ смазки и сохранность поверхностного слоя. Это самые важные пути, и они предназначены не только для борьбы за плавность хода, но прежде всего для борьбы с ненужными потерями энергии в скользящих контактах. Поиском эффективных видов смазочных материалов и способов их подвода к скользящим поверхностям занимается большое количество специалистов. В зависимости от уровня гашения колебания могут существовать либо не возникать вовсе. От этого зависит устойчивость, надежность и долговечность механических систем, что необходимо учитывать при проектировании механизмов и замене деталей при ремонте и техобслуживании.
2.4 Вибрационное сглаживание.
Проведём самый простой эксперимент, который можно осуществить не отходя от стола. Положим какой-нибудь достаточно тяжёлый предмет (например, тяжёлую книгу) на лист бумаги и попытаемся затем вытянуть этот лист из-под предмета. Если медленно потянуть за лист, книга поползет вместе с ним. Попытаемся тянуть не равномерно, а толчками. Скорость движения вытягиваемого листа будет переменной, и, хотя в среднем она может быть прежней или даже меньшей, обнаруживаем, что книга почти останется на месте, а лист из-под нее вытянется. Книга не отцеплялась от листа из-за наличия сухого трения, большой силы трения покоя. Это сцепление уменьшилось только из-за того, что переменная скорость позволила преодолеть барьер трения покоя и привести тела во взаимное движение.
Вернемся теперь к основной экспериментальной схеме. Пусть на основное движение вытягиваемого конца троса наложены высокочастотные вибрации. Соответственно и сила, приложенная к телу, будет быстро колебаться, вибрировать. Экспериментатор может обнаружить замечательный эффект: неприятное движение толчками исчезнет, прилипание отсутствует, тело будет двигаться плавно, лишь слегка вздрагивая под действием колебаний силы, причем эти колебания могут быть почти незаметны для глаза.
Измерения показывают, что средний уровень силы, регистрируемой динамометром, плавно растет с ростом средней скорости вытягивания троса вплоть до уровня трения скольжения. Отметим, что с увеличением размаха (амплитуды) вибраций кривая становится все более пологой.
Главный вывод: при не слишком больших средних скоростях средняя сила сопротивления ведет себя не как сухое трение, а как вязкое, жидкое, пропорциональное скорости, а при росте амплитуды эта "средняя" вязкость падает. Такой эффект принято называть вибрационным сглаживанием или ожижением сухого трения под действием высокочастотных вибраций. Он с успехом используется в технике, в особенности в системах управления, использующих механические устройства. В частности, он позволяет сделать движение робота более плавным, а робота более послушным даже слабым сигналам.
Итак, для обеспечения вибрационного сглаживания требуется приложить быстроменяющуюся силу. Поэтому ясно, что классическая модель может оказаться непригодной. Однако математическая задача описания даже простого эксперимента становится очень сложной. Получить явное точное решение здесь невозможно. Однако удается построить достаточно точное приближенное решение, используя идеи российских математиков Н.Н. Боголюбова и А.Н. Тихонова. Приводить строгие формулировки их теорем затруднительно, но их смысл достаточно прост. Теорема Боголюбова утверждает: если на тяжелое, инерционное тело действуют быстроколеблющиеся силы, то оно в основном реагирует только на среднее значение силы, испытывая лишь дополнительные колебания малой амплитуды, которыми можно пренебречь. Теорема Тихонова говорит: если в системе могут совершаться и быстро устанавливающиеся и медленные движения, то при рассмотрении медленных движений можно пренебречь процессом установления быстрых.
На самом деле эффект вибрационного сглаживания может проявляться и совсем нежелательным образом, о чем гласит такая печальная история. К северу от Петербурга находится самое большое в Европе Ладожское озеро. Те, кто бывал на нем, хорошо знакомы с его коварным характером. Оно может быть обманчиво тихим, с "зеркальной гладью вод", но внезапно откуда-то из-за скал подует ветер, и через час разгуляются волны, и притом крутые и частые. Маленькая байдарка прыгает на них как поплавок, а вот о борт большого корабля волны разбиваются с грохотом, заставляя его корпус дребезжать, то есть испытывать высокочастотную вибрацию. Чтобы избежать коварства Ладоги, еще при Петре I построили обводной канал, чтобы доставлять грузы в Петербург по тихой воде. В питерских холодных и мокрых краях хлеб, как известно, растет плохо, и от века пшеницу везли туда из южных районов России. Уже в наши времена соединили Волгу с Ладогой и Невой большими каналами и пустили по ним большие корабли для перевозки зерна. Зерно насыпалось в огромные трюмы и ехало в них к месту назначения. Однако в начале работы таких больших судов произошло несколько катастроф: пересекая Ладогу в осенние дни, некоторые корабли вдруг начинали сильно раскачиваться с борта на борт, а затем опрокидывались. В чем же дело? Ведь теперь любой корабль еще при проектировании детально рассчитывается, чтобы он не мог потерять устойчивость. Выяснилось, однако, что проектировщики при расчетах предполагали, что зерно в трюме будет лежать неподвижно, как положено любому сыпучему материалу, например куче песка. За счет чего обеспечивается эта неподвижность? Да за счет все того же сухого трения, сцепляющего между собой песчинки или зерна. Это верно, но при отсутствии высокочастотных вибраций! А эти вибрации превратили сыпучий материал почти в жидкий. Зерно в трюме стало колебаться как вода в тазу, наваливаясь на наклонный борт и способствуя переворачиванию. Наверное, каждый, таскавший в руках таз с водой, помнит, как трудно удержать его в горизонтальном положении.
Конечно, как только эффект был понят, нашлись и достаточно простые инженерные решения, чтобы преодолеть неприятные последствия: как и в тех судах, которые возят реальные жидкости, трюм был разделен на отсеки, не позволявшие всему ожиженному грузу наваливаться на один борт.
Заключение.
Гибкость и мобильность автомобильного транспорта при сравнительно невысокой стоимости перевозок способствуют развитию промышленного производства, что призвано сыграть решающую роль в развитии новой экономики любого государства. Поэтому одной из важнейших задач, стоящих перед транспортом Российской Федерации, является улучшение эксплуатационных свойств транспортных средств за счет повышения надежности, долговечности и экономичности. Значимость этой задачи постоянно возрастает из-за конкуренции с железнодорожными и другими видами перевозок и в связи с развитием сети шоссейных дорог.
Надежность и долговечность автомобильного и других видов транспорта во многом обусловлены явлениями трения и изнашивания, происходящими в узлах машин. Изнашивание приводит к нарушению герметичности узлов, теряется точность взаимного расположения деталей и перемещений. Возникают заклинивания, удары, вибрации, приводящие к поломкам. Трение приводит к потерям энергии, перегреву механизмов, снижению передаваемых усилий, повышенному расходу горючего и других материалов. Положительно роль трения необходима для обеспечения работы тормозов, сцепления, движения колес. Явления трения и изнашивания взаимно обусловлены: трение приводит к изнашиванию, а изнашивание поверхностей деталей в ходе работы приводит к изменению трения.
Для ликвидации последствий изнашивания проводятся текущие и капитальные ремонты, в ходе которых изношенные детали и узлы либо заменяют, либо восстанавливают. В процессе эксплуатации с изнашиванием борются путем проведения плановых техобслуживаний.
В США,например, в начале 90-х гг. затраты на ремонт автотранспортных средств составили около 24 млрд. долларов в год. В России же эти расходы (в ценах начала 90-х гг.) составили в среднем 40 млрд рублей. При этом установлено, что из-за износа и плохой регулировки теряется около 15% мощности двигателя. Изношенные ДВС выбрасывают в атмосферу большое количество СО, соединений свинца и других вредных веществ. В связи с этим обострена экологическая проблема применения ДВС. Простои автомобилей из-за технических неисправностей в среднем автохозяйстве достигают 30-40% календарного времени.
В силу сложившегося отставания от международного технологического уровня производства автомобильные ДВС у нас имеют весьма малый ресурс (дизельные двигатели - порядка 7500 моточасов). После ремонта ресурс сокращается до 2500-3000 ч. Автомобили (грузовые) за весь срок службы ремонтируют до 5 раз, как правило, в полукустарных условиях, что приводит к резкому снижению технико-экономических показателей. С учетом перечисленных обстоятельств, трудозатраты за срок службы автотранспорта распределены таким образом: 1,4% - на изготовление; 45,4% - на техническое обслуживание; 46% - на текущий ремонт; 7,2% - на капитальный ремонт.
Проблемы трения, износа и смазки в машинах изучает трибология. Прикладными задачами по повышению износостойкости и управлению трением за счет применения новых конструкций узлов, материалов и эксплуатационных приемов занимается триботехника.
Одним из стимулов для развития науки о трении, изнашивании и смазки явилось бурное развитие автомобилестроения и других видов транспортного машиностроения в начале ХХ века. К настоящему времени трибология окончательно оформилась, как самостоятельная отрасль знаний. Во всех развитых странах имеются научные трибологические центры, и ведется подготовка инженеров-трибологов. Решение проблем трения, изнашивания и смазки позволило добиться высокого экономического эффекта. По оценкам международных экспертов широкое внедрение достижений в этой области способно на треть сократить затраты на ремонт и эксплуатацию автотранспортных средств, причем на одну шестую без заметных капитальных вложений. Иллюстрацию прогресса в деле внедрения достижений трибологии в 90-х гг. дают данные, опубликованные по Великобритании.
Результаты внедрения по статьям Годовой эффект,
млн ф. ст.
Снижение потребления энергии 28
Сокращение ручного труда 10
Снижение затрат на смазочные материалы 10
Снижение затрат на обслуживание и ремонт 230
Исключение потерь, связанных с поломками 115
Интенсификация использования оборудования и повышение КПД 22
Экономия вложений за счет повышения долговечности 100
Итого: 515
Несомненно, что расширение применения достижений трибологии в нашей стране тоже позволит существенно повысить эксплуатационное качество транспортных средств и достигнуть значительных экономических и экологических результатов.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ.
1. Крагельский И.В., Добычин М.Н., Комбалов В.С. Основы расчетов на трение и износ. М.: Машиностроение, 1977. 526 с.
2. Блехман И.И., Джанелидзе Г.И. Вибрационное перемещение. М.: Наука, 1964. 313 с.
3. Волосов В.М., Моргунов Б.И. Метод осреднения в теории нелинейных колебательных систем. М.: Изд-во МГУ, 1971. 507 с.
4. Первозванский А.А. Курс теории автоматического управления. М.: Наука, 1986. 615 с.
5. Беркович И.И., Громаковский Д.Г. Трибология. Физические основы, механика и технические приложения. Учебник для вузов. Самар. гос. техн. ун-т. Самара, 2000. 268 с.
