Материал взят с сайта: http://www.samgtu.ru/research/sstu_works/works/berkovich_gromakovskii

Трибология. Физические основы, механика и технические приложения.
Учебник для вузов / И.И. Беркович, Д.Г. Громаковский; Под ред. Д.Г. Громаковского; Самар. гос. техн. ун-т. Самара, 2000. 268 с.
Фрагмент книги.

ББК 34.41 2 075
УДК 620.179.112
ISBN 5-7964-0164-5

2. ДИНАМИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ В УЗЛАХ ТРЕНИЯ

2.1. Общая характеристика динамических явлений в узлах трения

Узлы трения машин всегда подвергаются динамическим воздействиям. В транспортных машинах вибрации и удары поступают от контакта с дорожным полотном; от работающего двигателя, а также от воздействия самовозбуждающихся колебаний на элементах корпуса, рамы, системы управления и др. Последние являются вторичными по способу возбуждения, но воздействуют на контактирующие поверхности совместно с вибрацией извне.

Трущиеся контакты, как показано в гл. 1, при определенных условиях, сами создают фрикционные колебания релаксационного типа, а для подшипников качения, зубчатых, цепных и ряда других пар трения вибрация и шум являются их неотъемлемым свойством, обусловленным прерывистым контактом зацепления.

Динамические воздействия на трущиеся поверхности вызывают упругую и неупругую деформацию в зоне контакта, что является предметом изучения динамики контактирования. При этом упругие деформации и упругий возврат локализуются на дискретных участках контакта, придают специфику проявлению контактной жесткости. Импульсные воздействия вызывают не только колебания, но и поверхностные волны. Пластическая микродеформация создает тепловые флуктуации, а в совокупности все перечисленные процессы определяют рассеяние (диссипацию) механической энергии колебаний. Ее поглощение происходит в материале деталей и в окружающей среде.

При определенных условиях возникает режим контактного резонанса, который аномально повышает интенсивность пластической деформации и накопление повреждаемости. При пластической деформации микровыступов поверхностные зерна поликристаллических материалов деформируются раньше и интенсивней, чем во внутренних объемах. Это ускоряет диффузионные процессы, перенос вещества, в том числе из глубины в поверхностные слои, а также из внешней среды и контрповерхностей данной пары трения, интенсифицирует структурноэнергетические явления в поверхностных слоях материала, усиливает электрохимические, акустические и другие явления.

Динамическое нагружение поверхностей трения физики справедливо называют механизмом накачки материала точечными и другими дефектами.

Не менее сложным является динамическое воздействие на смазочный слой - третье тело трибосистемы. В смазочном слое при вибрации проявляется его собственная упругость, зависящая от частоты воздействия. Смазочный слой рассеивает механическую энергию как активный демпфер. Динамическое возмущение и температурные флуктуации пробуждают в смазочном слое дополнительное внутреннее трение, что увеличивает вязкие силы и нагрузочную способность смазочного слоя, но при этом ускоряется термомеханическая деструкция смазки.

Процессы разрушения поверхностей и смазки с учетом динамических факторов более подробно рассмотрены в главе «Изнашивание», а в данном случае внимание концентрируется на явлениях, изучаемых механикой твердого тела и теорией колебаний.

2.2. Узел трения как объект моделирования в динамике машин

Вибрация, удары, сложные процессы переноса механических возмущений в узлах и механизмах машин являются объектом изучения научной дисциплины, именуемой «Динамика машин». В России основы этой науки в применении к узлам трения заложены такими учеными, как Н.Н. Давиденков, А.С. Ахматов, Д.М. Толстой, К.В. Фролов, В.А. Кудинов и др.

Рассмотрим некоторые основные понятия и термины динамики машин, необходимые для динамического анализа узлов трения.

Понятие «узел трения». В триботехнике принято рассматривать узлы трения как механизмы или составляющие машин, в которых имеет место относительное движение соприкасающихся частей.

Узлами трения являются подшипники скольжения и качения, прямолинейные и цилиндрические направляющие, ползуны, зубчатые, фрикционные механизмы и др.

Понятие «динамическая модель узла трения». Под динамической моделью понимают описание механизма (узла трения), отражающее его динамические свойства и связи с помощью совокупности символов, условных обозначений и аналитических приемов с условием, что динамические воздействия на модель вызывают реакцию, идентичную реальной в узлах трения.

2.4. Общая схема оценки величины динамического нагружения в узлах трения

Динамическая компонента контактных напряжений в современных машинах соизмерима по значению, а иногда превышает постоянные составляющие проектных нагрузок.

В общем случае схема динамического нагружения контактирующих поверхностей может быть представлена, как это изображено на рис. 2.10.

Рисунок 2.10 - Характерная схема сочетания постоянной и переменной составляющих контактной нагрузки

При расчетах деталей машин в первом приближении достаточно динамическое приращение контактных нагрузок оценивать с помощью динамических коэффициентов. Так, например, динамический коэффициент нагрузки для зубчатых зацеплений достигает в тяжелых случаях значений 1,2 - 1,4.

Более корректный подход к оценке динамических напряжений требует рассмотрения целой группы вопросов.

1. По устройству узла, его рабочему процессу, размерам и массе элементов определяют номинальные значения контактных напряжений.
2. Анализируют деформацию узла под нагрузкой и определяют площадь пятен контакта. Рассчитывают также эпюру контактных напряжений в каждом соединении.
3. Производят динамическую схематизацию узла трения, его математическое описание и рассчитывают массовые (инерционные) силы в зоне контакта, которые формируют контактные напряжения. В линейной постановке расчета диапазон изменения инерционного усилия пропорционален массе, амплитуде и квадрату частоты ().
4. Поскольку имеется составляющая от волн напряжений (наиболее существенны волны растяжениясжатия), то она также должна быть учтена. Волновые напряжения в тяжелых условиях работы (например, опоры ходовой части транспортных машин) могут составлять до 30 % суммарной нагрузки.

При наличии опытного образца изделия или его узлов расчетные оценки проверяются экспериментально.

Рассмотренные в данной главе вопросы имеют важное значение, поскольку позволяют управлять рядом важнейших эксплуатационных характеристик машин, начиная с этапа проектирования узлов трения путем расчетноаналитической оценки динамических характеристик узла трения: собственных частот стыков, что необходимо для избежания резонанса как в узле трения, так и в машине в целом; величины инерционных (массовых) сил и волн напряжений, участвующих в формировании суммарных контактных напряжений, и др.

При дальнейшей работе над изделием на основании динамического анализа разрабатывают мероприятия, которые могут быть использованы для уменьшения динамических нагрузок в узлах трения и снижения динамичности узлов трения в целом. Многие недостатки отечественных машин, их низкий ресурс связаны с недооценкой динамики при расчете, проектировании и эксплуатации.