Б А К А Л А В Р И А Т

Д.Н. Гаркунов

Э.Л. Мельников

В.С. Гаврилюк

ТРИБОТЕХНИКА

Допущено УМО вузов по образованию

в области автоматизированного машиностроения

в качестве учебного пособия для студентов вузов,

обучающихся по направлениям подготовки

«Автоматизированные технологии и производства»,

«Конструкторско-технологическое обеспечение

машиностроительных производств»

Второе издание, стереотипное КНОРУС • МОСКВА • 2013 УДК 620.179.112(075.8) ББК 34.41я73 Г20 Рецензенты:

В.Ф. Пичугин, заведующий кафедрой износостойкости машин и оборудования и технологии конструкционных материалов ФГБОУ ВПО «РГУ нефти и газа им. И.М. Губкина», академик Академии проблем качества, д-р техн. наук, проф., В.В. Стрельцов, заведующий кафедрой технологии машиностроения, проректор по научной работе ФГБОУ ВПО МГАУ, академик Академии проблем качества, д-р техн. наук, проф., В.П. Ступников, заведующий кафедрой технологии конструкционных материалов МГТУ им. Н.Э. Баумана, д-р техн. наук, проф.

Гаркунов Д.Н.

Г20 Триботехника : учебное пособие / Д.Н. Гаркунов, Э.Л. Мельников, В.С. Гаврилюк. — 2-е изд., стер. — М. : КНОРУС, 2013. — 408 с. — (Бакалавриат).

ISBN 978-5-406-02686- Рассмотрены основные этапы, новые направления и проблемы триботехники. Описаны физико-химические свойства поверхностей трения деталей машин, условия их контактного взаимодействия, виды трения, механизмы изнашивания и повреждений трибосопряжений. Проанализировано водородное изнашивание как новый вид контактного взаимодействия твердых тел. Раскрыт избирательный перенос (эффект безызносного трения) как процесс самоорганизации наночастиц, создающий защитную сервовитную пленку в парах трения. Даны рекомендации по оптимизации конструкторских решений и технологических способов повышения износостойкости механизмов и машин. Приведены эксплуатационные методы повышения износостойкости узлов трения рабочих машин и оборудования.

Соответствует Федеральному государственному образовательному стандарту высшего профессионального образования третьего поколения.

Для студентов машиностроительных направлений и специальностей. Может быть полезно аспирантам, преподавателям вузов, научным и инженерно-техническим работникам машиностроительных и ремонтных предприятий.

УДК 620.179.112(075.8) ББК 34.41я Гаркунов Дмитрий Николаевич, Мельников Эдуард Леонидович, Гаврилюк Валерий Степанович

ТРИБОТЕХНИКА

Изд. № 5802. Подписано в печать 20.07.2012. Формат 6090/16.

Гарнитура «PetersburgC». Печать офсетная.

Усл. печ. л. 25,5. Уч.-изд. л. 23,0. Тираж 500 экз. Заказ № ООО «КноРус».

129085, Москва, проспект Мира, д. 105, стр. 1.

Тел.: (495) 741-46-28.

E-mail: [email protected] http://www.knorus.ru Отпечатано в ГУП МО «Коломенская типография».

140400, Московская обл., г. Коломна, ул. III Интернационала, 2а.

Тел.: 8 (496) 618-69-33, 618-60-16. E-mail: [email protected].

© Гаркунов Д.Н., Мельников Э.Л., Гаврилюк В.С., ISBN 978-5-406-02686-1 © ООО «КноРус», оглавление Предисловие.................................. РАзДЕл I. Основы износостойкости при трении ГлАВА 1. Введение в триботехнику..................... 1.1. Общие сведения............................... 1.2. Основные термины............................. 1.3. Практические примеры решения задач триботехники....... 1.4. Сроки службы трущихся деталей машин................ 1.5. Убытки от трения и износа в машинах................ 1.6. Этапы развития триботехники в России................ 1.7. Организация борьбы с трением и изнашиванием в машинах в России и за рубежом................... ГлАВА 2. Рабочие поверхности деталей и их контактирование.... 2.1. Общие сведения о поверхности деталей и ее геометрии...... 2.2. Шероховатость поверхности....................... 2.3. Остаточные напряжения, структурные и фазовые превращения.......................... 2.4. Показатели качества поверхности.................... 2.5. Физико-химические свойства поверхностей деталей........ 2.6. Пленки на металлических поверхностях................ 2.7. Контактирование деталей по сопряженным поверхностям.... 2.8. Взаимное внедрение контактирующих поверхностей........ ГлАВА 3. Трение и изнашивание деталей и рабочих органов машин.................... 3.1. Общие сведения о трении......................... 3.2. Трение без смазочного материала.................... 3.3. Трение при граничной смазке....................... 3.4. Жидкостная, вязкопластическая и контактно-гидродинамическая смазки................ ГлАВА 4. Виды изнашивания рабочих поверхностей.......... 4 Оглавление 4.4. Окислительное изнашивание, изнашивание вследствие 4.5. Коррозионно-механическое изнашивание, коррозия, Глава 5. Трещинообразование, контактная прочность и связь сопротивления усталости деталей с изнашиванием... 5.1. Усталостное разрушение металлического антифрикционного слоя подшипников скольжения........ 5.3. Трещинообразование на поверхности деталей от перенаклепа... 5.4. Разрушение поверхности при контактных нагрузках....... 5.5. Связь сопротивления усталости деталей с трением Глава 6. Эффект безызносности (избирательный перенос 6.1. Сущность эффекта безызносности................... 6.2. Механизм образования сервовитной пленки и ее структура... 6.3. Физические основы эффекта безызносности............ 6.4. Использование эффекта безызносности в узлах трения машин.... Раздел II. Конструктивные методы повышения Глава 7. Материалы для трущихся деталей............... 7.1. Разделение материалов деталей пар трения по их назначению... 7.2. Выбор материалов при конструировании узлов трения..... 7.3. Порошковые антифрикционные материалы и пластмассы.... 7.4. Материалы для узлов трения, работающих при высокой 7.5. Численные критерии работоспособности материалов 7.6. Некоторые правила сочетания материалов............. 7.7. Пористость материала в объеме и в поверхностном слое..... Глава 8. Конструктивные способы повышения износостойкости деталей. Классификация сопряжений по условиям их изнашивания.......... 8.1. О расположении материалов пар трения по твердости...... 8.2. Жесткость, податливость 8.3. Принцип взаимного дополнения качества.............. 8.5. Замена внешнего трения внутренним трением 8.7. Способы установки узлов, уменьшающие напряжения при Раздел III. Технологические методы повышения Глава 9. Смазывание деталей машин.................... 9.3. Металлоплакирующие смазочные материалы.

Самоорганизация наночастиц при образовании Глава 10. Технологические способы повышения 10.1. Зависимость износостойкости деталей от качества сопрягаемых поверхностей и точности их взаимного 10.2. Химико-термическая обработка рабочих поверхностей 10.8. Финишная антифрикционная безабразивная обработка 10.11. Электроискровое и электродуговое упрочнение 6 Оглавление 10.14. Обработка поверхностей лучом лазера.............. 10.15. Обработка поверхностей взрывным нагружением....... Раздел IV. Триботехника при эксплуатации машин Глава 11. Изностойкость узлов трения машин при 11.5. Очистка деталей, узлов, агрегатов, смазочных, 11.6. Влияние условий эксплуатации и режима работы на Глава 12. Триботехника в XXI веке..................... 12.3. Программа исследований водородного изнашивания 12.4. Исследование электрических, магнитных и вибрационных 12.9. Расширение применения финишной антифрикционной 12.10. Триботехника, интересы здоровья и охраны окружающей ПРеДиСловие Науку о контактном взаимодействии твердых тел при их относительном движении — триботехнику — можно разделить на четыре раздела: I — основы износостойкости при трении (главы 1–6); II и III — конструктивные (главы 7–8) и технологические (гл. 9—10) методы повышения долговечности трущихся деталей; IV — вопросы эксплуатации машин, связанные с обеспечением износостойкости деталей (главы 11—12).

В раздел I триботехники входят такие вопросы, как качество поверхности, физико-химические свойства и контактирование поверхностей деталей, виды трения в узлах машин, механизм изнашивания деталей пар трения и рабочих органов, виды разрушения рабочих поверхностей деталей и рабочих органов машин (сюда входит все многообразие видов изнашивания, включая разрушения при контактных нагрузках), механизм и теория безызносности — избирательный перенос при трении, связь сопротивления усталости деталей с процессами трения и изнашивания, распределение износа по поверхности деталей и многие другие вопросы.

Раздел II триботехники — конструктивные методы повышения долговечности и надежности работы трущихся деталей — содержит ряд важных вопросов, которые должен решать конструктор. Главные его задачи в этом плане:

оценка и выбор принципиальной схемы узлов трения машины в целом с позиций ее влияния на износостойкость и надежность конструкции;

выбор материалов и сочетания их в парах трения;

назначение размеров и формы деталей с учетом местной и общей прочности;

обеспечение нормального функционирования узлов трения в заданных условиях путем организации соответствующей смазочной системы, защиты от загрязняющего и химического воздействия среды, блуждающих токов и перегрева, а также от возможных перегрузок узлов трения при эксплуатации;

обеспечение эксплуатации узлов трения с минимальными затратами;

защита поверхностей трения деталей и узлов от возможных аварийных повреждений в эксплуатации.

Решение указанных задач при проектировании узлов трения естественно должно исходить из основных принципов создания машины.

8 Предисловие Машина должна иметь высокие технико-экономические и эксплуатационные показатели, главными из которых являются производительность, экономичность, прочность, долговечность, малые удельная масса, металло- и энергоемкость, габариты, объем и стоимость ремонтных работ при эксплуатации, высокая степень автоматизации, простота и безопасность обслуживания, удобство управления, сборки и разборки.

Раздел III триботехники — технологические способы повышения долговечности трущихся деталей — охватывает вопросы получения материалов и покрытий, а также заготовок с заданными свойствами;

вопросы обработки заготовок для получения деталей требуемой формы и надлежащей точности, упрочнения рабочих поверхностей деталей, сборки в агрегаты и испытания узлов машин.

Получение износостойких материалов для изготовления машин и оборудования слагается: а) из производства материалов уже известных марок, удовлетворяющих условиям износостойкости, но с наименьшими затратами; б) изыскания новых материалов. Такие изыскания проводятся непрерывно как вследствие повышения требований к материалам для новых конструкций машин и модернизации старых, так и ввиду необходимости замены дефицитных материалов и удешевления переработки сырья в изделия.

Применяют следующие технологические процессы для повышения долговечности трущихся деталей: пластическое деформирование, термическую, химико-термическую и химическую обработку рабочих поверхностей деталей, гальванические покрытия, металлизацию напылением и наплавку поверхностей, электроискровое упрочнение, финишную антифрикционную безабразивную обработку (ФАБО) и др. [4, 5].

Разработать и реализовать наиболее оптимальные технологические процессы, начиная с получения материалов и заготовок и кончая обкаткой или испытанием узлов и машин, позволит специализация производства или наличие специализированных участков.

Раздел IV триботехники рассматривает вопросы эксплуатации машин в связи с обеспечением износостойкости деталей.

Методы технической эксплуатации машин постоянно изменяются, изыскиваются методы, наиболее удовлетворяющие назначению машин. C развитием техники некоторые машины могут быть переведены на безремонтную эксплуатацию. Главными предпосылками здесь должны быть значительное увеличение срока службы узлов трения;

построение машины по агрегатному принципу, при котором можно заПредисловие менить изношенный узел трения независимо от других узлов; создание в конструкции машин неизнашивающихся фиксирующих поверхностей, служащих базами при установке сменных деталей; широкое развитие средств технической диагностики трущихся деталей и узлов.

К вопросам эксплуатации машин в связи с обеспечением износостойкости деталей относятся изменение свойств смазочного материала в процессе эксплуатации, обкатка машин, стендовые и эксплуатационные испытания, влияние условий эксплуатации и режима работы машин на интенсивность изнашивания их деталей, уход за машиной во время работы, техническое обслуживание и ремонт машин, предельные износы и сроки службы деталей и др.

В последние годы в нашей стране и за рубежом широко изучают «эффект безызносности» (избирательный перенос при трении — научное открытие № 41, СССР, 1964, авторы Д.Н. Гаркунов и И.В. Крагельский) и явление «водородного изнашивания металлов» (научное открытие № 378, Россия, 1992, авторы Д.Н. Гаркунов, А.А. Поляков, Г.П. Шпеньков, В.Я. Матюшенко). На основе этих открытий разработаны новые смазочные материалы и присадки к ним, приработочные покрытия и конструкции узлов трения, снижающие затраты энергии на трение и повышающие износостойкость трущихся деталей машин и оборудования. Как оказалось, избирательный перенос является одним из эффективных средств снижения интенсивности водородного изнашивания деталей.

Содержание всех разделов триботехники подчинено одной задаче — повышению долговечности машин. Это наиболее эффективный и экономичный способ увеличения действующего (т.е. фактически работающего) машинного парка без значительных капитальных вложений и, как следствие, повышения объема выпуска промышленной продукции.

При написании учебника в большей мере использованы работы [3, 4, 5, 6, 7, 8, 13, 14, 15, 16, 22, 23, 25, 29, 33, 36, 37].

Авторы выражают благодарность инженеру А.О. Бояркину за помощь в подготовке рукописи учебника к изданию.