Трение качения
Трением качения называется трение движения, при котором скорости соприкасающихся тел в точках касания одинаковы по значению и направлению.
Если
движение двух соприкасающихся тел
происходит при одновременном качении
и скольжении, то в этом случае возникает
трение
качения с проскальзыванием.
Рассмотрим качение без скольжения цилиндра весом G и радиусом r по горизонтальной опорной плоскости (см. рис. 1). В результате действия силы G произойдет деформация цилиндра и опорной плоскости в месте их соприкосновения. Если сила P не действует, то сила G будет уравновешиваться реакцией R опорной плоскости и цилиндр будет находиться в покое (реакция R будет вертикальна). Если к цилиндру приложить небольшую силу Р, то он по-прежнему будет находиться в покое. При этом произойдет перераспределение давлений на опорную поверхность и полная реакция R пройдет через некоторую точку А и через точку О (согласно теореме о равновесии трех непараллельных сил).
При каком-то критическом значении силы Р цилиндр придет в движение и будет равномерно перекатываться по опорной плоскости, а точка А займет при этом крайнее правое положение. Отсюда видно, что трение качения в состоянии покоя может изменяться от нуля до какого-то максимального значения, причем максимальным оно будет в момент начала движения.
Обозначим k максимальное значение плеча силы G относительно точки А. Тогда в случае равномерного перекатывания цилиндра (т. е. равновесия):
ΣMА = 0 или – Pr + Gh = 0,
причем плечо силы Р вследствие незначительности деформации тел считаем равным радиусу цилиндра r (сила Р – горизонтальная). Из последнего равенства определим силу, необходимую для равномерного качения цилиндра:
Р = kG/r
Максимальное значение плеча k называется коэффициентом трения качения; он имеет размерность длины и выражается в сантиметрах или миллиметрах.
Из полученной формулы видно, что усилие, необходимое для перекатывания цилиндрического катка, прямо пропорционально его весу G и обратно пропорционально радиусу r катка. Из этого следует, что каток, имеющий бóльший диаметр, легче перекатывать.
Коэффициент трения качения определяется опытным путем, его значения для различных условий приводятся в справочниках. Ниже приведены ориентировочные значения коэффициента трения качения k для катка по плоскости (см):
Мягкая сталь по мягкой стали............................0,005
Закаленная сталь по закаленной стали..............0,001
Чугун по чугуну................................................0,005
Дерево по стали......................................0,03...0,04
Дерево по дереву...................................0,05...0,08
Резиновая шина по шоссе...............................0,24
Коэффициент трения качения практически не зависит от скорости движения тела.
В ряде случаев при изучении трения качения активные и реактивные силы, действующие на каток, удобно представлять в ином виде (см. рисунок 2а, б).
Разложим полную реакцию R опорной поверхности на составляющие N и Fтр, тогда:
R = N + Fтр,
где Fтр – сила трения качения; N - реакция, нормальная к недеформированной опорной плоскости.
Составим три уравнения равновесия катка:
ΣX = 0; P – Fтр = 0;ΣY = 0; N – G = 0;
ΣMА = 0; - Pr + Gk = 0.
Из этих уравнений имеем:
P = Fтр; N = G; Pr = Gk.
Введем обозначения Pr = M, Gk = Mтр, где М – момент трения качения, Мтр – момент трения.
Возможны следующие частные случаи качения цилиндрического катка:
М ≥ Мтр, но Р < Fтр – имеет место только качение;
М < Мтр, но Р > Fтр – имеет место только скольжение;
М > Мтр, но Р > Fтр – качение с проскальзыванием;
М < Мтр, но Р < Fтр – каток находится в состоянии покоя.
Трение качения в большинстве случаев меньше трения скольжения, поэтому вместо подшипников скольжения широко применяют шариковые, роликовые или другие подшипники качения, которые, несмотря на более высокую стоимость, дают значительный выигрыш в экономии энергии из-за уменьшения потерь на трение.
Смазочные материалы
Смазочные материалы классифицируются, в первую очередь, по физическому состоянию.
Существуют:
газообразные
жидкие
консистентные
твердые смазочные материалы
Смазочные материалы предназначены для снижения трения и износа.
В зависимости от нагрузки они выполняют следующие задачи:
отвод тепла
защита поверхностей
пропускание тока
удерживание от попадания инородных веществ
отвод частиц, вызывающих износ
Выполняя эти задачи, различные смазочные материалы ведут себя неодинаково.
Жидкие смазочные материалы
Эти материалы могут выполнять следующие задачи:
отвод тепла
защита поверхностей
пропускание тока
отвод частиц, вызывающих износ
К жидким смазочным материалам относятся:
жирные масла
минеральные масла
синтетические масла
Жирные масла не очень подходят для смазки. Хотя они и обладают хорошим смазывающим эффектом, они неустойчивы к низким температурам и чувствительны к окислителям. В технических областях бесспорными лидерами являются минеральные масла.
В наше время все большее значение приобретают синтетические масла
Их преимущества:
повышенная устойчивость к окислению
устойчивость к низким и высоким температурам
долговременная смазка, смазка на весь срок службы изделия
Антикоррозийные материалы и разделительные агенты представляют собой специальные продукты, одной из задач которых является также и смазка.
Консистентные смазочные материалы
Эти материалы выполняют следующие задачи:
защита поверхностей
пропускание тока
удерживание от попадания инородных веществ
К консистентным смазочным материалам относятся:
пластичные смазки
смазочные пасты
смазывающие воски
Смазывающие воски имеют высоко молекулярную углеводородную основу. Предпочтительными областями их применения являются граничная и парциальная смазка при низких скоростях. Пластичные смазки изготавливаются на основе смазочных масел и имеют консистентную структуру благодаря загустителю. Их можно применять как при эластогидродинамической смазке, так и при граничной смазке и парциальной смазке деталей. Смазочные пасты отличаются высоким содержанием твердых смазочных веществ. Они применяются при граничной и парциальной смазке деталей для подвижной, переходной или прессовой посадки. Консистентные смазочные материалы применяются тогда, когда из-за недостаточного уплотнения зазора смазка не должна вытекать и/или когда смазка должна быть устойчивой к жидкостям. В наши дни эти материалы имеют огромное значение, так как при их минимальном расходе обеспечивается максимальный срок службы деталей и оборудования.
Твердые смазочные материалы
Эти материалы могут выполнять следующие задачи:
защита поверхностей
материалы для трибосистем
лаки для смазки
Помимо этого к ним относятся порошковые полимеры или металлические материалы, а также минералы, например, политетрафторэтилен, медь, графит или дисульфид молибдена. Для применения в качестве порошков они подходят плохо. Поэтому их используют в качестве присадок, которые обеспечивают защиту как от трения, так и от износа. Твердые смазочные материалы применяются, как правило, для сухой смазки. В результате получается граничная смазка, которая при включении жидких или консистентных смазок в материалы для трибосистем может использоваться для парциальной смазки. Твердые смазочные материалы применяются преимущественно в тех случаях, когда из-за функциональных особенностей или загрязнения жидкие или консистентные смазки не являются идеальным решением проблемы, а для ее решения достаточно свойств твердых смазочных материалов.