Трение скольжения без смазочного материала и при граничной смазке.
Трение без смазочного материала встречается в технике достаточно редко: в тормозах и фрикционных передачах, в оборудовании текстильной, пищевой, фармацевтической промышленности, где смазочный материал недопустим во избежание порчи продукции, а также в высокотемпературных узлах трения, когда любой смазочный материал непригоден. В большинстве других случаев поверхности трения разделены слоем смазочного материала. Трение при граничной смазке имеет место, когда толщина смазочного слоя соизмерима с размерами нескольких молекул и составляет сотые доли микрометра. Физические свойства таких слоев отличаются от объемных свойств смазочного материала. Граничные слои способны выдерживать большие нормальные давления, не разрушаясь.
Граничные слои образуются по механизму адсорбции. Особенностью молекулярной структуры жирных кислот, сложных эфиров и других компонентов масел является наличие длинной цепи. В процессе адсорбции длинномерные молекулы с активной группой располагаются по нормали к поверхности трения параллельно друг другу. Это придает граничному слою достаточную прочность за счет сил молекулярного притяжения. Большая длина цепей позволяет им под влиянием скольжения наклоняться и изгибаться, что способствует уменьшению трения. Для граничного трения достаточно образоваться насыщенному монослою молекул, однако на практике граничные слои имеют мультимолекулярное строение, рис. 4.5.
Дезориентация (десорбция) молекул граничного слоя существенно зависит от температуры. Температура десорбции Тд Тп, где Тп - температура плавления смазочного материала. Граничный слой, образованный по механизму физической адсорбции, испаряется при Т=Тп. Химически адсорбированный слой более термостоек. Основным положением разработанной Ф. Боуденом "химической" теории граничной смазки является наличие химических связей смазочного слоя и поверхности трения. М.М. Хрущов и Р.М. Матвеевский разработали на этой основе температурный метод оценки предельной смазочной способности масел.
Жидкостное трение скольжения.
При жидкостной смазке поверхности трения разделены слоем смазочной жидкости, который несет нормальную нагрузку, приложенную к узлу трения. Минимальная толщина слоя превышает сумму максимальных высот неровностей на обеих поверхностях. Поэтому трение твердых тел заменяется внутренним трением слоев жидкости. Сила внутреннего трения жидкостей подчиняется закону Ньютона и их называют ньютоновскими:
, (4.1)
где - динамическая вязкость жидкости, d /dx - градиент скорости сдвига жидкости по нормали к направлению движения (рис. 4.6), S - площадь сдвига.
Если давление в жидкости постоянно, d /dx=/h, где - наибольшая скорость жидкости в зазоре величиной h. Тогда
, (4.2)
Масла, как правило, являются ньютоновскими жидкостями, вязкость которых не зависит от скорости сдвига. Масла с присадками, особенно при низких температурах - неньютоновские жидкости: их вязкость уменьшается при повышении температуры и снижении давления.
Рис 4.6 Распределение скоростей в слое жидкости (1), разделяющем поверхности трения (2 и 3)
Основы теории трения при жидкостной смазке заложил Николай Павлович Петров. Он рассмотрел трение вала в подшипнике при постоянном зазоре (рис. 4.7).
Формула Петрова описывает момент трения в подшипнике зависимостью:
, (4.3)
Из нее следует, что момент трения растет с повышением скорости вращения, увеличением радиуса вала и длины подшипника и с уменьшением зазора в нем. Формула Петрова справедлива при больших скоростях вращения вала, когда подшипник работает в режиме гидродинамической смазки.