15. Трение качения.

При качении скорости контактирующих тел в точках касания одинаковы по величине и направлению. Трение качения реализуется в подшипниках качения, без которых нельзя представить себе ни одной более или менее сложной машины. Это обстоятельство вызвано тем, что при качении реализуется низкий коэффициент трения

, (4.4)

где М - момент силы сопротивления качению относительно точки касания А, М=FR, где F - сила сопротивления качению, R - радиус цилиндра или шара, N - нормальная нагрузка (рис. 4.10).

Рис 4.10 Схема действия сил при качении цилиндра или шара

При качении упругого катка по упругому основанию сопротивление качению обусловлено тремя причинами:

1) гистерезисными потерями,

2) микропроскальзыванием в зоне контакта,

3) адгезией контактирующих тел.

Гистерезис - запаздывание изменения физической величины, характеризующей состояние вещества, от изменения другой физической величины, определяющей внешние условия. Гистерезисные потери вызваны тем, что реальные твердые тела не идеально упруги. Под влиянием напряжения в твердом теле возникает деформация, которая в реальных телах не прямо пропорциональна напряжению. Физическая природа упругого гистерезиса связана с несовершенством кристаллической структуры технических материалов. Нагружение обуславливает движение в материале дефектов кристаллической решетки, что приводит к рассеянию энергии при деформации образцов.

Микропроскальзывание при качении происходит следующим образом. В контакте упругого основания создается площадка касания, вблизи которой материал образца сжат, а основания - растянут (рис. 4.12).

Под действием напряжений сжатия точки на поверхности катка сближаются, а на поверхности основания, где действуют растягивающие напряжения - расходятся. Это приводит к проскальзыванию в зоне контакта, т.е. трение качения сопровождается трением скольжения. Это заметил еще О. Рейнольдс, прокатывая металлический цилиндр по резиновому листу: при одном обороте цилиндра его путь, измеренный на поверхности листа, оказывался меньшим, чем длина окружности цилиндра.

16. Трение в вакууме.

Вакуум - состояние газа или пара с давлением ниже атмосферного. Различают низкий (давление выше 10² Па), средний (10²-10^-1 Па), высокий (10^-1-10^-5 Па) и сверхвысокий (давление ниже 10^-5 Па) вакуум.

Проблема изучения трения в вакууме стала особенно актуальной с появлением космических аппаратов. Первые неудачи с их эксплуатацией были вызваны отказом узлов трения. Обеспечение работоспособности в космосе подшипников, устройств для поворота антенн, приспособлений для открытия люков потребовало новых технических решений. Эти задачи усложнились в связи со стыковкой-расстыковкой кораблей, посадкой на Луну, созданием самоходных экипажей и т.д. Не менее серьезные задачи возникли при эксплуатации узлов трения в вакуумном оборудовании для плавки, прокатки, вакуумнодуговой сварки металлов.

При вакуумировании нарушается установившееся в атмосфере динамическое равновесие между окружающей средой и пленками, адсорбированными на поверхностях трения. Адсорбированные пленки десорбируются, а новые не образуются из-за недостатка в вакууме адсорбирующихся веществ. При трении в вакууме поверхности трения постепенно очищаются от адсорбированных пленок, вследствие чего коэффициент трения, как правило, растет с понижением давления (рис.5.1).

В подвижном контакте чистых поверхностей усиливается выделение тепла и растет вероятность схватывания. Первые же опыты, проведенные в 40-е годы в высоком вакууме, показали, что трение приводит к сварке металлических деталей. Этому способствует резкое снижение теплопередачи в вакууме по сравнению с атмосферой.

В высоком вакууме часто увеличивается пластичность металлов. Это вызвано, во-первых, облегчением выхода дефектов кристаллической решетки на чистые поверхности и, во-вторых, уменьшением примесей газа в поверхностных слоях. Поэтому адгезионная составляющая силы трения в вакууме выше, чем в воздушной среде. Полимеры теряют в вакууме массу. Потери массы полимерных материалов в сверхвысоком вакууме достигают 10% в год, что существенно ухудшает свойства изделий из них.

Рис 5.1 зависимость коэффициента трения пары сталь-сталь от степени разрежения. 1 – низкий вакуум, 2 – средний, 3 – высокий вакуум

Компоненты жидких смазочных материалов испаряются в вакууме с разными скоростями. Это может привести к изменению состава композиционных материалов и ухудшению их смазочных характеристик. В высоком вакууме нефтяные масла перестают выполнять свои функции. Причина состоит в том, что в вакууме нет кислорода и водяных паров, которые необходимы для образования мыл при трении смазанных маслом металлических деталей.

Проверенным на практике методом снижения трения в вакууме является применение твердых смазочных материалов. Выдающуюся роль в создании космической техники сыграл дисульфид молибдена. Широкое применение находит тефлон, используемый в виде тонких покрытий и в системах ротапринтной смазки. Резина с тефлоновым покрытием ("скользкая" резина) используется в вакуумных уплотнениях, системах стыковки и др.