1.5.6 Особенности трения полимеров

В современной транспортной технике широко используются детали трения из эластичных полимеров – резин. Это различные уплотнения, прокладки, ролики и т.п.

Полимеры в высокоэластичном состоянии - эластомеры или резины при трении имеют ряд особенностей:

1 – высокую подвижность полимерных цепей, т.е. резина обтекает микронеровности и вместо пластических деформаций происходят высокоэластические;

2 – наличие в молекуле каучука полярных групп увеличивает адгезионные силы в зоне контакта;

3 – при определенной (40 % ) нагрузке площадь фактического контакта становится равной номинальной площади;

4 – жесткость резины (Е) слабо влияет на коэффициент трения т.к. чем больше модуль, тем меньше фактическая площадь контакта, но больше число цепей (связей) на единицу площади.

Несмотря на обратимость высокоэластической деформации, она ближе к пластической, чем к упругой, так как возможны значительные перемещения, и происходят необратимые потери энергии.

В соответствии с адгезионно-деформационной теорией для эластомеров также имеет место зависимость

. (1.18)

Обе составляющие имеют вязкоупругую природу. При адгезии энергия рассеивается на поверхностном молекулярном уровне, а при деформации – во всем объеме деформированного эластомера.

При скольжении эластомера по твердому телу поверхностные макромолекулы эластомера образуют с контртелом фрикционные связи. Этапы этого взаимодействия следующие:

– образование связей;

– растяжение макромолекул;

– разрыв связей;

– релаксация (постепенное уменьшение деформации).

Следовательно, макромолекулярные цепи эластомера совершают непрерывные скачки из одного равновесного состояния в другое.

Деформационная составляющая определяется объемными свойствами материала. Она обусловлена запаздыванием восстановления эластомера после вдавливания в него отдельного выступа микронеровностей. При трении эластомеров по несмазанной (сухой) металлической поверхности адгезионная составляющая в два раза больше деформационной.

Смазка, снижая адгезию, уменьшает силу трения.

Другой группой высокоэффективных материалов, применяемых в транспортной триботехнике, являются полимерные композиты. Наибольшей несущей способностью обладают относительно тонкослойные покрытия на основе фторопластовых волокон.

1.6 Изнашивание трибосопряжений

1.6.1 Механизм изнашивания

Изнашивание – это процесс изменения размеров и формы контактирующих деталей трения в результате их поверхностного разрушения.

Чаще всего износ коррелирует с силой трения. Однако далеко не всегда малым силам трения соответствует малая величина износа.

Например: при трении фторопласта-4 по стали, коэффициент трения достигает 0.02, а величина износа очень велика и может протекать со скоростью 0,5 мм/с.

В связи с этим изнашивание деталей трения в различных условиях эксплуатации требует самостоятельного дополнительного изучения.

Износ – это результат изнашивания. Он может быть выражен или измерен в единицах длины – мкм, мм; в единицах объёма – ; в единицах массы – мг, г. Часто удобно относить износ всех деталей машины к одной, характерной для этой машины, величине.

Например: для автомашины это километры пробега, для трактора – гектары пахоты.

Износ может быть допустимым или предельным [h] – когда при достижении этой величины износа дальнейшая эксплуатация узла становится невозможной, неэкономичной или опасной.

Износ самых разных деталей узлов трения может быть выражен, для удобства сравнения, безразмерной величиной - интенсивностью изнашивания - отношением износа к пути трения.

Величина обратная интенсивности или скорости изнашивания называется износостойкостью.

Ранее мы рассматривали идеализированную кривую износа (Лоренца), образованную прямыми (см. рисунок 1.3). Реальная кривая износа – это набор циклических возмущений вокруг некоторого среднего значения, описываемого плавной кривой (рисунок 1.22).

П одобный вид кривой объясняется тем, что изменение поверхностных физико-механических свойств происходит постепенно, накапливаясь в определённых участках контакта, в частности, в вершинах неровностей микропрофиля. Достигая критической величины, местное накопление энергии вызывает отделение частицы износа - поверхностное разрушение. Отдельные микроразрушения суммируются в величину износа или зазора сопряжения. Рост зазоров изменяет условия трения и способствует дальнейшему увеличению износа. Эти процессы характеризуют детерминированное плавное изменение износа во времени. Случайное колебание рабочих нагрузок, макро- и микроотклонений контактирующих поверхностей, а также случайные колебания прочих эксплуатационных условий приводят к случайному повторению цикла как по времени и нагрузке, так и по прочим условиям. Сумма массы независимых случайных воздействий приводит к возникновению вероятностной случайной циклической составляющей. Таким образом, при многократных, повторяемых испытаниях набора любых пар трения величина износа, размеры частиц износа и параметры процесса изнашивания имеют статистическое распределение. Оно может быть самым различным и определяется природой контактирующих материалов и условиями их работы в узле трения.

Следовательно, износ имеет двойственную природу, одновременно подчиняясь детерминированным и случайным закономерностям.

Для удобства рассмотрим последовательно взаимодействие контактных поверхностей, изменения в поверхностных слоях и изнашивание - их разрушение.

Взаимодействие характеризуется следующими особенностями.

1. Дискретностью реального контакта (обычно по пятнам фактического контакта, иногда по вершинам микронеровностей);

2. Высокой, по техническим масштабам, величиной контактных напряжений;

3. Наличием зоны всестороннего сжатия, обусловленной значительной величиной нормальных напряжений;

4. Цикличностью силового воздействия.

Изменения в поверхностных слоях возникают вследствие ряда следующих причин.

1. Работы узла в начальный период эксплуатации (приработкой), проявляющейся в образовании равновесной шероховатости, текстурирования и т. п.;

2. Значительной пластичности контактной зоны в результате всестороннего сжатия и адсорбционного пластифицирования смазкой (эффект Ребиндера):

3. Накоплении энергии в циклически передеформированных поверхностных микрообъёмах.

Изменения в приповерхностных слоях в результате взаимодействия контактных поверхностей приводит к их изнашиванию. Механизм этого процесса зависит, в основном, от типа внешних воздействий и природы контактирующих тел.

Рассматривая процесс изнашивания как сумму множества отдельных микроразрушений, базируются, чаще всего, на усталостной теории изнашивания. В этом случае в математическую модель изнашивания входит более 10 параметров, определяющих тип контакта, свойства контактирующих материалов, параметры поверхностей и т.д. Расчетные выражения этого типа могут быть использованы как первое приближение, а их уточнение требует значительного объема экспериментальных исследований.

Расчет износа с позиций термофлуктуационной теории прочности основан по концепции С.Н. Журкова на ее кинетической природе. Расчетные формулы содержат до 15 параметров, включающие молекулярные и общефизические константы, характеристики условий разрушения и т.д.

Физический смысл моделей в этом случае представляется более четким, но пока не удается получить результаты, сопоставимые с экспериментальными данными.

Расчеты, основанные на энергетической теории изнашивания, базируются на следующей концепции: для отделения частицы износа необходимо накопить в некотором объеме материала критический запас внутренней энергии. Сами авторы прикладной части этой теории признают, что точное определение критической плотности энергии является пока проблематичным.

Следовательно, в настоящее время отсутствует единая теоретическая база для расчетного определения величины износа, а наиболее точные результаты могут быть получены на основе экспериментальных исследований.