1.5.2 Трение без смазки (сухое)

В обычных условиях терние без смазки практически не встречается, так как на контактных поверхностях всегда имеется адсорбированный из внешней среды слой, служащий своеобразной смазкой. Иное дело аварийные или другие критические ситуации.

В процессе сухого трения между контактирующими поверхностями возникают фрикционные связи.

Если слабым местом контакта является фрикционная связь, то, разрушаясь при трении, это не вызывает значительных износов. Наоборот, если фрикционные связи прочнее основного металла, то износ, в виде крупных локальных адгезионных вырывов, резко возрастает. Иногда относительное движение контактирующих поверхностей становится невозможным – происходит "схватывание" – явление местного соединения двух тел, вследствие действия адгезионных сил.

Следовательно, для нормального трения скольжения необходимо, чтобы поверхностные слои имели меньшую прочность, чем более глубокие. Отсюда следует правило положительного градиента (вектор – направленный в сторону уменьшения) сдвигового сопротивления: внешнее трение возможно только при положительном градиенте механических свойств.

Конструктивно узлы трения могут быть оформлены самым различным образом. Для обобщения происходящих в них процессов А.В. Чичинадзе ввел понятие коэффициента перекрытия. Эта характеристика учитывает распределение тепловых потоков, сплошность контакта и т.п.

Коэффициент перекрытия – это отношение наименьшей номинальной площади контакта к наибольшей.

Для подшипников его величина примерно равна единице (см. рисунок 1.12).

Подавляющее большинство узлов трения работает в обычных атмосферных условиях. При этом, доказано, что кислород атмосферы играет ведущую роль в образовании на поверхностях контактирующих тел пленок различного химического состава (например, оксидных) являющихся своеобразной смазкой. Исходя из имеющихся фактов, И.В. Крагельским была сформулирована гипотеза пленочного голодания: трение уменьшается при доступе кислорода в зону контакта. Практическая реализация этого положения привела к созданию подшипников скольжения с прерывистой (дискретной) опорной поверхностью, хорошо зарекомендовавших себя в различных отраслях техники.

Упрощенное представление о силе трения как о функции нормальной нагрузки - несостоятельно. Сила трения является не функцией нормальной нагрузки, а оператором процессов, возникающих при различном сочетании внешних факторов: нагрузки, скорости, температуры, контактирующих материалов и т.п.

Примеры коэффициентов трения различных, контактирующих без смазки, материалов при средних условиях нагружения приведены в таблице 1.1.

Разница в величине коэффициентов трения обусловлена различным сопротивлением деформированию приведенных материалов и их адгезионным взаимодействием.

Влияние других внешних факторов на процесс трения проиллюстрировано на рисунке 1.13.

Таблица 1.1 - Коэффициенты трения

№ п/п	Материал вала	Материал втулки	Коэффициент трения
1	Сталь	Сталь	0,5
2		Серый чугун	0,25
3		Бронза	0,12
4		Фторопласт	0,05

Снижение шероховатости поверхности (рисунок 1.13, а) уменьшает деформационную и одновременно увеличивает адгезионную составляющую. При очень гладких поверхностях последняя возрастает настолько, что может препятствовать движению (взаимная притирка концевых мер длины). При увеличении нормальной нагрузки увеличиваются одновременно и контактные напряжения и, из-за деформации, фактическая площадь контакта. Это снижает величину реальных контактных напряжений и стабилизирует рост коэффициента трения.

Скорость скольжения влияет на усилие, необходимое для разрушения фрикционных связей, что является следствием вязкости контакта. При низких скоростях вязкое сопротивление возрастает, при высоких - падает. При малых контактных напряжениях имеет место только возрастающая ветвь, при больших – только падающая.

Пластическая деформация при разрушении фрикционных связей всегда сопровождается выделением тепла, т.е. все узлы трения саморазогреваются при работе. Кроме того, целый ряд агрегатов работает при повышенной температуре окружающей среды. Это конвейеры методических печей, пары трения двигателей внутреннего сгорания и т.п.

Влияние температуры на трение зависит от соотношения температуры узла и температуры фазовых или кинетических переходов в используемых материалах. Так, у металлов (кривая 1 на рисунке 1.13, г) с ростом температуры понижаются прочностные свойства и, соответственно, прочность фрикционных связей. При этом коэффициент трения монотонно уменьшается. В этом случае средняя объемная температура узла ниже температуры фазовых переходов.

При трении пластических масс температура узла может быть выше температуры кинетических переходов в полимере (например, температуры стеклования). Полимер переходит в другое агрегатное состояния (из твердого в высокоэластичное) и характер трения изменяется полностью (кривая 2 на рисунке 1.13, г).

Общая кинетическая зависимость коэффициента трения при постоянных режимах представлена на рисунке 1.14. Здесь, как и на кривой износа, можно выделить три характерных участка: I приработочный, II стационарный и III катастрофический. I и III – это переходные процессы трения, в которых изменяются условия протекания. В I возмущение падает, в III – нарастает.

С технических позиций наиболее важным является приработочный процесс, связанный с адаптацией поверхностных слоев контактирующих тел к условиям трения.

Приработка – это начальный переходный процесс трения, в результате которого происходит адаптация контактирующих поверхностей и постепенный переход к стационарному процессу трения.

Рассмотрим основные особенности трения в приработочный период:

– первоначальный контакт начинается с вершин микронеровностей и фактическая площадь контакта весьма мала при постоянных рабочих нагрузках. Поэтому контактные напряжения велики и приработочный износ гораздо больше износа в стационарный период за тоже самое время, т.е. скорость приработочного изнашивания выше стационарной скорости изнашивания;

– в процессе приработки шероховатость контактирующих поверхностей изменяется (растет или уменьшается). Образуется равновесная или установившаяся шероховатость характерная для данных условий трения;

– высокие нагрузки и значительный износ (деформации и разрушение) приводят к росту температуры и в период приработки она выше, чем в стационарный;

– значительные деформации контактной зоны в приработочный период приводят к увеличению коэффициента трения.

Следовательно, период приработки характеризуется образованием установившейся шероховатости и ростом температуры, коэффициента трения и скорости изнашивания. Стабилизация этих параметров служит критерием завершения периода приработки.

В связи с множеством параллельно действующих факторов процессы трения и изнашивания, в том числе и в приработочный период, случайны. Поэтому параметры процесса приработки партии одинаковых узлов трения подчиняются вероятностным законам.

В производстве стараются снизить время и другие приработочные характеристики узлов трения. Существует два пути приработки:

– технологический при доводке и сборке узлов (обработка металлическими щетками, взаимная притирка);

– эксплуатационный (обкатка двигателей, холостая прокрутка редукторов и т.п.).

Способность пары трения достаточно быстро переходить к стационарному процессу называется прирабатываемостью.

Критериями прирабатываемости может служить время приработки (стабилизации параметров) или отношения приработочных величин параметров к их стационарным значениям за фиксированное время (например: и т.п.).