книги / Трение и износ деталей машин

При переходе от покоя к скольжению имеется участок предвари­ тельного смещения (участок ОА на рис. 1).

Предварительное смещение - это относительное микросмещение двух твердых тел при трении в пределах перехода от состояния покоя к от­ носительному движению, его называют трением покоя.

После предварительного смещения начинается устойчивое скольже­ ние, характеризуемое силой трения скольжения (линия А\В на рис. 1).

В инженерной практике используется безразмерная величина - ко­ эффициент трения/

Закон Амантона. Расчеты внешнего трения часто базируются на за­ коне линейной зависимости силы трения от нормальной нагрузки, уста­ новленном Амантоном,

T=fN.

В соответствии с этим законом сила трения не зависит от состояния поверхностей тел на площадках контакта, площади и скорости скольжения.

Двучленный закон трения. В ряде случаев закон Амонтона не со­ блюдается. Например, при взаимном сдавливании поверхностей пластич­ ных тел, таких как олово или свинец, площадь фактического контакта су­ щественно увеличивается, возникают силы прилипания и наблюдается от­ клонение от закона Амонтона. В этом случае сопротивление относитель­ ному перемещению сохраняется даже тогда, когда нагрузка становится равной нулю. На участках фактического контакта наряду с механическим взаимодействием наблюдаются также заметные межмолекулярные взаимо­ действия. В результате этих взаимодействий возникает сопротивление от­ носительному скольжению, получившее название молекулярной состав­ ляющей силы трения.

Молекулярная составляющая силы трения характеризует атомные и молекулярные взаимодействия при сближении поверхностей и их относи­ тельном перемещении. Обычно эту составляющую силы трения называют адгезионной. Под термином “адгезия” в данном случае подразумевают вза­ имное притяжение поверхностей, возникающее в результате атомно­ молекулярного взаимодействия.

Различают три вида связей, характеризующих атомно-молекулярное взаимодействие поверхностей: химические, молекулярные (под действием силы Ван-дер-Ваальса) электростатические.

Наиболее прочными являются связи, вызванные силами Ван-дер- Ваальса.

Для учета межмолекулярных сил используется двучленная формула (двучленный закон трения), предложенная Ш. Кулоном:

T = f N + A,

где А - дополнительный член, независимый от нормальной нагрузки.

Коэффициент трения может быть определен в этом случае в виде

f ~ /мОЛ /мехэ

гДе /мол и /мех - соответственно молекулярная и механическая составляю­ щие коэффициента трения.

Молекулярная теория трения. Эта теория развита в трудах В. Хар­ ди и Б.В. Дерягина. Она исходит из того, что в случае гладких поверхно­ стей трение обусловлено молекулярной шероховатостью, т.е. силами атомного и молекулярного взаимодействия при сближении поверхностей, а силы молекулярного прилипания рассматриваются как факторы, объяс­ няющие отклонения от закона Амонтона:

T=f (N+ РАГ),

где Р - удельное прилипание, действующее на фактической площади кон­ такта Аг.

Молекулярно-кинетическая теория трения основана на молекулярно­ кинетической гипотезе о природе трения. Г.М. Бартенев развил теорию трения резин и твердых полимеров, согласно которой каждая цепь высоко­ полимерного материала при скольжении контактирует с микроповерхно­ стью сопряженного тела некоторое определенное время, переходя затем на новое место. При наличии сдвигающей силы переходы в направлении дей­ ствия этой силы более вероятны, чем переходы в других направлениях. Расчетная зависимость для силы трения согласно этой теории имеет вид

Т= C\Ar + С2 Аг (£>РГ,

где С\, С2 - коэффициенты, зависящие от скорости, температуры и моле­ кулярных констант; Аг - фактическая площадь контакта; Рг - фактическое давление; со - коэффициент, отражающий влияние нормальной нагрузки на силы прилипания.

Молекулярно-механическая теория трения. Если два твердых со­ прикасающихся тела нагрузить сжимающей нагрузкой, то на пятнах кон­ такта образуются адгезионные связи, которые являются результатом про­ явления молекулярных сил взаимодействия поверхностей соприкасающих­ ся тел. При скольжении тел связи непрерывно разрушаются И формируют­ ся вновь. Совокупность таких пятен в каждый момент времени образует фрикционный контакт, а каждое пятно рассматривается как элементарная фрикционная связь.

На фрикционных связях развиваются высокие контактные давления и температуры. Под действием этих факторов значительно меняются свой­ ства поверхностных слоев материалов (поверхности химически взаимо­ действуют с окружающей средой, протекают процессы адсорбции, в мик­ рообъемах происходит термическая обработка материала, его упрочнение

или разупрочнение). В результате свойства исходного материала меняются настолько, что образуется так называемое “третье тело”, которое формиру­ ется в процессе трения, а его свойства оказывают решающее влияние на фрикционные параметры сопряжения.

Если разрушение фрикционной связи происходит в пределах “третьего тела”, то имеет место внешнее трение. Необходимое условие реализации процесса внешнего трения следует из соотношения прочност­ ных характеристик “третьего тела” и основного материала и состоит в том, что прочность на сдвиг должна расти по мере удаления от поверхности трения в глубь тела.

Свойства фрикционной связи зависят также от напряженнодеформированного состояния материала. В молекулярно-механической теории трения в зависимости от вида деформаций различают два наиболее распространенных вида фрикционных связей: при упругих и при пластиче­ ских деформациях.

Адгезионные явления учитываются молекулярной составляющей ко­ эффициента трения. В адгезионное взаимодействие вовлечены тончайшие приповерхностные слои.

Деформационные свойства фрикционной связи определяют механи­ ческую составляющую коэффициента трения.

Деформационные процессы протекают в объемах, которые на 2-3 порядка больше, чем адгезионные.

В основу расчетных зависимостей определения молекулярной со­

где т - сдвиговое сопротивление в “третьем теле”, пропорциональное вре­ мени оседлой жизни частицы; Щ- постоянная времени, равная 1(Г12 с; U - энергия активации молекулярной связи; к - постоянная Больцмана;

Т- абсолютная температура; а - коэффициент пропорциональности.

Вусловиях наличия нормальной нагрузки, действующей на фрикци­ онный контакт, энергия активации представляет собой сумму:

После разложения этого уравнения в ряд получим

где то - сдвиговое напряжение при отсутствии нормальных напряжений; Р - пьезокоэффициент молекулярной составляющей трения; Рг - фактиче­ ское нормальное давление.

Пьезокоэффициент р - величина, характеризующая увеличение (уменьшение) прочности в срезе с ростом нормального давления. В табл. 2 приведены некоторые параметры сдвиговой прочности молекулярной свя­ зи различных материалов по стали ШХ 15.

Таблица 2

Механическая составляющая коэффициента трения расходуется на процессы деформирования тонких поверхностных слоев трущихся тел. Объем материала, втянутого в деформацию, определяется величиной вза­ имного внедрения поверхностей трущихся тел, которая может значительно превосходить толщину “третьего тела” Эта составляющая силы трения существенно зависит от характера напряженно-деформированного состоя­ ния в зоне фрикционной связи.

Механическая составляющая силы трения оценивается с учетом без­ размерных критериев: коэффициента гистерезисных потерь (аг) и относи-

тельного внедрения единичной неровности в виде отношения — (где А -

R

глубина внедрения; R - радиус кривизны единичной неровности, модели­ рованной в виде сферы).

Механическая составляющая коэффициента трения на элементарной фрикционной связи для пластического контакта

При упругих деформациях

(7)

=0’2“ ri l '

При увеличении шероховатости и росте нагрузки механическая со­ ставляющая возрастает.

Коэффициент трения для единичной неровности с учетом молеку­ лярной и механической составляющей

f =l± + $ + K (8)

Р

1 г

где К= 0,55 при пластическом контакте и 0,19 при упругом.

При пластических деформациях в зонах касания твердых тел могут иметь место ненасыщенный и насыщенный контакты.

Ненасыщенный имеет место при контурных давлениях, находящихся

( v e v ) v_1

При пластическом контакте сила внешнего трения слагается из со­ противления, возникающего при пропахивании материала поверхности менее жесткого элемента пары трения внедрившимися неровностями, и сопротивления, возникающего в результате молекулярных взаимодейст­ вий. В инженерных расчетах при определении коэффициента трения дета­ лей, работающих в условиях пластического ненасыщенного контакта, ис­ пользуется формула

Насыщенный пластический контакт имеет место при контурных дав­ лениях, превышающих значения, определяемые по формуле (9). В этом случае коэффициент трения

Из формул (10) и (11) следует, что при упругом контакте с увелиме­ нием нагрузки (контурного давления) коэффициент трения уменьшается, а при пластическом - возрастает.

6.2. Трение без смазочного материала

Трение имеет молекулярно-механическую природу. На площадках фактического контакта поверхностей действуют силы молекулярного при­ тяжения, которые проявляются на расстояниях, в десятки раз превышаю­ щих межатомное расстояние в кристаллических решетках, и увеличивают­ ся с повышением температуры. При отсутствии либо наличии промежу­ точной вязкой прослойки (влага, загрязнение) между контактирующими поверхностями молекулярные силы вызывают адгезию на площадках фак­ тического контакта, поверхности как бы “прилипают” друг к другу. Адге­ зия может быть обусловлена одновременно и действием электростатиче­ ских сил. Силы адгезии, как и молекулярные силы, прямо пропорциональ­ ны площади фактического контакта.

Трение без смазочного материала сопровождается скачкообразным скольжением. Это вызывает нежелательные явления, например вибрацию автомобиля при включении сцепления и “дергание” при торможении, “визг” тормозов, вибрацию резцов при резании и нарушение плавности ра­ боты медленно движущихся деталей.

6.3. Граничное трение

При граничном трении на поверхности трения присутствует смазоч­ ный материал любого вида. Поверхности сопряженных тел разделены сло­ ем смазочного материала малой толщины: от толщины одной молекулы смазочного материала до 0,1 мкм. Наличие тонкой граничной пленки сни­ жает силы трения по сравнению с силами трения без смазочного материала в 2-10 раз и уменьшает износ сопряженных поверхностей в десятки раз.

Смазочные масла адсорбируются на металлической поверхности и образуют граничную фазу квазикристаллической структуры толщиной до 0,1 мкм, обладающую относительно прочной связью с поверхностью и продольной когезией.

Молекулы смазочного материала ориентируются перпендикулярно к твердой поверхности, поэтому граничную пленку можно представить в ви­ де “ворса” на металлической поверхности (рис. 12).

сорбируется продуктами износа и уносится с поверхности трения. Окисле­ ние пленки способствует дезориентации структуры и ее разрушению.

При граничном трении в большинстве случаев скорость изнашива­ ния и износ деталей достаточно велики. Основная причина этого заключа­ ется в том, что вследствие волнистости и шероховатости поверхностей их контактирование происходит на очень малых участках, а контактные дав­ ления имеют высокие значения. В таких условиях тонкая граничная пленка масла не предохраняет поверхности от пластического деформирования, что неизбежно ведет к изнашиванию деталей.

Введение в граничные слои смазочного материала поверхностно­ активных веществ увеличивает толщину граничного слоя и способствует уменьшению скорости изнашивания. Это объясняется тем, что с увеличе­ нием толщины граничного слоя молекулы поверхностно-активных ве­ ществ существенно влияют и на механические характеристики поверхно­ стного слоя металла. Адсорбируясь на поверхности, они приводят к пони­ жению ее прочности, согласно рассмотренному выше эффекту П.А. Ребин­ дера, благодаря которому происходит пластифицирование поверхностных слоев, т.е. уменьшение предела текучести.

6.4. Твердые смазочные материалы

Некоторые твердые материалы могут производить смазочное дейст­ вие, организуя и поддерживая режим трения при граничной смазке. Гра­ ничная пленка должна обладать высоким сопротивлением продавливанию и низким сопротивлением срезу Следуя этим требованиям, к твердым сма­ зочным материалам можно отнести некоторые тела слоисто-решетчатой, пластической структуры, мягкие металлы и тонкие пленки пластиков.

Из материалов слоисто-решетчатой структуры свойствами, необхо­ димыми для смазки металлических поверхностей, обладают графит, молибдений (дисульфид молибдена M0 S2 ), сульфид серебра, пористый _свинец и дисульфид вольфрама.

Графит имеет гексагональную кристаллическую решетку, образо­ ванную правильными шестиугольниками, в вершинах которых расположе­ ны атомы графита (рис. 13). Атомы углерода, расположенные в одной кри­ сталлографической плоскости, находятся на одинаковом расстоянии друг от друга, равном параметру решетки: С = 0,34 нм, т.е. в 2,5 раза больше параметра решетки, а поэтому атомы графита в кристаллической решетке расположены не равномерно, а слоями, расстояние между которыми боль­ ше, чем между атомами одного слоя. Так как силы взаимного притяжения атомов существенно снижаются при увеличении расстояния между ними, то связь между атомами в слоях значительно сильнее (прочнее), чем между

слоями. Поэтому при большом сопротивлении графита сжатию перпенди­ кулярно слоям (плоскостям спайности) сопротивление сдвигу параллельно слоям невелико.

Сильная связь

Рис. 13. Кристаллическая решетка графита

Высокая твердость и прочность графита в направлении, перпендику­ лярном плоскости спайности, обеспечивают почти полное отсутствие кон­ такта между смазанными графитом металлическими поверхностями при значительной пластической деформации контактирующих поверхностей, а сдвиги поверхностных слоев происходят под пленкой смазочного материа­ ла или внутри него. Слабое сопротивление графита срезу по плоскостям обусловливает при трении послойное скольжение в нанесенных на поверх­ ностях пленках. Коэффициенты трения графитизированных поверхностей малы (0,03-0,04).

Распространенной твердой смазкой является нитрид бора. Он в мо­ дификации, близкой к графиту, имеет кристаллическую гексагональную структуру. В отличие от графита и дисульфида молибдена, плоскости спайности у нитрида бора состоят из различных атомов (бор и азот). Пове­ дение нитрида бора при трении подобно поведению графита, однако зна­ чения коэффициентов трения более высоки, что связано с повышенной прочностью связей между поверхностями кристаллитов. При работе дета­ лей с высоким нагревом (до температуры 900 °С) хорошие результаты дает использование смеси графита с нитридом бора. Графитовые пленки обес­ печивают смазку до температуры 500 °С, а нитрид бора - в интервале тем­ ператур 500-900 °С.

Уникальными антифрикционными свойствами обладает политетрофторэтилен (ПТФЭ), или фторопласт. Он имеет низкий коэффициент трения (0,05-0,1) вплоть до температуры размягчения (320 °С).

Использованию фторопласта в чистом виде препятствуют его низкая прочность, плохая теплопроводность, высокий коэффициент теплового расширения и низкая способность сопротивляться трению при высоких скоростях и повышенном тепловыделении. В связи с этим ПТФЭ наносят на поверхность пористого металла, чаще всего пористой бронзы. ПТФЭ, заполняя поры металла, обеспечивает хорошие антифрикционные свойст­ ва, а бронзовая матрица создает достаточно прочный и хорошо проводя­ щий теплоту каркас.

6.5. Жидкостное трение

Жидкостное трение - это вид трения, при котором трущиеся поверх­ ности разделены слоем жидкого смазочного материала, находящимся под определенным давлением. Давление смазочного материала уравновешива­ ет внешнюю нагрузку, поэтому слой смазочного материала, восприни­ мающий внешнюю нагрузку, называют несущим.

В условиях жидкостного трения сопротивление движению определя­ ется внутренним трением (вязкостью) жидкости и складывается из сопро­ тивлений скольжению слоев масла по толщине смазочного слоя. Для узла трения такой режим со свойственным ему малым коэффициентом трения следует считать оптимальным по затратам энергии на трение, долговечно­ сти и износостойкости трибосистемы. Сила трения при жидкостном тре­ нии не зависит от природы сопрягаемых поверхностей.

Вязкость проявляется в виде касательных усилий на поверхности и внутри некоторого объема жидкости при изменении его формы.

Существуют функциональные связи между касательным напряжени­ ем х на площадке внутри движущейся жидкости и производной скорости V по нормали п к этой площадке. Такие зависимости называют реологиче­ скими характеристиками.

Изменение касательных напряжений в зависимости от производной

dп

Вобщем случае деформация среды начнется тогда, когда напряже­

ния достигнут значения то (кривая / на рис. 14). Тогда