4. Условия контактирования

В природе нет оптимальных решений.

Н. Н. Моисеев

Упрощенное представление о силе трения как о функции нормальной нагрузки несостоятельно. Сила трения является не функцией нормальной нагрузки, а оператором условий контактирования и процессов, возникающих при различном сочетании внешних факторов: наличия и типа движения, скорости и температуры, контактирующих материалов и условий смазывания и т. д.

Для понимания процессов, протекающих в контактной зоне, рассмотрим первый элемент триады Крагельского - контактирование элементов трибосистем.

4.1. Статический контакт (трение покоя)

Бездействие всегда приносит

спокойствие.

Лао - Цзы

Трение покоя или статическое трение - это процесс, предшествующий началу скольжения сдвигаемого тела, сопровождающийся увеличением сдвигающей силы до некоторого максимума, после которого начинается соб-ственно скольжение, характеризующееся резким уменьшением сдвигающей силы.

F,Н

F_п

F_с

ε

L,мм

Рис.38.Зависимость силы трения от перемещения

Следовательно, трение покоя - это процесс перехода от начала прило-жения сдвигающей силы до относительного скольжения контактирующих тел.

На первом этапе контактирования под действием рабочих нагрузок возникают нормальные контактные напряжения, следствием которых является взаимное внедрение элементов шероховатости контактирующих тел.

При деформации зон фактического контакта на поверхностях тел (металлических) разрушаются, обычно хрупкие, пленки оксидов и обнажаются ювенильные поверхности. Взаимное сближение поверхностей на участках фактического контакта до расстояний всего на порядок превышающих межатомные способствует возникновению сил межатомного

(или межмолекулярного) притяжения. Эти силы вызывают на контактных участках адгезию, пропорциональную площади контакта. Так образуются адгезионные фрикционные связи.

Трение покоя оценивается методом предварительного смещения e - величиной деформации фрикционных связей под действием сдвигающей силы, равной полной силе трения F_п.

Полная сила трения покоя F_п - это сила трения в момент, предшеству-ющий началу скольжения (см. рис. 38). Предварительное смещение имеет порядок мм и состоит из обратимой после снятия нагрузки и необратимой частей.

На рис.39 показана типичная зависимость силы трения покоя от пред-варительного смещения при разных нормальных нагрузках N. Правые ветви кривых - нагрузка, левые - разгрузка. Заштрихованная часть соответствует зоне упругих деформаций.

С физической точки зрения это объясняется многокомпонентностью процесса контактирования. Причём, каждый из его компонентов имеет своё

характерное время или даже спектр времён релаксации.

Рис.39. Зависимость силы трения от предварительного смещения

Реологические (изменяющиеся во времени) свойства фрикционного контакта проявляются в увеличении деформации фрикционного сопряжения во времени при постоянной нагрузке; в том, что момент страгивания узла сразу после остановки и через продолжительное время различны; а также в возникновении релаксационных колебаний (см. раздел 3.2).

Реология контакта может быть описана моделью наследственных процессов с затухающей памятью.

ε(t) = ε₀ + (ε_∞- ε₀)[1 - ехр(- ) ], (12)

где

ε₀ и ε_∞ -соответственно мгновенная и равновесная деформации (сближения),

τ- постоянная времени ползучести ( мин.или час.),

t - продолжительность контакта (мин. или час.).

Рис.40. Сближение контактирующих поверхностей из олова

(1-1,5МПа; 2-1,1МПа).

Основываясь на теории, объясняющей общую природу трения и на ее экспериментальном подтверждении, применительно к трению покоя, можно сформулировать ряд основных закономерностей.

1. Рост силы трения покоя пропорционален сближению контактирующих тел, так как это увеличивает деформацию микронеровностей и адгезионные силы.

2. Сила трения покоя растет более интенсивно в начальный момент контакта, так как наиболее слабые вершины микронеровностей деформиру-ются сильнее, чем их основания.

3. Кроме того, сила трения покоя растет от продолжительности контакта, так как контактная зона обладает вязкостными (реологическими) свойствами.

Сила трения покоя имеет большое практическое значение при эксплуатации всех прессовых и резьбовых соединений, спуске судов со стапелей на воду, опускании шлюзовых гидрозатворов, выпуске самолетных шасси и т.п.