3. Сопутствующие трению процессы и эффекты

Господь Бог изощрен, но не злонамерен.

А. Эйнштейн

Современный опыт инженерной и научной деятельности в области трения и изнашивания показал, что сугубо механический подход к этой дисциплине может дать ответы лишь на частные, хотя и весьма важные, вопросы. Вместе с тем интеграция в единый комплекс всего множества научных подходов, связанных с трением, в настоящее время, да и в ближайшем будущем, неосуществимы.

Это связано с тем, что процесс трения не может быть описан каким-либо одним фундаментальным законом физики, так как является весьма сложным видом взаимодействий: механических, физических, химических. Вклад в суммарный процесс отдельных эффектов зависит от условий контак-тирования и нагружения трибосистемы.

3.1 Теплофизика

Законы физики – не что иное как

естественное право природы.

С. Е. Лец

Диссипация энергии на фрикционном контакте осуществляется по каналам включающим: генерирование теплоты, накопление энергии дефор-мации, образование точечных дефектов, дислокаций, излучение в виде фононов (акустические волны,), фотонов (триболюминесценция), электронов (экзоэлектронная эмиссия) и др. Основным является тепловой канал, диссипирующий до 95 % энергии [52]. Поэтому температура узла трения - это один из наиболее существенных факторов, влияющих на износостойкость контактирующих поверхностей.

Температура любой трибосистемы складывается из температуры окружающей среды, в которой работает машина, и из температуры генерируемой в самом узле трения. В большинстве случаев последняя гораздо выше и оказывает большее влияние на узлы трения.

Генерацию тепла при внешнем трении современная наука рассмат-ривает на основе молекулярно-механической гипотезы трения. Согласно этому контакт твердых тел дискретен и происходит в отдельных пятнах, в которых при взаимном скольжении тел наблюдается износ материалов. Каждое пятно касания имеет некоторую продолжительность существования, после чего оно разрушается. Продолжительность жизни пятна зависит от напряженного состояния материала и скорости скольжения. Она составляет от 0,0001 до нескольких секунд.

Источниками тепловой энергии, генерируемой в трибосистемах, является образование и разрушение фрикционных связей: деформационных и адгезионных.

Следовательно, температура трибосопряжения будет функцией режимов эксплуатации (скорость, нагрузка), свойств применяемых материа-лов (металлы, полимеры), конфигурации контактирующих деталей (вал, втулка, направляющие) и окружающей среды (воздух, вода, вакуум).

По температуре поверхности трения узлы без смазки А.В. Чичинадзе предложил разделять по режимам работы на пять групп:

1. Весьма легкий (до 100 °С).

2. Легкий (до 250 °С).

3. Средний (до 600 °С).

4. Тяжелый (до 1000 °С).

5. Сверхтяжелый (свыше 1000 °С).

В начале, в связи с дискретностью фактического контакта генериру-емая температура локализована на единичных пятнах касания и носит название температуры вспышки. Количество пятен касания зависит от нагрузки и от рельефа поверхности.

Температура вспышки превышает 1000⁰С и может приводить к оплав-лению контактных зон и даже к переходу материала контактирующих микро-объёмов в состояние трибоплазмы (температура до 10⁴К, время 10^-7с [56] ).

Время существования температурных вспышек не превышает 10^-3-10⁹с,

[59] а участки их локализации меняются при движении.

Распределённые по номинальной площади контакта меняющиеся микроскопические участки с температурными вспышками в совокупности образуют ту динамическую картину исчезновения и появления высоких температур в различных точках, которая называется температурным режимом фрикционного контакта.

Из-за высокой теплопроводности металлов, малых времён существо-вания и локализации фрикционных контактов температура вспышки является переменной во времени величиной. Это обстоятельство, а также высокий тепловой напор быстро усредняют температуру по номинальной контактной поверхности. Так образуется средняя температура номинальной поверхности.

Наконец, при усреднении по всему узлу трения получаем среднюю объёмную температуру. Средняя объемная температура узла трения или любого элемента трибосопряжения может быть определена экспериментально калориметрированием. Это самая низкая температура трибосистемы. Но она оказывает наиболее существенное влияние на физико-механические и теплофизические параметры поверхности контактирующих материалов (Рис.25).

Рис. 25. Влияние температуры на твёрдость: 1-стали 30ХГСА, 2-чугуна ЧНМХ, 3- композита ФМК-845, 4-ретинакса ФК-16л

Тепловая энергия распределяется в трибосистеме не равномерно, а в соответствии с теплофизическими свойствами контактирующих материалов. Для подшипников скольжения, когда коэффициент перекрытия близок единице, имеем [35]:

, (9)

где индекс "1" относится к материалу втулки,

- доля тепла, переходящая во втулку,

С - теплоёмкость,

- плотность.

Передача и распространение теплоты в трибосистеме осуществляется теплопроводностью, конвекцией и излучением.

Теплопроводность представляет собой процесс распространения тепловой энергии при непосредственном соприкосновении отдельных частиц тела, имеющих различные температуры. Теплопроводность обусловлена движением микрочастиц тела.

Под конвекцией понимают процесс переноса тепловой энергии при перемещении объемов жидкости или газа в пространстве из области с одной температурой в область с другой. При этом перенос тепла неразрывно связан с переносом самой среды.

Тепловое излучение – это процесс распространения тепловой энергии с помощью электромагнитных волн. При тепловом излучении происходит двойное превращение энергии: тепловая энергия излучающего тела переходит в лучистую и обратно – лучистая энергия, поглощаясь телом, переходит в тепловую.

В природе и технике элементарные процессы распространения тепла – теплопроводность, конвекция и тепловое излучение – очень часто происходят совместно.

Если соединить точки тела, имеющие одинаковую температуру, получим поверхность равных температур, называемую изотермической. Возрастание температуры в направлении нормали к изотермической поверхности характеризуется градиентом температур. Градиент температуры есть вектор, направленный по нормали к изотермической поверхности в сторону возрастания температуры и численно равный производной от температуры по этому направлению, т.е.

grad T=Ī , (10)

где Ī – единичный вектор, направленный перпендикулярно к изотермической поверхности в сторону возрастания температуры;

– производная температуры по координате r - нормали к изотермической

поверхности.

Градиент температуры является важнейшей характеристикой температурного режима трения. Наблюдались случаи, когда только один температурный градиент в поверхностных слоях элементов пары трения при относительно низкой объёмной температуре трибосистемы, вызывал температурные напряжения, увеличивающие контактные деформации до критических.

Нагрев приводит к изменению физико-механических свойств фрикци-онных пар и, следовательно, сказывается на стабильности рабочих характе-ристик узла. Температура и градиент температуры ускоряют окислительные процессы, уменьшают толщину разделяющего слоя смазки, снижают механическую прочность материалов, вызывают внутренние напряжения, коробление, усиливают деформационные, адгезионные процессы, изменяют структурные, фазовые состояния.

Скорость нагрева локальных поверхностных слоёв (≈ 100 мкм) дости-гает 4·10⁴-10⁵ град/с, а скорость охлаждения 10⁴-10⁵ град/с. Это может вызвать точечную закалку.

Таким образом, именно температурное поле в зоне контакта оказывает решающее воздействие на характер трения и износа. Особенно чувствитель-ны к росту температуры металлополимерные трибосистемы.

Причина этого заключается в сильной зависимости от температурных факторов физико-механических характеристик полимерных материалов, а также механических, электрических и химических процессов на фрикцион-ном контакте.

Высокая плотность теплового трибовоздействия и его локализация являются основными причинами структурных превращений на поверхности трения. Эти факторы способствуют переходу полимерного материала в контактных микрообъемах из твердого в высокоэластичное, вязкотекучее и газообразное состояние в результате термоокислительной деструкции.

Рост температуры может оказать и положительный эффект на работу металлополимерной трибосистемы в виде увеличения фактической контакт-ной поверхности, снижения контактных напряжений и коэффициента трения.

Однако, положительный эффект от воздействия температурных параметров на трибосистему характеризуется весьма узким диапазоном, часто индивиду-альным почти для каждого полимерного материала. За пределами этого узкого диапазона температурное воздействие на трибосистему будет носить резко отрицательный характер.

Таким образом, изучение теплофизических характеристик контактной зоны представляется одним из ключевых моментов управления параметрами металлополимерных трибосистем.

Схема влияния температуры и температурного градиента на тех-нические характеристики трибосистем (рис.21) показывает, что это влияние осуществляется через изменение физико-механических свойств контакти-рующих материалов и интенсификацию физико-химических процессов на контакте.

В подавляющем большинстве случаев повышение температуры узла трения и наличие температурного градиента увеличивает износ контакти-рующих материалов. При гидродинамической смазке температура узла снижает вязкостные характеристики используемого масла (растёт критерий Рейнольдса) и гидродинамический клин может быть неустойчивым или вообще не возникнуть, что резко увеличит износ.

При граничной смазке рост температуры может превысить критичес-кую температуру граничных слоёв. Их разрушение увеличит износ.

Температура и температурный градиент

Физико - механические свойства материалов

Модуль

Прочность

Твёрдость

Ползучесть

Остаточные

напряжения

Физико - химические свойства контакта