1.2.3. Основные гипотезы и закономерности
Если б никогда не допускались догадки,
даже ошибочные, то мы бы не добыли
ни одной истины.
Л. Эйлер
Под действием рабочих нагрузок возникают нормальные контактные напряжения. Следствием этого является вдавливание поверхностных кристаллитов, повёрнутых более твёрдыми гранями, в менее твёрдые грани кристаллитов контактирующего тела, более мягкие примеси или участки разрыхлённые микротрещинами. Относительное скольжение тел приводит к их взаимной поверхностной деформации, препятствующей движению.
Одновременно, нормальные нагрузки способствуют сближению повер-хностей в контактных зонах до расстояний порядка межатомных. Силы межатомных взаимодействий вызывают образование межатомных (межмолекулярных) связей, также препятствующих движению.
Таким образом, при трении возникают фрикционные кинематические связи, накладываемые на относительное перемещение тел и реализуемые через деформацию и адгезию (прилипание). Время их существования соответствует примерно 10-5 секунд [34].
Изучение условий контактирования позволило сформулировать молекулярно-механическую или иначе адгезионно-деформационную гипотезу возникновения сил трения (Ш.Кулон, И.В.Крагельский), общепринятую в настоящее время. В соответствие с этой гипотезой трение обусловлено:
1-сопротивлением деформированию материала внедрившимися микроне-ровностями (механическая или деформационная составляющая силы трения);
2-преодалением атомарных (молекулярных) сил (молекулярная или адге-зионная составляющая силы трения).
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 [34].
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. Крагельский сформулировал гипотезу 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.
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. д.
Коэффициент перекрытия – это отношение наименьшей номиналь-ной площади контакта к наибольшей. Для подшипников его величина при-мерно равна единице (рис. 5).
Рис.5 Расчёт коэффициента перекрытия
Для удобства рассмотрения условий контактирования И.В.Крагельским была сформирована логическая схема - триада Крагельского. Эта схема тре-
бует последовательного рассмотрения
1- взаимодействия контактных поверхностей,
2- изменений в поверхностных слоях и
3- их разрушения то есть изнашивания.
Б.И.Костецким было впервые установлено явление структурной приспособляемости материалов при трении [26,29] - феномена самоорганизации в неживой природе. Свойство самоорганизации - это устойчивое воспроизведение макроскопических пространственно-временных структур [34]. Они существуют только за счёт подвода к ним энергии и вещества.
В последнее время сделан ряд попыток разработки аксиоматического подхода к трибонике. Один из примеров исходных аксиом приведён ниже.
1. Процесс трения возможен только в результате контактирования материальных тел.
Эти тела могут находиться в любом агрегатном состоянии: быть твёрдыми, жидкими, газообразными или являться их любым сочетанием.
В контакте может возникать трение качения, скольжения, верчения или их любая комбинация; реализоваться трение покоя или движения, внешнее или внутреннее.
2. Процесс трения всегда протекает одновременно по двум параллельным схемам: детерминированной и вероятностной.
Неизбежно случайное варьирование физикомеханических свойств технических материалов, колебаний режимов работы реальных машин и параметров окружающей среды.
3. Любая трибосистема является открытой системой.
Трибосистема обменивается с окружающей средой материей: выделяет продукты износа, адсорбирует из атмосферы пары и газы; энергией: ассимилирует механическую и рассеивает тепловую; информацией: адаптируется к нагрузочно-скоростным режимам (приработка), изменяет шероховатость на равновестную, сообщает материалам текстуру и т. д.
4. Диссипация энергии – фундаментальное свойство всех трибосистем.
Действительно, механическая энергия преобразуется и рассеивается при трении покоя и движения, качения и скольжения, при внешнем и внутреннем трении.
Таким образом, сформулированные аксиомы удовлетворяют всем трём необходимым требованиям: непротиворечивости, полноте и независимости.
Следует отметить, что система аксиом не есть нечто застывшее. Она может и должна изменяться в процессе развития и дополняться.