Трибология. Основные задачи дисциплины (стр. 2 из 3)

Глава 2.

2.1 Трение скольжения.

Под трением понимают сопротивление, возникающее при перемещении одного тела относительно другого, прижатого к первому. При этом различают трение покоя, скольжения и качения.

Силой трения покоя (F_n) называют сдвиговое усилие, прикладываемое к контактирующим телам, и не вызывающее их взаимного скольжения. При этом взаимное перемещение (L_n) достигается за счет деформации материала выступов шероховатости в зоне контакта и называется предварительным смещением. Оно носит в основном упругий характер и исчезает при снятии сдвигающего усилия. Однако по мере роста сдвигающего усилия предварительное смещение приобретает пластический характер и становится частично необратимым.

Силу трения можно представить в виде произведения удельной силы трения (t) и фактической площади контакта (А_r):

F = tA_r. (1)

Под коэффициентом трения понимают отношение силы трения к действующему на контакте нормальному усилию:

m = F/N. (2)

Здесь также различают коэффициенты трения покоя (статический) и скольжения (кинетический).

В зависимости от характера смазочной прослойки различают 4 вида трения: сухое, граничное, гидродинамическое (жидкостное) и смешанное (одновременно имеются элементы сухого, граничного и гидродинамического трения). В первом случае контактируют несмазываемые поверхности, покрытые окисными пленками и тончайшими слоями молекул газов и воды, адсорбированными из окружающей среды. Во втором случае, помимо перечисленных пленок, присутствуют молекулы смазочных материалов в виде тонкого слоя толщиной в несколько молекул, которые прочно связаны с поверхностью. В третьем случае слой жидкой смазки полностью разделяет сопряженные поверхности.

Сухое и граничное трения сходны по своей природе и имеют общие закономерности. Причиной служит то обстоятельство, что при граничном трении мономолекулярные слои смазки прочно связаны с твердой поверхностью, обладают твердообразными свойствами и как бы служат продолжением твердой фазы. Поэтому, как и при сухом трении, фактически имеет место контакт двух твердых поверхностей. Отличие проявляется в разных значениях коэффициента трения. Если при сухом трении он обычно больше 0,2 , то при граничном его величина заключена в интервале 0,05-0,2.

Механизм возникновения трения объясняет молекулярно-механическая теория трения, в разработку которой внесли большой вклад российские ученые (Б.В. Дерягин, И.В. Крагельский и др.) и зарубежные (Боуден, Тейбор, Томлинсон и др.). В соответствии с этой теорией трение имеет двойственную молекулярно-механическую природу. Силу трения можно представить как сумму молекулярной (адгезионной) и механической (деформационной) составляющих:

F = F_A + F_D . (3)

Молекулярная составляющая обусловлена сопротивлением разрыву молекулярных либо межатомных связей, которые возникают между контактирующими телами. Механизм этого процесса аналогичен описанному в гл. 2 для разрушения кристаллической решетки при сдвиге. Рассеяние работы трения в теплоту связано с упругой деформацией кристаллических решеток. Работа внешней силы переходит в потенциальную энергию решеток. После разрыва связи потенциальная энергия переходит в энергию колебаний атомов - во внутреннюю.

Механическая составляющая вызвана сопротивлением упругому и пластическому оттеснению выступов контактирующих тел, внедрившихся при движении в контроповерхности.

Для измерения силы трения применяют различные трибометры. На них изучают трение образцов в виде дисков, контактирующих торцами; цилиндров, контактирующих по образующей, и т.д. Наиболее простым и часто используемым является трибометр.

На рисунке ниже представлена схема этого устройства.

Образец 1 прикрепляется к пружинному динамометру 3 и прижимается к контртелу 2, приводимому в движение. Динамометр измеряет силу трения. Прибор позволяет исследовать влияние на трение шероховатости поверхностей, материалов пары трения,

нормальной нагрузки, скорости скольжения, температуры, смазки и многих других факторов.

Схема трибометра.

2.2 Трение качения.

Если бы колесо, катящееся по основанию, не испытывало проскальзывания, то такое движение было бы чистым качением и путь, проходимый любой точкой поверхности колеса по основанию за один оборот, составлял бы 2pr. Однако качения без проскальзывания не бывает. Колесо и основание испытывают упругие деформации. При этом колесо в зоне контакта сжимается, а основание - растягивается (стрелки на рис. а).

а) б)

Взаимодействия колеса с опорой.

Поэтому на контакте постоянно происходит проскальзывание колеса относительно основания. Это один из источников рассеяния энергии. Другим источником является вязкоупругое поведение материалов основания колеса. Если к оси колеса не приложено тяговое усилие, то дуга контакта симметрична (см. рис. а), и реакция опоры соосна с нормальной нагрузкой. Если приложить тяговое усилие и колесо приходит в движение, то зона контакта искажается (см. рис.б). Материал сзади колеса не успевает восстановить форму. При малых скоростях коэффициент трения качения увеличивается с повышением скорости, а при больших - уменьшается.

Также существует гидродинамическое трение как один из основных видов трения.

Гидродинамическое (жидкостное) трение характеризуется тем, что трущиеся поверхности разделены слоем масла. Минимальная толщина слоя должна быть больше, чем суммарная высота наиболее высоких микронеровностей обеих поверхностей: h_min³ (R_max1+R_max2).

2.3 Фрикционные автоколебания.

Проведём самый простой эксперимент. Будем тянуть тело с помощью троса, в который врезана пружина динамометра, и притом потянем за хвостик с постоянной скоростью. Окажется, что само тело не двигается с той же скоростью, а перемещается толчками. И это легко качественно объяснимо с помощью представленной выше картины. Действительно, один конец пружины прикреплен к телу, а второй начинает удаляться. К телу приложена упругая сила пружины, пропорциональная ее растяжению. Вначале эта сила мала и меньше силы упругого сцепления контакта (трения покоя), так что тело стоит на месте, а точнее, испытывает только незаметное микросмещение. При дальнейшем вытягивании сила пружины преодолевает силу контакта и тело начинает скользить по поверхности. Но сила сопротивления скольжению ниже статического трения, и возникает положительная разность сил, разгоняющая тело. Пружина начнет сжиматься, а создаваемая ею упругая сила - уменьшаться, тело тормозится, вновь прилипает к поверхности, и придется затратить еще время, чтобы вновь растянуть пружину для преодоления трения покоя.

Таким образом, движение тела оказывается колебательным, в котором периодически сменяются фазы прилипания и скольжения (по-английски это звучит короче - stick and slip). Такое движение принято называть фрикционными автоколебаниями: фрикционными потому, что они порождены трением (friction), а авто потому, что они не навязаны извне какой-либо внешней колеблющейся силой, а являются внутренним свойством системы. Внешнее воздействие - движение конца троса не является колебательным, трос движется с постоянной скоростью. Конечно, через этот трос мы «подпитываем» тело энергией, поэтому-то колебания являются незатухающими, несмотря на потери энергии в контакте.

Причинами колебаний являются реологические свойства контакта, а также упругие свойства элементов пары трения и их связей с другими деталями. Главным проявлением реологии контакта является рост статической силы трения с увеличением времени неподвижного контакта и скачкообразное падение силы трения при переходе от покоя к движению, а затем падение силы трения с ростом скорости скольжения, вызванное, главным образом, скачком температуры на пятнах контакта. Динамическая модель такой системы изображена на рисунке:

Схема модели фрикционных автоколебаний.

Фрикционные автоколебания - крайне нежелательный эффект в технике. Для многих машин требуется обеспечить плавное, без толчков, медленное движение. Сварочный робот должен плавно вести сварочный аппарат вдоль свариваемого шва: если возникнут колебания, то в одном месте будет перегрев и свариваемые пластины деформируются, а в другом сварка не осуществится вовсе, аппарат его проскочит. А ведь робот - это механизм, в узлах которого обязательно возникает трение. При работе разных механизмов часто возникают колебания, связанные с трением. Они приводят к появлению скрипов, которые проявляются при движении (скрип колес, тормозов, скрип протекторов автомобилей, когда машина идет юзом и др.).

Обрисованная картина указывает и на два главных пути уменьшения трения: улучшить качество обработки поверхностей, чтобы уменьшить пики, а тем самым силу страгивания, или обеспечить возможно лучший доступ смазки и сохранность поверхностного слоя. Это самые важные пути, и они предназначены не только для борьбы за плавность хода, но прежде всего для борьбы с ненужными потерями энергии в скользящих контактах. Поиском эффективных видов смазочных материалов и способов их подвода к скользящим поверхностям занимается большое количество специалистов. В зависимости от уровня гашения колебания могут существовать либо не возникать вовсе. От этого зависит устойчивость, надежность и долговечность механических систем, что необходимо учитывать при проектировании механизмов и замене деталей при ремонте и техобслуживании.