Файл: Износа и смазки.pdf

48 твердого тела в окружающей среде. Эффект может быть вызван не только адсорбцией, но и воздействием жидкости.
Наиболее сильно эффект Ребиндера проявляется в условиях об- разования новых поверхностей, а также при наличии в твердом теле дефектов (в частности границ зерен). Расплавленные легкоплавкие металлы являются сильными поверхностно-активными средами по отношению к более тугоплавким металлам и могут вызвать резкое понижение их прочности. Эффект Ребиндера лежит также в основе облегчения процесса резания металлов под влиянием ПАВ смазочно- охлаждающих жидкостей.
2.7.6. Пленки на металлических поверхностях
Практически все металлы подвергаются окислению. Металличе- ские поверхности в процессе обработки очень быстро покрываются первичной окисной пленкой. Такие пленки обнаруживаются и на бла- городных металлах. Несмотря на малую толщину, пленка всего в не- сколько элементарных ячеек кристаллической решетки при нормаль- ной температуре приостанавливает дальнейшее окисление поверхно- сти. Разрушение поверхностей трения в среде воздуха тоже сопрово- ждается их окислением.
Скорость образований оксидной пленки на поверхности металла исчисляется долями секунды. Так, для возникновения слоя толщиной
1,4 нм достаточно 0,05 с. С
увеличением толщины рост пленки за- медляется. Оксидная пленка находится в напряженном состоянии, испытывая растяжение или сжатие в зависимости от соотношения объемов основного металла образовавшегося на его базе окисла. С
увеличением толщины пленки возрастают силы упругости в самой пленке и на границе между пленкой и основным металлом. При неко- торой толщине пленки происходит потеря ее устойчивости, наступа- ют мгновенные смещения, и пленка приобретает пористое (рыхлое) строение.
Внешний слой поверхности состоит из загрязнений, попавших на поверхность при обработке, и адсорбированных газов и паров. Толщи- на этого слоя 0,1…2,5 нм. Расположенный под ним слой, возникаю- щий под влиянием атмосферного кислорода, имеет на железе толщину до 5 нм, на стали примерно до 2 нм, а на алюминии до 15 нм. Толщина граничного смазочного слоя около 20 нм.

49
Контрольные вопросы к разделу 2
1. Что такое шероховатость? Причины ее появления.
2. Основные параметры шероховатости.
3. Назовите качественные параметры шероховатости.
4. Что такое номинальная площадь контакта?
5. От чего зависит фактическая площадь контакта?
6. Как определяется контурная площадь контакта?
7. Что такое остаточные напряжения? Причины их возникнове- ния.
8. Как влияют пластические деформации на структуру поверх- ностного слоя?
9. Строение поверхностного слоя.
10. Назовите силы, действующие в поверхностном слое.
11. Дайте определение адгезии и когезии.
12. Что такое поверхностная энергия? Причины ее появления.
13. Что такое адсорбция?
14. В чем заключается эффект Ребиндера?

50
3. ТРЕНИЕ
3.1. Общие сведения о трении
В современной механике под трением понимают широкий круг явлений, вызываемых взаимодействием соприкасающихся поверхно- стей твердых тел при относительном перемещении, а также внутрен- ним движением в твердых, жидких и газообразных средах при их де- формации.
Первоначальное развитие получило изучение внешнего трения как силы сопротивления относительному движению соприкасающих- ся тел при трогании с места, скольжении, качении, верчении, при смазке в гидродинамическом режиме, образовании на поверхностях тонких слоев в несколько молекул (граничная смазка) либо в отсутст- вие смазки (сухое трение).
Внутреннее трение характеризует взаимодействие, происходя- щее в объеме одного объекта (твердого тела, жидкости или газа).
Взаимодействие осуществляется по всей геометрической поверхности выделенного слоя. Скорость, с которой слои вещества движутся отно- сительно друг друга, изменяется непрерывно и достаточно плавно.
При внешнем трении взаимодействие осуществляется в общем случае между различными по строению твердыми телами и имеет двойственную атомно-молекулярную и механическую природу. Это взаимодействие реализуется в отдельных изолированных друг от дру- га зонах фактического контакта. Скорость скольжения в зонах факти- ческого контакта изменяется скачком, с чем связаны, например, виб- рация автомобиля при включении сцепления, «дергание» при тор- можении, «визг» тормозов, вибрация резцов при резании и наруше- ние плавности работы медленно движущихся деталей.
Сходство между внешним и внутренним трением заключается в том, что оба вида трения являются диссипативными процессами.
Отличия внешнего трения от внутреннего состоят в следующем.
1. Различная геометрия взаимодействия трущихся поверхностей.
При внешнем трении контакт двух трущихся тел всегда дискретен, т.е. они соприкасаются в отдельных точках. При внутреннем трении поверхность касания непрерывна.
2. При внешнем трении тело перемещается в направлении, пер- пендикулярном вектору относительной скорости. Внутреннее трение

51 характеризуется ламинарным перемещением тела в направлении век- тора относительной скорости.
3. При внешнем трении возникновение и разрушение связей ме- жду трущимися телами локализуется в тонком поверхностном слое, при внутреннем – деформативная зона охватывает весь их объем.
В технике трение является инициатором деформационных, ди- намических, тепловых, акустических, электрических, адгезионных и других процессов, определяющих ресурс работоспособности узлов трения машин, их энергетику и эффективность.
Количественной мерой внешнего трения служит сила внешнего
трения – сила сопротивления относительному скольжению, лежащая в плоскости касания двух твердых тел и являющаяся равнодейст- вующей элементарных сил трения, возникающих в зонах контактов отдельных микронеровностей.
Отношение силы трения к нормальной относительно поверхно- сти трения внешней силе (или нормальной составляющей этой силы) называется коэффициентом трения.
3.2. Виды трения
По характеру относительного движения различают трение сколь- жения и трение качения. В некоторых случаях оба вида трения прояв- ляются совместно, когда качение сопровождается проскальзыванием, например, в зубчатых передачах или между колесами и рельсами.
При трении скольжения относительная скорость всех точек взаимодействующих тел одинакова. При трении качения можно все- гда указать точку в зоне контакта, скорость скольжения в которой равна нулю.
В зависимости от того, является ли относительное перемещение соприкасающихся пар макро- или микросмещением, различают силу трения движения, неполную силу трения покоя и наибольшую силу трения покоя. Сила трения движения – сила сопротивления при от- носительном перемещении одного тела по поверхности другого под действием внешней силы, тангенциально направленной к общей гра- нице между этими телами. Наибольшая сила трения покоя – сила предельного сопротивления относительному перемещению соприка- сающихся тел без нарушения связи между ними и при отсутствии смещения в месте контакта. Приложенная к одному из тел параллель- но плоскости касания сила, превышающая хотя бы на бесконечно ма-

52 лую величину силу трения покоя, уже нарушает равновесие. Непол-
ная сила трения покоя – сила сопротивления, направленная против усилий сдвига, при отсутствий смещения в месте контакта. Она изме- няется от нуля (при отсутствии сил, стремящихся нарушить относи- тельный покой тел в плоскости их касания) до наибольшего значения, когда она переходит в силу трения покоя.
В зависимости от наличия смазочного материала различают: трение без смазочного материала и трение со смазочным материалом.
3.2.1. Трение скольжения
Под трением понимают сопротивление, возникающее при пере- мещении одного тела относительно другого, прижатого к первому.
При этом различают трение покоя, скольжения и качения (рис. 3.1).
F
F
П
F
CT
F
L
L
П
L
ПM
а
б
Рис. 3.1. Характерные случаи формирования сил трения:
а – сила трения покоя; б – сила трения скольжения
Силой трения покоя F
n
называют сдвиговое усилие, приклады- ваемое к контактирующим телам и не вызывающее их взаимного скольжения (см. рис. 3.1, а). При этом взаимное перемещение L
n
дос- тигается 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. На рисунке 3.1 показана предельная величина предва-

53 рительного смещения L
пм
и соответственно предельное значение си- лы трения покоя, которое называют статической силой трения F
cт
Различают коэффициенты трения покоя (статический) и скольжения
(кинетический).
Механизм возникновения трения объясняет молекулярно- механическая теория трения, в разработку которой внесли большой вклад российские ученые (Дерягин Б.В., Крагельский И.В. и др.) и за- рубежные ученые (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) со- ставляющей
F=F
M
+F
D
,
(3.1) где F
M
– молекулярно-адгезионная составляющая силы трения, Н;
F
D
– деформационно-механическая составляющая силы трения, Н.
Молекулярная составляющая обусловлена сопротивлением раз- рыву молекулярных либо межатомных связей, которые возникают между контактирующими телами.
Механическая составляющая вызвана сопротивлением упругому и пластическому оттеснению выступов контактирующих тел, вне- дрившихся при движении в контактирующие поверхности (рис. 3.2).
N
N
V
V
а)
б)
Рис. 3.2. Упругое(а) и пластическое (б) оттеснение материала
при скольжении
На рисунке 3.2, а показано скольжение жесткого сферического индентора по вязкоупругому полупространству. Материал после про- хода выступа из-за запаздывания деформации по отношению к на-
а б

54 грузке не успевает восстанавливать форму. Поэтому выступы перед индентором и после несимметричны, а реакция опоры, приложенная в центре контактной поверхности, не совпадает по направлению с нормальным усилием. Это явление характеризуется гистерезисом де- формации.
На рисунке 3.3 показана кривая гистерезиса при растяжении- сжатии вязкоупругого стержня. Кривая ОМ отражает процесс нагру- жения, а кривая MN – процесс разгрузки. Из-за запаздывания дефор- мации в тот момент, когда напряжение равно нулю, деформация не исчезает и равна о
. Поэтому след, оставшийся при движении высту- па, не успевает восстанавливаться полностью, чего следовало бы ожидать для идеальной упругой среды.
М
0
N
O
Рис. 3.3. Гистерезис
На рисунке 3.2,б показано поведение жесткого выступа при скольжении по пластической среде. Вначале, пока скольжение отсут- ствует, под действием нормального усилия выступ заглубляется. При скольжении задняя граница выступа отрывается от лунки. Впереди возникает валик оттесняемого материала. Коэффициент трения опре- деляется по зависимости (1.4).
Многочисленные исследования показали, что для металлов де- формационная составляющая коэффициента трения примерно в 100 раз меньше, чем адгезионная. Поэтому коэффициент трения в первом приближении равен адгезионной составляющей.
На коэффициент трения скольжения оказывают влияние:

55 1. Внешняя нагрузка N. С ростом N f
M
уменьшается, f
D
увели- чивается, т.е. молекулы отталкиваются у разнородных материалов, у однородных притягиваются.
2. Шероховатость поверхности. При выборе оптимальной ше- роховатости необходимо принимать во внимание величину площади контакта, условия эксплуатации и тип смазочного материала. При увеличении величины шероховатости f
M
уменьшается, f
D
увеличива- ется.
3. Твердость трущихся тел. Увеличение твердости приводит к росту коэффициента трения.
4. Температура контактирующего тела. С ростом температур наблюдается возрастание коэффициента трения, при этом f
M
умень- шается; f
D
увеличивается (сваривание).
5. Скорость скольжения. Ее увеличение приводит к снижению коэффициента трения скольжения.
В таблице 3.1 приведены значение коэффициентов трения скольжения для различных сочетаний материалов.
Таблица 3.1
Коэффициенты трения скольжения
Пары качения
Коэффициент трения f
Тазобедренный сустав
0,008
Подшипник скольжения
0,02–0,08
Сталь-бронза
0,15
Сталь-абразивный круг
0,9
Для измерения силы трения применяют различные трибометры.
Они позволяют исследовать влияние на трение шероховатости по- верхностей, материалов пары трения, нормальной нагрузки, скорости скольжения, температуры, смазки и многих других факторов.
3.2.2. Трение качения
Сила трения качения по крайней мере в 10 раз меньше силы трения скольжения. Силы трения качения объясняли различными теориями. Ранее считалось, что трение качения сопровождается

56 скольжением сопряженных поверхностей. Позднее было установлено, что скольжение оказывает влияние на силу трения качения.
Трение качения представляет собой сопротивление качению, причиной которого, по упрощенной схеме, является деформация тел в месте их контакта. Если в контакте отсутствуют пластические де- формации, то тогда трение обусловлено гистерезисными потерями в твердом теле.
Взаимное проскальзывание поверхностей можно представить при рассмотрении качения шарика (рис. 3.4).
А
В
С
D
Рис. 3.4. Шарик, катящийся по канавке
Окружность АВ шарика перемещается посередине канавки, а ок- ружность CD касается ее края. Как видно из рисунка, окружность АВ проходит за один оборот шарика большее расстояние, чем окружность
CD. Эта разница обуславливает скольжение поверхностей трения.
На поверхностях тел качения возникают силы сцепления. Адге- зионное сцепление незначительно влияет на силы трения качения, но оказывает большую роль при изнашивании тел качения.
При трении качения, в случае твердых тел, деформации поверх- ностей незначительны, поэтому окисные пленки на поверхностях трения не подвергаются значительным разрушениям. Вследствие чего скольжение поверхностей происходит не по металлу, а по пленкам, которые могут изнашиваться. Это объясняет влияние скольжения на износ тел качения.
По экспериментальным данным, сила трения качения для при- работанного состояния поверхностей находится по зависимости
,
(3.2) где k – коэффициент трения качения, зависящий от материала;
N
ш
– нагрузка на шарик, Н;

57
D – диаметр шарика, мм;
n = 1,7…1,85;
m = 1,5…1,6.
На силу трения оказывают влияние: вязкость смазочного мате- риала, размер тел качения, трение в сепараторах, шероховатость по- верхностей и др.
Сила трения в подшипниках качения увеличивается при техно- логических и монтажных погрешностях, высоких скоростях и при трении в уплотнениях. Значение коэффициента трения в подшипни- ках различных типов составляет 0,001…0,01.
Момент трения в подшипниках качения
M=0,5 f
Q
.
Q
.
d или M=0,5 f
T
.
T
.
d,
(3.3) где f
Q
– коэффициенты трения при радиальной нагрузке;
f
T
– коэффициенты трения при осевой нагрузке;
d – диаметр вала, мм;
Q – радиальная нагрузка, Н;
Т – осевая нагрузка, Н.
Некоторые ориентировочные значения коэффициентов трения качения приведены в таблице 3.2.
Таблица 3.2