Экзаменационный
Билет № 14
Контакт шероховатых поверхностей.
Тепловые процессы при трении. Максимальная температура фрикционного контакта.
Эффект заключается в том, что при относительном движении твердых тел, имеющих контакт, происходит превращение кинетической энергии поступательного или вращательного движения во внутреннюю тепловую энергию движения атомов поверхностных слоев трущихся пар. Теплота распространяется в поверхностном слое трущейся пары (от пятен контакта) в глубь контактирующих тел в виде температурных волн, амплитуда которых с увеличением глубины уменьшается. Чем выше скорость скольжения, тем на меньшую глубину распространяются температурные волны. Вместе с тем при возрастании шага неровностей на трущейся поверхности глубина распространения температурных волн в поверхностном слое увеличивается.
Сложность расчета температурных полей контактирующих пар обуславливается теплоотдачей в окружающую среду с боковых стенок и трудностью определения граничных условий.
Можно определить максимальную температуру фрикционного контакта как сумму средней объемной температуры, а также средней поверхностной температуры и температуры вспышки, рассматриваемых как приращение к объемной температуре:
Известно, что контакт твердых тел происходит по пятнам контакта множества микронеровностей, совокупная площадь которых образует фактическую площадь контакта. Данная площадь на 2 - 3 порядка меньше номинальной площади контакта. Так как площадь пятна контакта двух микронеровностей очень
мала, теплота, генерируемая в зоне трения, концентрируется на данных пятнах контакта (рис.1). Продолжительность существования контактов (вспышек температуры) колеблется от наносекунд, до нескольких миллисекунд. За это время температура на пятнах контакта может достигать сотен градусов по Цельсию, что существенно превышает допустимые температуры эксплуатации смазочных материалов. Принимая во внимание недопустимость установки в ответственные изделия подшипников с потенциально низким ресурсом, целесообразным является их предварительный трибомониторинг различными методами (входной контроль, доэксплуатационный контроль, технологический прогон). Для подшипников с ресурсным режимом смазывания интерес представляет разработка методов, позволяющих оценить на этапе технологической обкатки возможные температуры в зоне трения, так как это, в свою очередь, позволяет оценивать вероятные скорости термодеструкции смазочных материалов.
О природе фрикционного нагрева твердых тел при трении. Прежде чем мы приступим к рассмотрению возможных причин, вызывающих нагрев поверхностного слоя, отметим, что с точки зрения классической механики сплошной среды и теории теплопроводности нет никаких оснований считать, что при трении образуется поверхностный слой с отличной от основного материала структурой. Действительно, напряжения и температура в стационарной задаче трения однородно распределены по всей толщине образца. Представление о том, что внешнее напряжение и температура локализованы в приповерхностном слое, требует иного, отличного от стационарного, подхода к решению задачи контактирования при трении.
Рассмотрим ситуацию, когда тепловые и механические воздействия на поверхность материала при трении не являются стационарными, а носят последовательность коротких "ударов", имеющих случайные длительность и интервал следования. Возможность применения такого подхода к анализу взаимодействий при трении может быть обоснована сходством сформировавшихся вторичных структур после импульсного воздействия и трения. После ударного воздействия возникают хорошо развитые прослойки белой зоны с высокой твердостью, по структуре сходные с белыми слоями, образованными в результате трения. Осуществляются фазовые и структурные превращения, происходит измельчение исходного зерна. Имеются и существенные различия данных процессов, которые заключаются в том, что изменение структуры в результате удара зависит от исходного состояния материала, тогда как при трении установившаяся структура практически не зависит от предыстории. По-видимому, это и другие несоответствия импульсного воздействия и трения обусловлены многократностью "ударов" при трении, что способствует достижению равновесного состояния, определяемого условиями трения.
При незначительных контактных нагрузках при изнашивании в основе нестационарного воздействия лежит стохастическое взаимодействие микронеоднородностей поверхности, которое, в зависимости от сочетания внешних воздействий, параметров изнашивания и упругопластической податливости элементов трибосопряжения, может перейти в автоколебательное состояние. Такое изменение динамического поведения системы сопровождается изменением частоты внешнего воздействия на поверхность трения от нескольких десятков МГц при взаимодействии микровыступов, до десятков кГц в случае автоколебаний, когда трение сопровождается схватыванием.
Рассмотрим тепловое воздействие на поверхность трения, с учетом колебательного характера контактирования. При трении металлов с умеренными скоростями скольжения источниками тепла на поверхности трения являются вершины микронеоднородностей, которые с некоторой частотой v взаимодействуют друг с другом. Чтобы не усложнять анализ учетом всех источников, которые распределены случайным образом по поверхности и во времени, рассмотрим плоский источник тепла. Тепловой поток направим по оси Z.
