Лекция
Виды трения в узлах машин
По характеру относительного движения различают трение скольжения и трение качения. Иногда оба вида трения проявляются совместно.
Различают силу трения движения, неполную силу трения покоя и наибольшую силу трения покоя.
Сила трения движения – это сила сопротивления при относительном перемещении одного тела по поверхности другого под действием внешней силы тангенциально направленной к общей границе между этими телами.
Наибольшая сила трения покоя – сила предельного сопротивления относительному перемещению соприкасающихся тел без нарушения связи между ними и при отсутствии смещения на контакте.
Неполная сила трения покоя – сила сопротивления, направленная противоположно сдвигающему усилию при отсутствии смещения на контакте; она изменяется от нуля до наибольшего значения, когда она переходит в силу трения покоя.
В зависимости от наличия смазочного материала трение может быть «сухим» – без смазочного материала и со смазочным материалом.
Трение без смазочного материала между трущимися поверхностями бывают в тормозах, фрикционных передачах, в узлах машин текстильной, пищевой и химической промышленности, где смазочный материал недопустим во избежание порчи продукта, а также в узлах машин, работающих в условиях высоких температур, когда любой смазочный материал непригоден.
Трение имеет молекулярно-механическую природу. На площадках фактического контакта поверхностей действуют силы молекулярного притяжения, которые проявляются на расстояниях в десятки раз превышающих межатомные расстояния в кристаллических решетках и увеличиваются с повышением температуры. Молекулярные силы вызывают на том или ином участке адгезию. Она возможна между металлами и пленками оксидов. Адгезия может быть вызвана и действием электростатических сил. Силы адгезии прямо пропорциональны площади фактического контакта. Приложенное давление влияет на эти силы косвенно, через площадь физического контакта.
Молекулярные силы, как силы, перпендикулярные поверхности, вроде бы не должны препятствовать тангенциальному перемещению поверхностей (так же как и силы адгезии). На самом же деле относительное смещение поверхностей при наличии взаимного притяжения и адгезии сопровождается деформацией сдвига, что требует затрат энергии в необратимой форме.
Более сильным проявлением молекулярных сил является схватывание поверхностей. Сила трения в этом случае зависит от протяженности зон схватывания и сопротивления их разобщению.
В общем случае сила трения Т, обусловленная механическим и молекулярным взаимодействиями:
Т = аSф + bP, где, (5.1)
а – средняя интенсивность молекулярной составляющей силы трения;
Sф – фактическая площадь контакта;
b – коэффициент, характеризующий механическую составляющую силы трения;
P – сила давления.
Коэффициент трения f представляет собой отношение силы трения к силе давления, то есть
f = aSф/P + b (5.2)
Выражения (5.1) и (5.2) действительны для трения со смазочным материалом и без него.
Статическая сила трения в зависимости от продолжительности неподвижного контакта возрастает до некоторого предела. Сила трения движения зависит от скорости скольжения поверхностей, причем соответственно давлению и твердости сопряженных тел коэффициент трения может быть монотонным, возрастать, убывать, переходить через максимум или минимум.
Трение без смазочного материала сопровождается скачкообразным скольжением поверхностей. Именно с этим связаны вибрации автомобиля при включении сцепления, «дергание» при торможении, «визг» тормозов и др. Пленки оксидов, влага и загрязнения на металлических поверхностях влияют на коэффициент трения двояко. При наличии тонких пленок оксидов коэффициент трения снижается. Толстые пленки оксидов обладают меньшей твердостью. Это приводит к повышению площади фактического контакта, и следовательно, к увеличению силы трения.
При граничной смазке, поверхности сопряженных тел разделены слоем смазочного материала очень малой толщины (до 0,1 мкм). Наличие такого слоя снижает силы трения в 2…10 раз и уменьшает износ сопряженных поверхностей в сотни раз.
Все масла способны адсорбироваться на металлической поверхности. Они образуют на ней квазикристаллическую фазу, обладающую более или менее прочной связью с поверхностью. При наличии толстой масляной пленки переход от ориентированной структуры масла к неориентированной происходит скачком. Молекулы смазочного материала ориентируются перпендикулярно к твердой поверхности, что позволяет представить граничную пленку в виде ворса (Рис. 5.1). При взаимном перемещении поверхностей трения «ворсинки» как бы изгибаются в противоположные стороны, поэтому сопротивление скольжению в этом случае несколько повышено.
-
Рис. 5.1 – Схема скольжения идеальных поверхностей тел при граничной смазке
Смазочный материал в граничном слое анизотропен, в тангенциальном направлении молекулярные слои легко изгибаются и при толщине слоя больше некоторой критической величины скользят друг по другу. По нормали к поверхности пленка обладает высоким сопротивлением сжатию.
А – участки, воспринимающие нагрузку;
Б – участки непосредственного контактирования.
Рис. 5.2 – Схема контактирования реальных поверхностей при граничной смазке
Механизм трения при граничной смазке представляется в следующем виде. Под нагрузкой протекает упругая и пластическая деформации на площадках контакта. На площадках контакта может произойти взаимное внедрение поверхностей без нарушения целостности смазочной пленки. Сопротивление движению при скольжении складывается из сопротивления сдвигу граничного слоя и сопротивления «пропахиванию» поверхностей внедрившимися объемами. Кроме того, на площадках контакта, подвергнутых наиболее значительной пластической деформации, и в пунктах с высокими местными температурами может произойти разрушение смазочной пленки с наступлением адгезии обнажившихся поверхностей и даже схватывание металлов на микроучастках Б. (Рис. 5.2.). Это вызывает дополнительное сопротивление движению.
Благодаря подвижности молекул смазочного материала, на поверхности трения адсорбция протекает с большой скоростью, что сообщает смазочной пленке свойство «самозалечиваться» при местных ее повреждениях. Это предупреждает процесс лавинного схватывания.
Не возобновляемая граничная пленка, по мере возрастания пути трения, изнашивается, масло из пленки адсорбируется на продукты износа и уносится с поверхности трения; происходит сублимация пленки как твердого тела и удаление масла в атмосферу. Окисление пленки способствует дезориентации структуры и ее разрушению.
При трении с граничной смазкой износ деталей машин велик. В силу волнистости и шероховатости поверхностей их контактирование происходит на очень малых участках трения; контактные давления имеют высокие значения, и тонкая граничная пленка масла не предохраняет поверхности от пластической деформации, что неизбежно ведет к износу деталей. Это является непреодолимым недостатком граничной смазки.
Некоторые твердые тела могут производить смазочное действие, организуя и поддерживая режим трения при граничной смазке. К ним относятся тела со слоисто-решетчатой, пластинчатой структурой, мягкие металлы и тонкие пленки пластиков.*
Кроме граничной смазки существует жидкостная, вязкопластическая и контактно-гидродинамическая смазка. В отличие от граничной смазки в этих случаях отсутствует непосредственный контакт между сопряженными поверхностями; они полностью разделены слоем смазочного материала. Этот материал подается в зазор между поверхностями либо под принудительным давлением, либо затягивается в клиновидные зазоры специальным образом сконструированных деталей. Износ трущихся поверхностей в этом случае многократно уменьшается.
Кроме различных видов трения скольжения в узлах машин наблюдается трение качения. Сила трения качения по крайней мере в 10 раз меньше силы трения скольжения. Сопротивление качению объясняется деформационными и гистерезисными потерями в нижележащем твердом теле. При отсутствии пластической деформации сопротивление трению обусловлено только гистерезисными потерями в твердом теле.
Рис. 5.3
Деформационные потери обусловлены пластической деформацией площадки контакта и появлением при этом проскальзывания. Взаимное проскальзывание поверхностей видно при рассмотрении качения шарика. Окружность AB проходит за один оборот шарика большее расстояние, чем окружность CD. Эта разница и обуславливает скольжение поверхностей трения.
Рис. 5.4
Гистерезисные потери при трении качения поясним с помощью рисунка 5.4. Еще Рейнольдс заметил, что когда цилиндр из твердого материала катится по плоской поверхности резины, то при каждом обороте он проходит путь меньший, чем длина окружности цилиндра. Он предположил, что резина растягивается в точке C по другому, чем в точках B и D, и в результате имеет место проскальзывание с соответствующим рассеиванием энергии. Из Рис. 5.4 видно, что спереди перед роликом в точке E образуется углубление, а сзади в точке A упругий материал полностью (резина) или частично (пластичный материал) восстанавливается под действием сил упругости, либо упругого гистерезиса. Кроме того, вследствие необратимой пластической деформации силы реакции позади цилиндра меньше, чем силы давления впереди него. В результате цилиндр совершает работу деформации.
На поверхностях тел качения, как и при скольжении, возникают силы сцепления. Адгезионное сцепление незначительно влияет на силы трения качения, но играет большую роль в изнашивании тел качения. При трении качения твердых тел деформации поверхностей невелики и оксидые пленки, имеющиеся на поверхностях, не подвергаются значительным разрушениям. Поэтому скольжение поверхностей происходит не по металлу, а по оксидам, которые могут изнашиваться. Это и объясняет влияние скольжения на износ тел качения.