Глава 1.
1.1 Историческая справка.
Трение может быть полезным и вредным - эту аксиому человек освоил еще на заре цивилизации. Ведь два самых главных изобретения - колесо и добывание огня - связаны именно со стремлением уменьшить и увеличить эффекты трения. Однако понимание природы трения и законов, которым подчиняется это явление, возникло не так уж давно и, к сожалению или к счастью, еще далеко от совершенства.
Талантливый человек во всем талантлив, но лишь немногие гении были гениальны во всем, что бы они ни делали, и, пожалуй, за всю историю человечества только один человек - Леонардо да Винчи заслуживает звания абсолютно универсального гения. Как художник, скульптор и инженер он превосходил своих современников. Как ученый он обогнал свою эпоху на века. Среди бесчисленных научных достижений и первая формулировка законов трения. Он ещё в 1519 утверждал, что сила трения, возникающая при контакте тела с поверхностью другого тела, пропорциональна нагрузке (силе прижима), направлена против направления движения и не зависит от площади контакта. Модель Леонардо да Винчи была переоткрыта через 180 лет Г. Амонтоном и получила окончательную формулировку в работах Ш. О. Кулона (1781). Амонтон и Кулон ввели понятие коэффициента трения как отношения силы трения к нагрузке, придав ему значение физической константы, полностью определяющей силу трения для любой пары контактирующих материалов. До сих пор именно эта формула
Fтр = fтрP,
где P - сила прижатия, а Fтр - сила трения, является единственной формулой, фигурирующей в учебниках по физике, а значения коэффициента трения fтр для различных материалов (сталь по стали, сталь по бронзе, чугун по коже и т.д.) входят в стандартные инженерные справочники и служат базой для традиционных технических расчетов. Однако уже в XIX веке стало ясно, что закон Амонтона-Кулона не дает правильного описания силы трения, а коэффициенты трения отнюдь не являются универсальными характеристиками. Прежде всего, было отмечено, что коэффициенты трения зависят не только от того, какие материалы контактируют, но и от того, насколько гладко обработаны контактирующие поверхности. Выяснилось также, что сила статического трения отличается от силы трения при движении. Чтобы напомнить, что обычно понимается под статическим трением, представим схему простейшего эксперимента. Будем пытаться сдвинуть с места тело потянув за трос с пружинным динамометром. При малом перемещении конца троса тело остается на месте: силы, развиваемой пружиной динамометра, недостаточно. Обычно говорят, что на контактирующих поверхностях развивается сила трения, уравновешивающая приложенную силу. Постепенно увеличиваем перемещение и вместе с ним упругую силу, приложенную к телу. В какой-то момент она оказывается достаточной для того, чтобы стронуть тело с места. Зарегистрированное в этот момент показание динамометра и называют обычно силой статического трения, характеризующего предельные возможности неподвижного (статического) сцепления тел. Если мы будем продолжать медленно вытягивать трос, то тело поедет по поверхности. Оказывается, что регистрируемые в ходе движения показания динамометра будут не такими, как в момент страгивания. Обычно сила трения при медленном движении меньше силы страгивания, статического трения. Кулон изучал именно силу трения при медленном взаимном перемещении контактирующих тел и установил, что эта сила не зависит от величины скорости, а только от направления движения (всегда направлена против движения).
|
|
|
|
Конец XIX века ознаменовался замечательными достижениями в исследовании вязкости, то есть трения в жидкостях. Наверное, с доисторических времен известно, что смазанные жиром или даже просто смоченные водой поверхности скользят значительно легче. Смазка трущихся поверхностей применялась с момента зарождения техники, но только О. Рейнольдс в 1886 году разработал первую и принципиально на то время новую теорию смазки.
Она заключалась в том, что при наличии достаточно толстого слоя смазки, обеспечивающего отсутствие непосредственного контакта трущихся поверхностей, сила трения определяется только свойствами (гидродинамикой) смазочного слоя. Сила статического трогания равна нулю, а с ростом скорости сила сопротивления движению увеличивается. Если же смазки недостаточно, то действуют все три механизма: сила статического сопротивления страгиванию с места, Кулонова сила и сила вязкого сопротивления. Итак, к концу XIX века выяснилась картина зависимости силы трения от скорости. Но уже на пороге XX века возникло сомнение в правильности этой картины при очень малых скоростях. В 1902 году Штрибек опубликовал данные, свидетельствующие о том, что при отсутствии смазки сила сопротивления не падает сразу с уровня силы трогания до кулоновой силы, а возникает постепенное падение силы с ростом скорости - эффект, противоположный гидродинамической вязкости. Этот факт был многократно перепроверен в дальнейшем и теперь обычно именуется Штрибек-эффектом. Картина зависимости силы трения от скорости приобрела форму, использующуюся до сегодняшнего дня.
|
|
Быстро развивавшаяся техника XX века требовала все большего внимания к исследованию трения. В 30-е годы исследования в области трения стали настолько интенсивными, что потребовалось выделить их как специальную науку - трибологию, лежащую на стыке механики, физики поверхностных явлений и химии (создание новых смазочных материалов - дело химиков). Только в США в этой области работают в настоящее время более 1000 исследователей, и в мировой науке ежегодно публикуется более 700 статей.
Современная картина трения.
ТРИБОЛОГИЯ (от греч. tribos - трение и...логия) - научная дисциплина, занимающаяся изучением трения и износа узлов машин и механизмов в присутствии смазочных материалов.
Для того чтобы понять хотя бы основы трибологии, следует прежде всего обратиться к топографии поверхностей контактирующих между собой частей реальных механизмов. Эти поверхности никогда не являются идеально плоскими, имеют микронеровности. Места выступов на одной поверхности отнюдь не совпадают с местами выступов на другой. Как образно выразился один из пионеров трибологии, Ф. Боуден, "наложение двух твердых тел одного на другое подобно наложению швейцарских Альп на перевернутые австрийские Альпы - площадь контакта оказывается очень малой". Однако при сжатии остроконечные "горные пики" пластически деформируются и подлинная площадь контакта увеличивается пропорционально приложенной нагрузке. Именно сопротивление относительному сдвигу этих контактных зон и является основным источником трения движения. Само сопротивление сдвигу при идеальном контакте определяется межмолекулярным взаимодействием, зависящим от природы контактирующих материалов.
Таким образом, объясняется влияние двух главных факторов: нагрузки (силы прижатия) и свойств материалов. Однако имеются два осложняющих обстоятельства. Во-первых, металлические поверхности на воздухе быстро покрываются тонкой пленкой окислов и фактически контакт осуществляется не между чисто металлическими поверхностями, а между окисными пленками, имеющими более низкое сопротивление сдвигу. Проникновение же любой жидкой или пастообразной смазки вообще меняет картину контакта. Во-вторых, при относительном сдвиге осуществляется не только скольжение по контактным площадкам, но и упругое деформирование выступов, пиков. Выделим мысленно только два пика (наклон их склонов порядка 10-20). При попытке сдвинуться в горизонтальном направлении один пик начинает прогибать другой, то есть сначала пытается сгладить дорогу, а потом уже скользить по ней. Ширина пиков мала (порядка сотых долей миллиметра), и в пределах таких микросмещений главную роль играет именно упругое сопротивление, то есть сила должна подчиняться закону Гука, быть пропорциональной смещению. Иначе говоря, при микросмещениях контактирующие поверхности оказываются как бы связанными многочисленными пружинками. Но после того как верхний пик в ходе движения перевалит через нижний (причем оба они сплющиваются), пружинка рвется вплоть до встречи с новым препятствием. Таким образом, после приложения продольной силы, стремящейся сдвинуть два тела, могут возникнуть следующие четыре основных режима: режим I упругих микросмещений, режим II скольжения по площадкам контактов мягкого поверхностного слоя (окисных пленок), режим III, когда при большей скорости выдавливаемая жидкая смазка создает подъемную силу, нарушающую большую часть прямых контактов и тем самым снижающую силу трения, режим IV, когда прямые контакты вообще исчезают, одно тело "плывет" над другим по смазочному слою и с увеличением скорости возрастает вязкое сопротивление.
Этим качественным представлениям соответствует график зависимости коэффициента трения от скорости. Заметим, что зона спадания коэффициента трения (зона Штрибек-эффекта) обычно очень мала, порядка 1 мм/с. Если же смазка не вводится искусственно, то увеличение трения с ростом скорости почти незаметно и мы возвращаемся к закону Амонтона-Кулона, за исключением зоны очень малых скоростей на получившемся графике зависимости.
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 (Fn) называют сдвиговое усилие, прикладываемое к контактирующим телам, и не вызывающее их взаимного скольжения. При этом взаимное перемещение (Ln) 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 (Аr):
F = tAr. (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 = FA + FD. (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: hmin³ (Rmax1+Rmax2).
2.3Фрикционные 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.