Основные сведения о трении

Трение – процесс сопротивления относительному перемещению двух тел, находящихся в контакте друг с другом. Данное сопротивление носит двойственную природу – адгезионную (молекулярную) и деформационную (механическую). Это означает, что при трении часть энергии расходуется на непрерывное разрушение и образование новых адгезионных (межмолекулярных) связей между трущимися поверхностями, а другая часть – на пластическую деформацию (смятие, пропахивание) выступов неровностей на более мягкой поверхности в паре трения. При трении металлических поверхностей адгезионная составляющая силы трения почти в сто раз превышает деформационную. Обе составляющие в конечном итоге приводят к преобразованию части полезной механической энергии относительного перемещения контактирующих тел в тепловую энергию, приводящую к росту их температуры[8].

Характеристики трения

Сила трения – сила сопротивления относительному перемещению контактирующих тел. Вектор этой силы начинается в зоне трения и направлен противоположно вектору скорости перемещения тела. Следовательно, эта сила оказывает тормозящее действие на подвижное сопряжение. При испытаниях на трение (на трибометрах возвратно-поступательного перемещения) может измеряться непосредственно датчиками силы в режиме реального времени.

Коэффициент трения – отношение силы трения (Н) к нормальной нагрузке (Н), приложенной на контакт . Данная безразмерная характеристика трения наиболее часто используется в технической литературе. В соответствии с молекулярно-механической теорией коэффициент трения имеет две составляющие – адгезионную и деформационную , т.е.

Работа силы трения – произведение пути трения (м) на силу трения, действующую на данном пути (Дж). Данный параметр используется для расчетов интенсивности изнашивания.

Мощность трения – количество энергии, выделяемой при трении за единицу времени (Вт), где - скорость относительного перемещения трущихся поверхностей (м/с). Учет мощности трения необходим при проектировании системы охлаждения узла трения.

Момент трения (для вращающихся систем) – произведение силы трения на радиус вращения (м) - расстояние от центра вращения до зоны трения, (H×м). При экспериментальных исследованиях триботехнических свойств материалов на роторных трибометрах, как правило, непосредственно измеряют момент трения, который впоследствии пересчитывают в другие характеристики трения (при необходимости).

Виды трения

Все виды трения можно разделить на две группы: 1) трение с опосредованным контактом; 2) трение с непосредственным контактом (рис. 1.2).

Рис. 1.2. Классификация видов трения.

К первой группе относятся виды трения, в которых непосредственный контакт трущихся поверхностей отсутствует и их взаимодействие осуществляется через промежуточное «третье тело», в качестве которого могут выступать: слой жидкости (жидкостное трение), газовый слой (аэростатическое, аэродинамическое) или магнитное поле (магнитный подвес). Данные виды трения характеризуются весьма малым коэффициентом трения, и обеспечивают максимальную скорость перемещения деталей в паре трения. Износ деталей при реализации трения с опосредованным контактом отсутствует. Однако имеются потери энергии на создание эффекта несущей способности «третьего тела» – способности передавать механические напряжения через «третье тело» без непосредственного контакта поверхностей. В каждом виде трения он реализуется по-своему.

Ко второй группе относятся виды трения, в которых выступы трущихся поверхностей механически взаимодействуют друг с другом с образованием адгезионных связей на фактических пятнах касания. Данные виды трения делятся на внешнее и внутреннее трение, различающиеся характером разрушения адгезионных связей: при внешнем трении связи разрушаются на границе контакта двух тел; при внутреннем – внутри одного из тел, прочность связей в котором имеет меньшее значение, чем прочность адгезионных связей между поверхностями трения. Поэтому внутренне трение сопровождается непрерывным разрушением одного из материалов, участвующих в трении. Например, при трении мела по доске оставляемый след составлен из разрушенных частиц мела. Внутреннее трение часто используется для снижения потерь на трение за счет использования антифрикционных материалов с малой прочностью на сдвиг (графит, дисульфид молибдена, дисульфид вольфрама и др.), относящиеся к слоистым твердым смазочным материалам. Эти материалы могут использоваться для изготовления объемных деталей (графитовые щетки), но чаще они применяются в виде порошковых добавок в смазочные материалы. Жидкостное трение также называют внутренним трением в смазочном слое, учитывая, что оно осуществляется за счет разрыва межмолекулярных связей между слоями жидкости, движущихся друг относительно друга с различными скоростями. Внутреннее трение может приобретать и негативные формы (см. изнашивание при схватывании).

Внешнее трение делится на трение при предварительном смещении (трение покоя) и трение движения. Трение покоя реализуется при страгивании контактирующих деталей с места или при их очень медленном относительном перемещении и характеризуется повышенными значениями коэффициента трения. В режиме трения покоя узел трения рассеивает больше энергии и данный эффект используется в различных поглощающих аппаратах (рессорных амортизаторах). Повышенный коэффициент трения используется в качестве своеобразной фрикционной «защелки», например в конусах Морзе, резьбовых соединениях, соединениях с натягом и др.

Трение движение разделяется на общеизвестные виды - трение скольжения и трение качения. К типичным узлам трения относятся конструкции типа «вал-втулка», «направляющая-ползун», «цилиндр-поршень» и др. Трение скольжения характеризуется существенно более высокими значениями коэффициента трения, чем трение качения и, соответственно, больше нагревается при эксплуатации, особенно при высоких скоростях скольжения (при этом возможен перегрев узла трения с разрушением масляной пленки). Для высокоскоростных узлов предпочтительно использовать трение качения. Однако скольжение позволяет реализовать трение по большой номинальной поверхности контакта, что приводит к снижению контактных давлений. В узлах трения качения (шариковые, роликовые и игольчатые подшипники), напротив, реализуется точечный или линейный контакт, при которых реализуются высокие контактные нагрузки. Поэтому скольжение позволяет создавать более нагруженные узлы трения. Дополнительно к достоинствам узлов трения скольжения перед узлами трения качения следует отнести относительную дешевизну, а также простоту изготовления и ремонта.

В зависимости от наличия и свойств смазочного материала и условий эксплуатации узлов трения могут быть осуществлены различные виды трения: сухое, граничное, смешанное (полужидкостное), жидкостное (рис. 1.3).

Трение, при котором осуществляется полное разделение трущихся поверхностей сопряженных деталей слоем жидких и пластичных СМ называется жидкостным, а в случае использования газообразных СМ - аэродинамическим или аэростатическим. При этом износ деталей практически отсутствует, поскольку непосредственному контакту двух поверхностей препятствует достаточно толстый слой смазочного материала, превышающий суммарную высоту микронеровностей сопряженных поверхностей (рис. 1.3 а), а внешнее трение твердых тел заменяется внутренним трением смазочного слоя и определяется его вязкостью.

Рис. 1.3. Схема контакта шероховатых поверхностей при жидкостной (а), полужидкостной (б) и граничной смазке (в), а также при сухом трении (г).

При ламинарном течении при жикостной смазке для ньютоновских жидкостей трение описывается уравнением И. Ньютона.

, (1.1)

где F – сила трения при жидкостной смазке; S - площадь сдвига; h — динамическая вязкость (Па×с); dV/dh – градиент скорости в смазочном слое. Для формирования толстого слоя смазочного материала необходимо обеспечить его непрерывное поступление в зону трения под действием внешнего давления (гидростатическая смазка) или самовозникающих внутренних сил (гидродинамическая и эластогидродинамическая смазка) при относительном движении поверхностей.

При высоких удельных нагрузках, малых скоростях скольжения, недостаточной вязкости смазочного материала создаются условия для выдавливания жидкого адсорбированного слоя из зазора между трущимися поверхностями. При этом они остаются разделены только тонким, но чрезвычайно прочным граничным слоем толщиной в 10…30 молекулярных слоев (рис. 1.3 в), который защищает поверхности трения от схватывания, но не препятствует механическому взаимодействию поверхностей (смятие неровностей, наклеп). Такую смазку называют граничной. Механическое взаимодействие поверхностей приводит к разогреву и повышенному износу узла трения, поэтому граничная смазка - хотя и нежелательное явление, но все же приемлемый компромисс, когда условия работы пары трения не допускают появления более благоприятных видов трения.

Между описанными пограничными режимами смазки существует промежуточный вид, когда одна часть поверхности трения находится в условиях жидкостной смазки, а другая – граничной (рис. 1.3 б).

Вероятность реализации того или иного режима смазки оценивают по величине удельной толщины смазочного слоя l (см. таблицу 1.1 [15]), представляющей собой отношение толщины h смазочного слоя в зоне минимального зазора между трущимися деталями к характеристике высоты неровностей рабочих поверхностей этих деталей:

, (1.2)