🗊Презентация Трение скольжения

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 (а). 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. На рисунке показана предельная величина предварительного смещения (Lпм) и соответственно предельное значение силы трения покоя, которое называют статической силой трения. При дальнейшем увеличении перемещения начинается скольжение (б).

Силу трения можно представить в виде произведения удельной силы трения (τ) и фактической площади контакта (Аr). Под коэффициентом трения понимают отношение силы трения (F) к действующему на контакте нормальному усилию (N). 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 зарубежные (Боуден, Тейбор). В соответствии с этой теорией трение имеет двойственную молекулярно-механическую природу. Силу трения можно представить как сумму молекулярной (адгезионной) и механической (деформационной) составляющих: (1)

Молекулярная составляющая обусловлена сопротивлением разрыву молекулярных либо межатомных связей, которые возникают между контактирующими телами. 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. Упругое (а) и пластическое (б) оттеснение материала при скольжении

На рис.4а показано скольжение жесткого сферического выступа по вязкоупругому полупространству. Материал после прохода выступа из-за запаздывания деформации по отношению к нагрузке 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 деформации. На рис. 5 приведена кривая гистерезиса при растяжении-сжатии вязкоупругого стержня. Кривая ОМ отражает процесс нагружения, а кривая MN - процесс разгрузки. Из-за запаздывания деформации в тот момент, когда напряжение равно нулю, деформация не исчезает и равна . Поэтому след, оставшийся при движении выступа, не успевает восстанавливаться полностью, чего следовало бы ожидать для идеальной упругой среды.

На рис. 5б показано поведение жесткого выступа при скольжении по пластической среде. В начале, пока скольжение отсутствует, под действием нормального усилия выступ заглубляется. Контактная кривая АВ симметрична. Прискольжении задняя граница выступа отрывается от лунки. Вся нагрузка сосредотачивается на передней границе, а дуга контакта занимает положение А1В1. Впереди возникает валик оттесняемого материала. Реакция опоры не совпадает по направлению с нормальным усилием. Поскольку молекулярное и механическое взаимодействие осуществляется на ФПК, то сила трения выраженная формулой (1) записывается в виде: (2) где, - адгезионная и деформационная составляющие удельного усилия. Многочисленные попытки вывести расчетное соотношение для адгезионной составляющей не увенчались успехом из-за невозможности учесть влияние пленок вторичных структур, покрывающих поверхности.

Работы Б.В. Дерягина, И.В. Крагельского, Н.М. Михина показали, что зависимость адгезионной составляющей удельной силы трения от фактического давления (σr=N/Ar) выражается в виде двучленного закона: (3) где и β - молекулярные константы трения, определяемые экспериментально. Для определения этих констант Н.М. Михиным и К.С. Ляпиным был разработан специальный прибор – тангензиометр. Из формулы (1) видно, что адгезионную составляющую силы трения можно представить в виде: (4) Адгезионная составляющая коэффициента трения (5) Если деформация выступов упругая, то, подставляя выражение ФПК из формулы (2-6) в формулу (5), получаем:

(6) С повышением нормального усилия коэффициент трения убывает. Для пластического контакта, используя формулу (2-4) получаем: (7) Коэффициент трения не зависит от нагрузки.

Схема трибометра Для измерения силы трения применяют 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, схема которого изображена на рисунке. 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.

Влияние скорости скольжения и температуры на свойства контакта и фрикционные колебания Зависимость коэффициента трения от скорости скольжения V в виде экспоненциальной функции предложили И.В. Крагельский и В.С. Щедров: (8) Параметры а, в, с, d характеризуют режим скольжения и свойства материалов пары трения. Параметр а зависит от физических свойств материалов и шероховатости, в и с зависят от вязкости и нагрузки, d зависит от конструкции узла трения и режима скольжения. Однако влияние скорости на свойства контакта при небольшом ее изменении само по себе невелико. Но существенный рост скорости приводит к значительному повышению температуры контакта, поскольку мощность трения (F*V) превращается в теплоту. Рост температуры в свою очередь вызывает заметное изменение свойств материалов в зоне контакта, резко снижается твердость. Поскольку увеличивается ФПК, снижается интенсивность молекулярного взаимодействия, происходят химические превращения в поверхностных слоях. При очень больших скоростях скольжения возможно оплавление поверхности, и сухое трение переходит в гидродинамическое. В общем случае наблюдается снижение коэффициента трения с ростом температуры.

Фрикционные колебания При работе разных механизмов часто возникают колебания, связанные с трением. Они приводят к появлению скрипов, которые проявляются при движении (скрип колес, тормозов, протекторов автомобилей, когда машина идет юзом и др.). Такие колебания называют фрикционными. Причинами колебаний являются реологические свойства контакта (связанные с течением и деформацией), а также упругие свойства элементов пары трения и их связей с другими деталями. Главным проявлением реологии контакта является рост ФПК, а следовательно, и 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 представляет собой последовательно соединенные тела Кельвина - Фойгта и Сен - Венана. Если в целях упрощения принять, что η=0, μ=const , то 2-й закон Ньютона для колебаний ползуна запишется в виде:

Динамическая модель фрикционной системы Решение этого уравнения позволяет найти законы движения ползуна и колебаний тягового усилия. Показан примерный график колебаний тягового усилия. В зависимости от уровня гашения (вязкости системы μ) колебания могут существовать либо не возникать. От этого зависит устойчивость, надежность и долговечность механических систем, что необходимо учитывать при проектировании и техобслуживании.

Список литературы Кpагельский И.В. Основы расчетов на трение и износ / И.В.Кpагельский, М.Н. Добычин, В.С. Камбалов. – М.: Машиностpоение, 1977. – 526 с. Кpагельский И.В. Узлы трения машин: справочник / И.В.Кpагельский, Н.М.Михин. – М.: Машиностроение, 1984. – 280 с. Дроздов Ю.Н. и др. Трение и износ в экстремальных условиях: Справочник / Ю.Н. Дроздов, В.Г. Павлов, В.Н. Пучков. – Машиностроение, 1986 – 224с. Спpавочник по тpиботехнике: в 3т. / под общ. pед. М.Хебды, А.В.Чичинадзе. – М.: Машиностpоение, 1989. – 400 c. Гаpкунов Д.Н. Тpиботехника (износ и безысносность): Учебник/ Д.Н.Гаpкунов. – М.: Изд-во «МСХА», 2001. – 616 с. Современная трибология: итоги и перспективы / под. ред. К.В. Фролова. – М.: Изд-во ЛКИ, 2008 г. – 480 с. Чичинадзе, А.В. Трение, износ и смазка — М : Машиностроение, 2003. — 576 с.