Сорокин В.М., Курников А.С. Основы триботехники и упрочнения поверхностей деталей машин: курс лекций

Подождите немного. Документ загружается.

Рисунок 3.4 – Зависимость коэффициента трения f от толщины тонкой пленки индия,

нанесенной на инструментальную сталь

При уменьшении толщины пленки сила трения убывает. Однако при

толщине пленки около 10

-5

см наступает предел, с переходам за который

трение начинает возрастать, а при толщине около 10

-6

см или 30 атомных

слоев, пленка перестает быть эффективной, вероятно, вследствие того, что

при очень тонких слоях из-за недостаточной их равномерности отложения

не исключается наличие участков без покрытия. Полагают, что при рав-

номерном отложении на коэффициент трения могут оказать влияние

пленки толщиной от одного до двух атомных слоев.

Металлические пленки могут выдерживать весьма высокие нагрузки и

не разрушаться, однако исследования под микроскопом дорожек трения

после однократного прохождения стального ползуна по пленке индия по-

казывают, что с постепенным, ростом нагрузки пленка начинает разру-

шаться. Во всех случаях величина нагрузки, при которой происходило

разрушение пленки, зависела от толщины пленки, ее адгезионной прочно-

сти по отношению к нижележащей основе и от твердости последней.

Кроме того, на нее оказывала влияние форма ползуна, причем разрушение

пленки происходите тем скорее, чем меньше был радиус кривизны ползу-

на. Следует заметить, что разрушение окисных пленок на металлических

поверхностях протекает аналогичным образом.

Нагрузка – не единственный фактор, способствующий разрушению

тонкой металлической пленки. Пленка легко изнашивается с увеличением

числа циклов воздействий.

Можно полагать, что чем толще пленка, тем более длительное время

она служит, однако толстые пленки невыгодны, так как дают большой

коэффициент трения. Жидкие пленки (пленки смазки) изнашиваются мед-

леннее, чем металлические по той причине, что молекулы смазки легко

перемещаются по поверхности и восстанавливают места разрушения

плѐнки. Естественно, что даже для очень мягких металлов скорость этого

процесса значительно меньше. Недостаток масляных пленок состоит в

том, что под действием повышенных температур они разрушаются легче,

чем металлические. В процессе трения материал испытывает многократ-

ные упругие и пластические деформации, что приводит к его разрушению

на отдельных участках и отделению частиц износа. Такой процесс по-

верхностного разрушения при трении рассматривается как фрикционная

усталость. Число воздействий п, при котором происходит разрушение

материала поверхности, зависит от напряжѐнного состояния и стойкости

(прочности) поверхности материала и изменяется в широком диапазоне.

Износостойкость материала в основном определяется тем числом циклов,

которое может выдержать поверхностный слой без разрушения.

В первом приближении интенсивность износа определяется следую-

щей формулой:

1,0

где

– интенсивность износа (безразмерная величина), пред-

ставляющая собой отношение толщины изношенного

слоя к пройденному пути трения;

– число циклов, приводящих к разрушению;

– глубина относительного внедрения;

и p

– номинальное и фактическое удельные давления.

В результате повторной деформации материал наклепывается, стано-

вится более хрупким и разрушается. Идеальным является покрытие, вы-

держивающее многократные деформации, не подвергаясь при этом на-

клепу; в этом случае n будет достаточно велико.

3.2 Виды трения

По характеру относительного движения различают трение скольжения

и трение качения. Иногда оба вида трения проявляются совместно, когда

качение сопровождается проскальзыванием, например в зубчатых и зуб-

чато-винтовых передачах или между колесами и рельсами.

В зависимости от того, является ли относительное перемещение со-

прикасающихся пар макро- или микросмешением, различают силу трения

движения, неполную силу трения покоя и наибольшую силу трения покоя.

Сила трения движения – сила сопротивления при относительном переме-

щении одного тела по поверхности другого под действием внешней силы,

тангенциально направленной к общей границе между этими телами. Наи-

большая сила трения покоя – сила предельного сопротивления относи-

тельному перемещению соприкасающихся тел без нарушения связи меж-

ду ними и при отсутствии смещения в месте контакта. Приложенная к

одному из тел параллельно плоскости касания сила, превышающая хотя

бы на бесконечно малую величину силу трения покоя, уже нарушает рав-

новесие. Неполная сила трения покоя- сила сопротивления, направленная

против усилий сдвига, при отсутствий смещения в месте контакта. Она

изменяется от нуля (при отсутствии сил, стремящихся нарушить относи-

тельный покой тел в плоскости их касания) до наибольшего значения,

когда она переходит в силу трения покоя.

В зависимости от наличия смазочного материала различают трение

без смазочного материала и трение со смазочным материалом.

3.3 Трение без смазочного материала

Трение без смазочного материала и при отсутствии загрязнений меж-

ду поверхностями трения бывает в тормозах, фрикционных передачах, в

узлах машин текстильной, пищевой, химической промышленности, где

смазочный материал во избежание порчи продукции либо по соображени-

ям безопасности недопустим, а также в узлах машин, работающих в усло-

виях 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 превы-

шающих межатомное расстояние в кристаллических решетках, и увели-

чиваются с повышением температуры. Молекулярные силы при наличии

либо отсутствии промежуточной вязкой прослойки (влаги, загрязнения,

смазочного материала и т.п.) вызывают на участках контакта адгезию.

Она возможна между металлами и пленками окислов. Адгезия может

быть обусловлена одновременно и действием электростатических сил.

Силы адгезии, как и молекулярные силы, прямо пропорциональны пло-

щади фактического контакта. Приложенное давление влияет на эти силы

косвенно, через площадь фактического контакта.

Молекулярные силы как силы, перпендикулярные поверхности, каза-

лось бы, не должны производить работу при относительном тангенциаль-

ном перемещении поверхностей. То же должно относиться и к силам адге-

зии, если образовавшаяся вследствие адгезии связь между телами разруша-

ется по месту соединения. На самом же деле относительное смещение по-

верхностей при наличии взаимного притяжения и адгезии сопровождается

деформацией сдвига, что вследствие неидеальной упругости материала тре-

бует дополнительных затрат энергии. Разумеется, большую тангенциаль-

ную силу надо приложить, если связь между телами нарушается не по мес-

ту соединения, а на некоторой глубине от поверхности контакта.

Более сильным проявлением молекулярных сил является схватывание

поверхностей. Сила трения в этом случае зависит от протяженности зон

схватывания и сопротивления их разобщению.

Сила трения Т обусловлена механическим и молекулярным взаимо-

действиями:

bPaST

где

– средняя интенсивность молекулярной составляющей силы трения;

– фактическая площадь контакта;

– коэффициент, характеризующий механическую составляю-

щую силы трения;

– сила давления.

Коэффициент трения f представляет собой отношение силы трения к

силе давления. На основании формулы (…) имеем

Эти двучленные выражения действительны для трения со смазочным

материалом и без него.

Статическая сила трения в зависимости от продолжительности непод-

вижного контакта возрастает до некоторого предела. Сила трения движе-

ния зависит от скорости скольжения, причем соответственно давлению и

параметрам поверхности трущихся тел коэффициент трения может моно-

тонно изменяться и иметь максимум или минимум.

Трение без смазочного материала сопровождается скачкообразным

скольжением поверхностей, с чем связаны, например, вибрация автомо-

биля при включении сцепления, «дергание» при торможении, «визг» тор-

мозов, вибрация резцов при резании и нарушение плавности работы мед-

ленно движущихся деталей. Можно рекомендовать следующие меры

борьбы со «скачками» при трении: увеличение жесткости системы; по-

вышение скорости скольжения; подбор пар трения, для которых коэффи-

циент трения незначительно возрастает с ростом продолжительности не-

подвижного контакта и при повышении скорости не имеет минимума.

Окисные пленки поверхностей трения при соответствующем составе

уменьшают силу трения и интенсивно изнашивается. Состав и свойства

этих пленок (равномерность покрытий, прочность связи с основанием,

интенсивность их образования) зависят в значительной степени от хими-

ческого состава материала деталей, а также параметров качества трущих-

ся поверхностей.

3.4 Трение при граничной смазке

При граничной смазке поверхности сопряженных тел разделены сло-

ем смазочного материала весьма малой толщины (от размера одной моле-

кулы до 0,1 мкм). Наличие граничного слоя или граничной пленки снижа-

ет силы трения по сравнению с трением без смазочного материала в

(2…10) раз и уменьшает износ сопряженных поверхностей в сотни раз.

Все масла способны адсорбироваться на металлической поверхности.

Прочность пленки зависит от наличия в ней активных молекул, качества и

количества последних.

Молекулы смазочного материала ориентируются перпендикулярно к

твердой поверхности, что позволяет представить для наглядности гранич-

ную пленку в виде ворса (рисунок 3.5.). При взаимном перемещении по-

верхностей трения «ворсинки» как бы изгибаются в противоположные

стороны. На самом же деле происходит сдвиг с перекосом квазикристал-

лической структуры пленки. Сопротивление ее скольжению в таком со-

стоянии несколько повышено.

Рисунок 3.5 – Схемы скольжения тел в условиях граничной смазки:

а – смазывание идеальных поверхностей; б – контактирование реальных поверхностей;

А – участки, воспринимающие нагрузку; Б – участки непосредственно контакта или контакта

при твердых пленках

Смазочный материал в граничном слое анизотропен, в тангенциаль-

ном направлении молекулярные слои легко изгибаются и при толщине

слоя больше некоторой критической величины скользят друг по другу; по

нормали к твердой поверхности пленка обладает высоким сопротивлени-

ем сжатию; ее несущая способность исчисляется десятками тысяч кило-

граммов на 1 см

. Величина деформации сжатия пленки в довольно широ-

ком интервале не выходит за пределы упругости.

Механизм трения в условиях граничной смазки представляется в сле-

дующем виде. Под нагрузкой происходят упругая и пластическая дефор-

мации на площадках контакта, под которыми здесь следует понимать

площадки наиболее близкого прилегания поверхностей, покрытых гра-

ничной пленкой смазочного материала, вплоть до мономолекулярного

слоя. На площадках контакта может произойти взаимное внедрение по-

верхностей без нарушения целостности смазочной пленки. Сопротивле-

ние движению при скольжении складывается из сопротивления сдвигу

граничного слоя и сопротивления «пропахиванию» поверхностей вне-

дрившимися объемами. Кроме того, на площадках контакта, подвергну-

тых наиболее значительной пластической деформации, и в местах с высо-

кими местными температурами может произойти разрушение смазочной

пленки с наступлением адгезии обнажившихся поверхностей и даже схва-

тывание металлов на микроучастках Б (см. рисунок 3.5). Это вызывает

дополнительное сопротивление движению.

Благодаря подвижности молекул смазочного материала на поверхно-

сти трения адсорбция протекает с большой скоростью, что сообщает сма-

зочной пленке свойство «самозалечивания» при местных ее повреждени-

ях. Это свойство играет большую роль в предупреждении лавинного про-

цесса схватывания.

Невозобновляемая граничная пленка по мере возрастания пути трения

изнашивается, масло из пленки адсорбируется на продуктах изнашивания

и уносится с поверхности трения; происходит сублимация пленки и уда-

ление масла в атмосферу.

Окисление пленки способствует дезориентации структуры и ее раз-

рушению.

Вязкость масла не влияет на процесс граничной смазки. Масла с одина-

ковой вязкостью, но разных марок, имеют различное смазывающее действие.

Добавление в граничные слои смазочного материала и водных рас-

творов поверхностно-активных веществ повышает толщину граничного

слоя и способствует уменьшению износа (до 2 раз).

Эффективность смазочного действия, помимо фактора адсорбции, за-

висит от химического взаимодействия металла и смазочного материала.

Жирные кислоты, вступая в реакцию с металлом поверхности, образуют

мыла, т.е. металлические соли жирных кислот, способные вследствие

свойственной им высокой когезии выдерживать без разрушения значи-

тельные деформации. Химическим явлениям принадлежит важная роль в

организации смазывающего действия. Это подтверждается тем, что

инертные металлы и стекло смазываются.

В связи с невысокой термической стойкостью граничной пленки, об-

разуемой на металлических поверхностях обычными минеральными сма-

зочными маслами, иногда прибегают к искусственному повышению ее

химической активности. Этого достигают путем введения в масла специ-

альных добавок (присадок), содержащих органические соединения серы,

фосфора, хлора или этих элементов в разных сочетаниях. Вводят также

мышьяк и сурьму. Хотя эти присадки прочно адсорбируются на поверх-

ностях трения, однако им отводится в процессе трения другая роль. В ус-

ловиях высоких температур на микроконтактах активная часть присадок

разлагается и, взаимодействуя с металлическими поверхностями, образует

пленки сульфида железа, фосфита или фосфата железа, хлористого железа

и окисленных хлоридов и т.п. Образовавшиеся пленки предотвращают

металлический контакт, понижают сопротивление трению, препятствуют

дальнейшему локальному повышению температуры. Пленка оказывает

слабое сопротивление срезу, срабатывается и восстанавливается вновь.

Пленка, образуемая на поверхности стали хлорированными углеводо-

родами, работоспособна до температуры 400 С. Выше этой температуры

происходит плавление и (или) разложение. У сульфидов температура

плавления выше, и смазывающая способность сохраняется до температу-

ры 800 С. Ниже критической температуры пленка ведет себя как твердый

смазочный материал.

Очевидно, действие присадок неэффективно, если металл не вступает

в реакцию с активной частью присадки. Например, платина и серебро не

вступают в реакцию с серой.

По мере работы узла трения присадки к маслу срабатываются и их

эффективность действия снижается.

Некоторые твердые тела могут производить смазочное действие, ор-

ганизуя и поддерживая режим трения при граничной смазке.

3.5 Трение при жидкостной, вязкопластической и контактно-

гидродинамической смазке

Жидкостная смазка характеризуется тем, что поверхности трения

разделены слоем жидкого смазочного материала (масла), находящегося

под давлением. Давление смазочного материала уравновешивает внеш-

нюю нагрузку. Масляный слой называют несущим. При увеличении его

толщины более толщины граничной пленки уменьшается степень влияния

твердой поверхности на далеко отстоящие от нее молекулы масла. Слои,

находящиеся на расстоянии более 0,5 мкм от поверхности, приобретают

возможность свободно перемещаться один относительно другого. При

жидкостной смазке сопротивление движению определяется внутренним

трением (вязкостью) масла и складывается из сопротивления скольжению

его слоев по толщине смазочной прослойки. Этот режим трения со свой-

ственными ему весьма малыми коэффициентами трения является опти-

мальным для узла трения с точки зрения потерь энергии, долговечности и

износостойкости. Сила трения при жидкостной смазке не зависит от при-

роды сопрягаемых поверхностей. О жидкостном трении говорят как о ре-

жиме совершенной смазки.

Явление трения при жидкостной смазке было открыто в 1883 г.

Н.П. Петровым, создавшим основы гидродинамической теории смазки.

Современная гидродинамическая теория смазки позволяет определить

несущую способность масляного слоя и его минимальную толщину. Су-

ществуют два способа создания давления в несущем слое. При первом

способе специально предусмотренный насос создает гидростатическое

давление, достаточное для разделения поверхностей трения. Утечка масла

через торцы подшипника компенсируется соответствующей подачей на-

соса. При втором способе давление в смазочном слое развивается автома-

тически. Для этого необходимы надлежащие конструктивные мероприя-

тия и подбор марки масла в зависимости от скорости скольжения.

Механизм создания давления в несущем слое поясним на примере

плоской опоры (рисунок 3.6).

Рисунок 3.6 – Схема образования несущего масляного слоя

Пусть пластина А – А перемещается с некоторой скоростью ν под уг-

лом α к неподвижной подкладке В - В. Слой жидкости, смачивающей пла-

стину А - А, силами вязкого трения приводит в движение смежный с ним

по высоте слой. Так движение будет передаваться от одного слоя к друго-

му, за исключением слоя, смачивающего неподвижную подкладку В - В. В

итоге масло будет вовлекаться в сужающийся клиновой зазор, и в нем

будет поддерживаться давление. Оно не будет постоянным по длине, по-

скольку на входной и выходной кромках масло соприкасается с атмосфе-

рой и здесь избыточное давление равно нулю (рисунок 3.6-б).Несущая

способность, или грузоподъемность смазочного слоя равна равнодейст-

вующей силе давления. Такой силой можно нагрузить пластину при дан-

ных ее размерах, скорости перемещения и вязкости масла.

Клиновой зазор является необходимым условием поддержания режи-

ма трения при жидкостной смазке в гидродинамической опоре. В плоских

опорах клиновой зазор создается конструктивно, с помощью скосов по-

верхности, как это имеет место в ползунах и кольцевых опорах, либо бла-

годаря самоустановке опорной поверхности (упорные подшипники типа

подшипника Мичелля).

В опорном подшипнике скольжения диаметр отверстия больше диа-

метра цапфы, в результате между цапфой и вкладышем образуется клино-

вой серповидный зазор. При вращении цапфы смазочная жидкость вовле-

кается силами вязкости в сужающийся зазор, что приводит к повышению

давления в слое жидкости. При достаточных вязкости смазочного мате-

риала и скорости на окружности цапфы в слое масла создается давление,

необходимое для отделения цапфы от вкладыша, – цапфа как бы всплыва-

ет на тонком слое масла. Центр цапфы смещается от начального положе-

ния. Давление в слое масла поддерживается насосным действием вра-

щающейся цапфы.

На рисунок 3.7 показано положение цапфы в подшипнике при жидко-

стной смазке и приведены графики распределения давления в слое масла

по поперечному сечению и по длине.

Рисунок 3.7 – Схема распределения давления внутри масляного слоя подшипника:

а – в поперечном сечении; б – в продольном сечении;

1 – при продольной канавке; 2 – при кольцевой канавке

100

Для осуществления жидкостной смазки необходимо, чтобы наимень-

шая толщина смазочного слоя при гладких поверхностях и прочих иде-

альных условиях была не менее толщины, при которой проявляются объ-

емные свойства жидкости.

Для шероховатых поверхностей наименьшая толщина слоя – мини-

мальное расстояние между вершинами выступов неровностей сопрягаю-

щихся поверхностей. Согласно гидродинамической теории смазки, мини-

мальный зазор между поверхностями должен быть не менее суммы них

высот неровностей поверхностей. При определении наименьшей допус-

тимой (критической) толщины смазочного слоя учитывают также степень

деформации под нагрузкой, погрешности изготовления и монтажа деталей

и возможность присутствия твердых примесей в масле. Трение при жид-

костной смазке возможно не только между скользящими поверхностями.

При качении либо качении со скольжением цилиндрических и вообще

криволинейных поверхностей в сужающийся со стороны входа зазор во-

влекается смазочная жидкость которая при некоторых условиях (нагрузке,

скорости, упругих характеристиках и геометрии поверхностей) разделяет

их своим слоем.

Вязкопластическая смазка. Пластичные смазочные материалы, как

и жидкие, могут обеспечить режим трения, исключающий непосредствен-

ный контакт поверхностей и их взаимное внедрение. В отличие от масел,

являющихся вязкими жидкостями, пластичные смазочные материалы об-

ладают вязкопластическими свойствами. Поток такого материала имеет

следующие особенности. В нем имеются зоны, в которых отсутствует по-

слойное скольжение, течение в них происходит как в идеальной пластич-

ной среде; вне этих зон течение вязкое. Возможно также скольжение сма-

зочного материала относительно стенок подшипника.

Контактно-гидродинамическая смазка. При качении или при качении

со скольжением масло втягивается в зону контакта движущимися поверх-

ностями. При некоторых условиях, аналогичных условиям возникновения

гидродинамической смазки между скользящими поверхностями, в масля-

ном слое образуется подъемная сила.

3.6 Трение при полужидкостной смазке

Такое трение имеет место при наличии одновременно жидкостной и

граничной смазки.

Нормальная нагрузка в случае трения при полужидкостной смазке

уравновешивается нормальной составляющей сил взаимодействия по-

верхностей на площадках их контакта и силами гидродинамического дав-

ления в смазочном слое. Относительная доля каждой реакции зависит от