Основные положения теории внешнего трения

Наука издавна стремилась решать раз­личные частные задачи трения с целью распро­странить это частное решение на все многооб­разие явлений трения. В течение многих лет выдвигались и обосновывались различные гипотезы и модели трения. Однако оказалось, что познать в известном смысле сложную и сверхсложную систему (явление) - это значит разумно упростить ее, сохраняя все необходи­мые и достаточные факторы. Такими выдаю­щимися упрощениями явилась модель дис­кретного контактирования твердых тел при трении и гипотеза о двойственной при­роде фрикционного контакта твердых тел, впервые сформулированные в России выдаю­щимся трибологом ХХ века И.В. Крагельскими и развитые его учениками Н.Б. Демкиным, Н.М. Михиным, М.Н. Добычиным, В.Е. Ком­баловым, Е.Ф. Непомнящим и др. [3]. Важнейшим итогом этой международно признанной многолетней работы отечествен­ных специалистов - трибологов является четкая картина процессов трения и изнашивания твердых тел, охватывающая физические (включая механические) и химические сопут­ствующие явления. По терминологии акад. П.А. Ребиндера трение и изнашивание являют­ся комплексными процессами физико-­химической механики [3].

Анализ предложенных модели и гипотезы позволил сформулировать и рассмотреть три последовательных и взаимосвязанных этапа процесса трения, а именно:

1) взаимодействие поверхностей с учетом влияния среды (на рис. 3.1 показаны пять ви­дов фрикционного взаимодействия);

2) изменение поверхностных слоев в ре­зультате взаимодействия с учетом влияния окружающей среды;

3) разрушение поверхностей (износ) вследствие двух предыдущих этапов.

Эта первая знаменитая триада И.В. Кра­гельского легла в основу многих после­дующих моделей при решении отдельных ча­стных задач. Например, она хорошо дополня­ется триадой А.В. Чичинадзе [3], которая регламентирует следующие показатели трения и износа:

- свойства материалов пары трения и окружающей среды;

- микро- и макрогеометрию контакти­рующих элементов коэффициент взаимного перекрытия; 

  . режим трения по нагрузке, скорости скольжения, начальной, текущей объемной и поверхностной температуре и градиенту тем­пературы по координате и времени.

Из явлений, сопровождающих трение, отметим два, оказывающих наибольшее влия­ние на работоспособность подвижных сопря­жений различных машин и механизмов:

изнашивание контактирующих деталей подвижных сопряжений машин и механизмов;

выделение теплоты в процессе трения.

 

              

Рис. 3.1. Виды фрикционного взаимодействия по И.В.Крагельскому и тепловая модель микроконтакта по А.В.Чичинадзе:

 1- срез материала; 2- пластическое оттеснение; 3- упругое оттеснение; 4- схватывание пленок; 5- схватывание поверхностей; 1 и 2 –контактирующие тела; Р- нормальная нагрузка;

V_cк – скорость скольжения; и - обьемные температуры тела 1 и 2; и Т - средние температуры поверхностей трения тела 1 и 2; V_всп - температурная вспышка на фактическом пятне касания.

 

Изнашивание деталей машин и его не­посредственный результат - износ являются непременным следствием процесса трения и основной причиной выхода из строя деталей машин и механизмов.

Нагрев трущихся тел приводит к раз­рушению смазочных слоев, разделяющих их контактирующие поверхности, к интенсифика­ции процесса изнашивания и выходу из строя узлов трения. В то же время полезное исполь­зование теплоты от трения позволяет создавать новую оптимальную структуру материалов в процессе трения и изнашивания, а также вы­полнять технологические операции по термофрик­ционному формированию поверхности трения, сварки деталей, форсированию направленн­ых физико-химических процессов.

Процесс трения в общем виде.  Высокие реализуемые давления на дискретных фактиче­ских контактах в сочетании со значительной скоростью относительного перемещения тру­щихся тел (скольжения) обусловливают значительные температуры в зонах касания, приводят к существенным изменениям (с учетом влияния среды) свойств поверхностных слоев, вызывают значительные механические и тем­пературные напряжения в микро- и макрообъемах, способствуют протеканию химических процессов с образованием вторичных соединений и структур, активизируют взаимную диффузию. Такое взаимодействие поверхностей как показал И.В. Крагельский, формирует так называемое «третье тело», что существенно меняет, в первую очередь, молекулярную (адгезионную) составляющую силы трения в двухчленном законе трения [3].

                                      F_т = F_{т мол}  + F_{т мех},

где F_{т мол}   - молекулярная составляющая силы трения; F_{т мех} -механическая (деформационная) составляющая силы трения.

Измененный тонкий поверхностный слой испытывает очень большие деформации, его свойства в сочетании с объемными определяют износостойкость и сдвиговые сопротивления (см. рис.3.1).

 

Входные факторы сложного трибологигического процесса следующие:

  природа пар трения;

  исходная шероховатость и волнистость тел;

промежуточная и окружающая среда;

  нагрузка;

скорость относительного перемещения (скольжения, качения, верчения);

исходная температура.

Внутренние факmoры процесса трения следующие:

изменение свойств поверхностных слоев тел и поверхностных пленок;

изменение шероховатости и волнистости поверхности;

теппловьщеление при трении (температура и температурный градиент на микро-макро­уровне);           

разрушение поверхностей в зоне трения (износ)

Выходными факmoрами являются:

сила или момент трения;

интенсивность изнашивания (линейная и массовая) [3].