Молекулярная теория трения

Бондарев Олег Викторович
инженер

Как свидетельствуют различные публикации на тему исследований трения скольжения [1,4; 2,5], явной связи сил и коэффициентов трения с физическими свойствами тел и состоянием их поверхностей установить не удалось. Это позволило сделать вывод, что такая связь отсутствует.

Рассмотрим тела, являющиеся упругими монолитами, имеющие шероховатые поверхности с хаотически выступающими неровностями. Схематично эти поверхности изображены на рис.1.

Из рисунка видно, что для горизонтального перемещения тела в данном случае необходимо приложить силу для его подъема на имеющиеся неровности, пусть микроскопические, но буквально в то же время, затраченная на такой микроподъем энергия, будет возвращена скатыванием в микроскопические углубления. В случае хаотического расположения неровностей на поверхностях в условиях их упругих деформаций, потери энергии, и ее возврат при движении будут происходить фактически одновременно, не требуя приложения силы на перемещение тела. Таким образом, влияния таких шероховатостей на силу трения скольжения нет, такие шероховатости могут влиять только на, так называемую, силу трения покоя, требуя приложения силы в момент начала движения, для первоначального подъема тела на микро выступы.

Как известно [3,207; 3,255; 4,8; 4,45], между всеми молекулами действуют межмолекулярные силы притяжения и отталкивания. Суммарное их действие в зависимости от расстояния между молекулами показано на графике (рис. 2).

Силы притяжения проявляют себя на всех расстояниях между молекулами и прекращают свое действие лишь на бесконечном удалении молекул друг от друга, а силы отталкивания становятся значительно слабее сил притяжения и практически прекращают проявлять себя на расстояниях более r

0. Соответственно на расстояниях менее r₀ доминируют силы отталкивания, которые здесь превышают силы притяжения, а на расстоянии r = r₀ силы отталкивания и притяжения равны между собой. Если нет действия внешних сил сжимающих или растягивающих тело, его молекулы за счет имеющейся внутренней энергии колеблются относительно r₀, при этом расстояние между ними попеременно изменяется от r = r_min до r = r_max, в точках r _min и r_max кинетическая энергия колебаний равна нулю, а потенциальная максимальна, а в точке r = r₀ наоборот кинетическая энергия максимальна, а потенциальная равна нулю. В случае действия сжимающих внешних сил, центр колебаний смещается в зону r < r₀ (здесь r — среднее расстояние между молекулами) и действие внешних сил компенсируется внутренними межмолекулярными силами отталкивания. При растяжении центр колебаний смещается в зону r > r₀ и внешним силам противодействуют силы межмолекулярного притяжения.

При рассмотрении действия внешних сил на молекулы можно оперировать смещением r относительно r

0, а именно величиной Dr=r₀-r (1). Для упрощения понимания влияния внешних сил на межмолекулярные силы, можно использовать модель, где между молекулами присутствуют некие межмолекулярные «пружины». Не принимая во внимание амплитуду и частоту имеющихся колебаний молекул под действием тепловой энергии, силу, действующую между молекулами, можно выразить как f=k^.Dr (2), где k — коэффициент жесткости межмолекулярной пружины. Согласно рис.2 зависимость между f и Dr близка к линейной. Значения k могут быть вычислены для различных материалов, исходя, например, из модулей упругости, если таковые известны, в других случаях могут быть определены экспериментально. Для материалов, у которых усредненное значение k сильно зависит от температуры (амплитуды колебаний молекул), может быть определен набор коэффициентов k соответствующих каждый своей температуре.

Так как силы притяжения проявляют себя на расстояниях более r₀ вплоть до бесконечности, то действуя со всех сторон на перемещаемое тело, они, как при его движении, так и в состоянии его покоя, будут уравновешивать друг друга, тем самым не создавая никаких препятствий и сопротивлений его перемещению. Таким образом, силы притяжения не являются причиной потерь энергии на трение. На межмолекулярном уровне, если молекулы электрически нейтральны, действуют только силы межмолекулярного притяжения и отталкивания [4, 8,9], следовательно, единственной оставшейся причиной возникновения трения для упругих монолитов являются силы межмолекулярного отталкивания.

Происходит это следующим образом: под действием своего веса или какой-либо другой силы тело прижимается к поверхности, что вызывает некоторую, пусть незначительную, деформацию (появление Dr), как между молекулами перемещаемого тела, так и поверхности по которой оно перемещается, расстояние между молекулами становится меньше r₀, между ними начинают преобладать силы отталкивания.

Если представить ранее предложенную модель, где между молекулами имеются некие «пружины», то в данном случае эти «пружины», пусть на очень малую величину, сжимаются. При перемещении тела относительно поверхности вертикально вверх, перпендикулярно поверхности, межмолекулярные «пружины», разжимаясь, отдают запасенную под силой давления в себе энергию в полезную сторону, внося свой вклад в работу по подъему тела. При горизонтальном же перемещении тела, т. е. при перемещении тела по поверхности (см. рис. 3), «пружины» сжатые перпендикулярно поверхности, распрямляясь, перемещению тела никакой энергии не добавляют, а отдают, запасенную в себе под действием веса тела или другой силы прижимающей тело к поверхности, энергию находящимся на их концах молекулам, повышая их кинетическую энергию и, как следствие, температуру тела и поверхности, увеличивая их амплитуду колебаний. Причина потерь энергии на трение скольжения в том, что при разрыве связи, установленной силами отталкивания, «пружины» крайних молекул, потеряв противодействие, разжимаются в направлении перпендикулярном направлению движения, повышая амплитуду колебаний как самих этих молекул, так и молекул соседних с ними, повышая тем самым их тепловую энергию.

Определяющим для величины силы трения является взаимодействие молекул находящихся на поверхности тел.

Учитывая сложную структуру веществ тела и поверхности, уместно предположить, что при упомянутой выше деформации будет иметь место сжатие межмолекулярных «пружин», как в вертикальной, так и в горизонтальной (параллельной поверхности перемещения) плоскости, но при перемещении тела равновесие «пружин», сжатых в горизонтальном направлении, не нарушается и сжатие «пружин» со стороны направления движения компенсируется распрямлением «пружин» с противоположной стороны и на увеличение внутренней энергии (температуры тел) они не работают, так как возвращают свою потенциальную энергию сжатых «пружин» на совершение работы по перемещению тела, компенсируя затраты энергии на такое же сжатие таких же пружин с противоположной его стороны.

Рис.3

На рис. 3 схематично показаны: М1 — молекулы поверхности по которой происходит перемещение; М2 — молекулы перемещаемого тела.

В случае неупругих деформаций вероятно следует учитывать дополнительные затраты энергии на соответствующие изменения формы тела или структуры вещества. А для сыпучих веществ на перемещаемую массу сыпучего вещества.

Количественное выражение для трения скольжения выведем исходя из работы, затрачиваемой на сжатие межмолекулярных «пружин» в направлении перпендикулярном направлению движения.

Если для определения силы и величины сжатия межмолекулярных «пружин», как было сказано выше, колебания молекул под действием тепловой энергии учитывать необходимости нет, то для определения работы по сжатию межмолекулярных «пружин». важна величина амплитуды этих колебаний. Расстояние между точками r

0 и r_min (см. рис.2) являющееся амплитудой колебаний можно обозначить как A_r. При сравнительно больших A_r, имеющих место при наиболее часто встречающихся температурах Dr <<< A_r, так как сжимающее усилие обычно распределено на очень огромное число молекул. Исходя из того, что колебания являются гармоническими, или, по крайней мере, очень близки к гармоническим, величину увеличения потенциальной энергии молекул от сжатия внешней силой межмолекулярных «пружин» можно записать, как DP_pot = F^. A_r^.2/p (формула 3), где F- внешняя сжимающая сила. В случаях, когда температура будет близка к абсолютному нулю и A_r будет очень и очень мала A

r <<< Dr, будет правильным выражение DP_pot = F^. Dr /2 (формула 4).

При перемещении тела на величину r₀ (среднее расстояние между молекулами) вся энергия DP_pot выделится, перейдя в тепловую, так как при таком перемещении разорвутся установившиеся связи («пружинки») между молекулами перемещаемого тела и молекулами поверхности перемещения. Выделившаяся энергия равна работе силы трения. В результате можно записать, что f_тр.^.r₀ = DP_pot1 + DP_pot2 , где f_тр. — сила трения; DP_pot1 и DP_pot2

 — приращения внутренней потенциальной энергии соответственно перемещаемого тела и поверхности перемещения, вызванные давлением тела на поверхность. Таким образом, величина силы трения скольжения равна f_тр. = (DP_pot1 + DP_pot2) / r₀, а с учетом формулы 3 f_тр. = F^. (A_r1 + A_r2)^.2/p^.r₀ (формула 5). Выражение (A_r1 + A_r2)^.2/p^.r₀ является коэффициентом трения скольжения, т.е. k_тр. = (A_r1 + A_r2)^.2/p^.r₀ (формула 6), величина r₀ должна приниматься наименьшей из двух вариантов (поверхность, тело), при этом для материалов сложной структуры и смешанного химического состава, входящие в формулу 6 величины могут приниматься средневзвешенными с учетом процентного содержания всех компонентов.

Величины A_r1 и A_r2 , зная величину внутренней энергии приходящейся на одну межмолекулярную «пружину» (Е_пр.), можно определить из формулы A_r²=2^.Е_пр./k [3, 267; 3,274]

Для случаев, когда справедлива формула 4 сила трения составит f_тр. = F^. Dr_ср./ 2r₀ (формула 7). Так как величина Dr в свою очередь зависит от величины сжимающей силы то приходящееся на одну молекулу Dr = F/(k_ж^.N), где k_ж — коэффициент жесткости межмолекулярной «пружины» в области низких температур, N — количество пар молекул сжимаемых под действием внешней силы. Величина Dr_ср. (для формулы 7) будет равна Dr_ср. = F(k_ж1^.N₁ + k_ж2^.N₂)/ k_ж1^.N₁^.k_ж2^.N₂. С малой степенью погрешности при определении N можно учитывать только молекулы находящиеся на поверхностях в пятне контакта тел, фактически важно их соотношение (соотношение плотностей). Для определения силы трения в этом случае будет справедлива формула: f_тр. = F²(k_ж1^.N₁ + k_ж2^.N₂)/ (k_ж1^.N₁^.k_ж2^.N₂^.2r₀) (формула 8). N, как правило, является очень большой величиной, практически стремящейся к бесконечности, и при близких по значению величинах N₁ и N₂ сила f_тр. в рассматриваемом случае при росте количества N стремится к нулю.

При качении также происходит сжатие межмолекулярных «пружин» под действием сил прижимающих тела друг к другу, но в отличие от скольжения энергия этого сжатия почти полностью возвращается перекатываемому телу. При качении молекулы колеса от молекул поверхности отрываются не по циклоиде, чем больше диаметр (радиус) колеса, тем больше в траектории движения молекул (в пределах деформации в месте контакта колеса и поверхности) вертикальной составляющей и меньше составляющей горизонтальной, порождающей трение аналогично скольжению. Таким образом, величина трения качения кроме величины силы F и коэффициента трения зависит также от диаметра колеса, чем больше диаметр — меньше трение, чем меньше диаметр больше трение. Кроме того, при качении за счет деформации колеса и поверхности, отталкивание молекул колеса от молекул поверхности начинается не в нижней точке циклоиды, где скорость встречи колеса с поверхностью равна нулю, а раньше, где, особенно в случаях больших деформаций, скорость имеет существенную величину, увеличивая прижимающую колесо к поверхности силу и, тем самым, дополнительно потери энергии на трение. Таким образом, трение качения зависит еще и от скорости, чем выше скорость, тем больше потери энергии на трение.

Аналогично рассмотренным выше случаям трения упругих монолитов, от сжатия межмолекулярных «пружин» зависят и величины гидродинамических и аэродинамических сопротивлений, имеющих место в жидких и газообразных средах. В виду обширности материала по этой теме их описание в объем настоящей статьи не вошло.

Литература.

1. Заднепровский Р. П. Теория трения скольжения. Волгоград; издательство «Офсет». 2005 г.
2. Каржавин В. В., Зимин А. И. Трение, износ и смазочные материалы. Учеб. пособие. Екатеринбург; РГППУ. 2003 г.
3. Зисман Г. А., Тодес О. М. Курс общей физики. Том 1. М.; издательство «Наука». 1969 г.
4. Малеев А. В. Лекции по физике твердого тела. Владимир; ВлГУ. 2015 г.

Сила трения

Трение – один из видов взаимодействия тел. Оно возникает при соприкосновении двух тел. Трение, как и все другие виды взаимодействия, подчиняется третьему закону Ньютона: если на одно из тел действует сила трения, то такая же по модулю, но направленная в противоположную сторону сила действует и на второе тело.

Силами сухого трения называют силы, возникающие при соприкосновении двух твердых тел при отсутствии между ними жидкой или газообразной прослойки. Они всегда направлены по касательной к соприкасающимся поверхностям.

Сухое трение, возникающее при относительном покое тел, называют трением покоя. Сила трения покоя всегда равна по величине внешней силе и направлена в противоположную сторону (рис. 1.13.1).

Рисунок 1.13.1. Сила трения покоя (υ = 0).

Сила трения покоя не может превышать некоторого максимального значения (F_тр)_max. Если внешняя сила больше (F_тр)_max, возникает относительное проскальзывание. Силу трения в этом случае называют силой трения скольжения. Она всегда направлена в сторону, противоположную направлению движения и, вообще говоря, зависит от относительной скорости тел. Однако, во многих случаях приближенно силу трения скольжения можно считать независящей от величины относительной скорости тел и равной максимальной силе трения покоя. Эта модель силы сухого трения применяется при решении многих простых физических задач (рис. 1.13.2).

Рисунок 1.13.2. Реальная (1) и идеализированная (2) характеристики сухого трения

Опыт показывает, что сила трения скольжения пропорциональна силе нормального давления тела на опору, а следовательно, и силе реакции опоры

Коэффициент пропорциональности μ называют коэффициентом трения скольжения.

Коэффициент трения μ – величина безразмерная. Обычно коэффициент трения меньше единицы. Он зависит от материалов соприкасающихся тел и от качества обработки поверхностей. При скольжении сила трения направлена по касательной к соприкасающимся поверхностям в сторону, противоположную относительной скорости (рис. 1.13.3).

Рисунок 1.13.3. Силы трения при скольжении (υ ≠ 0).  – сила реакции опоры,  =-   – вес тела,

При движении твердого тела в жидкости или газе возникает силa вязкого трения. Сила вязкого трения значительно меньше силы сухого трения. Она также направлена в сторону, противоположную относительной скорости тела. При вязком трении нет трения покоя.

Сила вязкого трения сильно зависит от скорости тела. При достаточно малых скоростях F_тр ~ υ, при больших скоростях F_тр ~ υ². При этом коэффициенты пропорциональности в этих соотношениях зависят от формы тела.

Силы трения возникают и при качении тела. Однако силы трения качения обычно достаточно малы. При решении простых задач этими силами пренебрегают.

Модель. Движение по наклонной плоскости.

Силы трения — Лекции и примеры решения задач технической механики

При стремлении сдвинуть тело, лежащее на шероховатой поверхности, возникает сила реакции R, которая имеет две составляющие – нормальную N и силу трения F_mp (рисунок 2.16).

В теоретической механике обычно рассматривается только сухое трение между поверхностями, при этом различают трение при покое или равновесии тела и трение скольжения при движении одного тела по поверхности другого с некоторой относительной скоростью.

Рисунок 2.16

При покое сила трения зависит только от активных сил и может быть определена (рисунок 2.16):

F_mp=∑F_iτ. (2.49)

В результате экспериментальных исследований французскими учеными Гийомом Амонтоном и Шарлем Кулоном были установлены законы для сухого трения:

1. сила трения находится в общей касательной плоскости соприкасающихся поверхностей тел и направлена в сторону, противоположную направлению возможного скольжения тела под действием активных сил. Величина силы трения зависит от активных сил и заключена между нулем и своим максимальным значением, которое достигается в момент выхода тела из положения равновесия:

   0 ≤ F_mp ≤ F_mp^max;

2. максимальное значение силы трения при прочих равных условиях не зависит от площади контакта трущихся поверхностей и пропорционально нормальной реакции:

   F_mp^max=fN [Н],

   где f – коэффициент трения, являющийся безразмерной величиной и зависящий от материала и физического состояния трущихся поверхностей.

Угол трения

Если твердое тело под действием активных сил находится на шероховатой поверхности в предельном состоянии равновесия (сила трения достигает своего максимального значения), то полная реакция шероховатой поверхности отклонена от нормали к общей касательной плоскости трущихся поверхностей на наибольший угол φ, который называют углом трения (рисунок 2.17). При этом

tgφ=F_mp^max/N=fN/N=f. (2.50)

То есть тангенс угла трения равен коэффициенту трения.

Рисунок 2.17

Конус трения

Конусом трения называют конус, описанный линией действия полной реакции, построенной на максимальной силе трения, вокруг направления нормальной реакции.

Для равновесия тела на шероховатой поверхности необходимо и достаточно, чтобы линия действия равнодействующей активных сил, действующих на тело, проходила внутри конуса трения или по его образующей через его вершину.

Трение качения

Трением качения называется сопротивление, возникающее при качении одного тела по поверхности другого.

Вследствие деформации тел их касание происходит вдоль площадки AB, появляется распределенная система сил реакций, которая, согласно основной теореме статики, может быть заменена силой и парой сил (рисунок 2.18).

Сила раскладывается на две составляющие – нормальную N и силу трения F_mp, пара сил называется моментом сопротивления качению M_C.

Рисунок 2.18

При равновесии тела момент сопротивления качению определяется из условий равновесия системы сил. При этом установлено, что момент сопротивления принимает значения от нуля до максимального значения. Максимальное значение момента сопротивления, соответствующее началу качения, определяется равенством

M_C max=δN [Нм],

где δ – коэффициент трения качения, измеряемый в метрах и зависящий от материала контактирующих тел и геометрии зоны контакта.

---

Дополнительно:

Сила трения, теория и онлайн калькуляторы

Определение силы трения

Определение

Силой трения (${\overline{F}}_{tr}$) называют силу, возникающую при соприкосновении поверхностей двух тел, которая препятствует их взаимному движению.

Сила трения приложена к телам вдоль поверхности их соприкосновения. Эта сила всегда имеет направление противоположное вектору относительной скорости движения рассматриваемых двух тел.

Виды трения

Выделяют внешнее трение (оно же называется сухим) и внутреннее трение (жидкое или вязкое).

Определение

Внешним трением называют трение, которое возникает при взаимодействии двух соприкасающихся твердых тел.

В случае, когда тела неподвижны по отношению друг к другу, то такая сила трения называется силой трения покоя. Если тела движутся относительно друг друга, то возникает сила трения скольжения (кинематическое трение).

Если одно тело катится по поверхности другого без проскальзывания, то говорят о трении качения.

Определение

Внутреннее трение появляется между слоями жидкости (газа), которые перемещаются по отношению друг к другу.

Для внутреннего трения не существует трения покоя.

Сила трения покоя и скольжения

Определение

Сила трения покоя — это разновидность силы внешнего трения, которая возникает при контактировании двух тел, не позволяющая телам двигаться относительно друг друга.

Силу трения покоя следует преодолеть для осуществления перемещения контактирующих тел относительно друг друга. Трение покоя наблюдают до момента начала движения на макроуровне.

Сила трения покоя не является однозначно определенной величиной. В зависимости от приложенной к телу силы, например, силы тяги, она может изменяться от нуля, до максимума (той величины силы, с которой тело начинает двигаться).

Теория сухого трения считается разработанной не до конца. Поверхность твердого тела не бывает абсолютно ровной. На ней присутствуют микровыступы, трещины, посторонние включения, следы газа и жидкости. При соприкосновении поверхностей двух тел микровыступы могут попадать в микровпадины, что препятствует относительному перемещению тел. Если расстояния между контактирующими телами оказывается порядка радиуса действия молекулярных сил, это приводит к слипанию тел на этих участках, что мешает относительному движению тел.

Внедрению выступов и слипанию поверхностей способствует внешняя сила нормального давления, которая прижимает тела друг к другу. Этой силой может быть любая сила, которая перпендикулярна поверхности соприкосновения тел.

Сила трения покоя пропорциональна силе но

2.6.1 Природа сил трения

При взаимодействии зонда с поверхностью помимо нормальных сил возникают также боковые (латеральные) силы. АСМ позволяет измерять эти силы, что существенно расширяет возможности для исследования свойств поверхностей различных образцов. Соответствующая методика носит название Метода Латеральных Сил (МЛС).

Какова природа латеральных сил и какую дополнительную информацию о поверхности они могут дать? Существуют две основные силы, которые имеют горизонтальную составляющую – это сила трения и нормальная реакции образца , которая из-за локальных неровностей поверхности отклоняется от вертикали (рис. 1). Последняя всецело определяется рельефом поверхности. Таким образом, латеральные силы несут информацию о топографии, что при наличии других методов исследования, вряд ли имеет большую экспериментальную ценность.

Рис. 1.  Латеральные силы.

С другой стороны, возможность изучения силы трения способна дать новые сведения о свойствах поверхности. Это сделало АСМ важным экспериментальным инструментом трибологии – раздела физики, изучающего природу трения.

В зависимости от масштаба, на котором изучается трение, в современной трибологии принято выделять три раздела:

• макротрибологию (или просто трибологию)
• микротрибологию
• нанотрибологию

Лишь с возникновением сканирующих микроскопов появилась возможность экпериментального изучения микро- и нанотрибологии. Ниже кратко обсуждаются некоторые положения трибологии, а затем рассказывается о методе исследования латеральных сил.

Сила трения – это совокупный эффект, возникающий в результате самых различных физических явлений: упругости, адгезии, вязкости, капиллярных сил, химических особенностей, фононного и электростатического взаимодействий и проч. В зависимости от условий может преобладать то или другое явление.

Каждый из разделов трибологии исследует трение на своем масштабе. Макротрибология имеет дело с большими объектами и не рассматривает особенностей строения вещества. С другой стороны, задачей нанотрибологии является объяснение трения на уровне взаимодействия отдельных атомов. Микротрибология является переходным разделом.

Основным соотношением Макротрибологии является закон Амонтона-Кулона, который пропорционально связывает силу трения и нормальную реакцию:

(1)

где k – безразмерный коэффициент трения, который и несет всю информацию о трибологии. Он зависит от многих факторов, среди которых температура, влажность, скорость скольжения и др.

В макротрибологии считается, что геометрическая площадь контакта двух тел равна (или не сильно отличается) реальной площади контакта на атомарном уровне. Разумеется, это некоторое приближение, т.к. на самом деле даже самые гладкие поверхности на меньшем масштабе оказываются неровными, и фактический контакт двух тел происходит по гораздо меньшей площади — соприкасаются только выступающие части. Контакт в макромасштабе – это множество микроконтактов (рис. 2). Макроскопическая сила трения при этом есть усредненная микроскопическая сила трения отдельных микроконтактов, которая может сильно варьироваться.

Рис. 2. Контакт в макромасштабе шарика и кремниевой пластины [1].

Микротрибология занимается исследованием таких элементарных контактов. Как правило, подразумевается, что небольшой выступ взаимодействует с некоторой поверхностью. Именно такая модель и сделала АСМ наиболее привлекательной экспериментальной методикой микротрибологии.

Как известно, трение является диссипативной силой. При скольжении поверхностей друг по другу происходит рассеяние механической энергии. И, например, для поддержания постоянной скорости скольжения внешней силе необходимо совершать работу. Поэтому каждый из эффектов, приводящих к трению, имеет механизм диссипации энергии. В рамках обсуждения микротрибологии перечислим некоторые из них.

Трение подразделяется на два основных типа: сухое и жидкое. Причем жидким трение считают даже тогда, когда на поверхности образуется очень небольшая (в несколько атомарных слоев) пленка жидкости. В результате адсорбции это происходит практически всегда, исключения составляют следующие случаи:

1. гидрофобные поверхности зонда и образца,
2. трение в вакууме,
3. а также случаи, когда в результате большой нормальной нагрузки слой жидкости вытесняется из площади контакта, поверхности вступают в непосредственный контакт, и фактически реализуется механизм сухого трения.

В случае сухого трения считается, что при скольжении трущихся поверхностей микронеровности задевают друг за друга. При преодолении препятствий, возникают атомарные вибрации, которые в виде фононов рассеиваются, унося энергию. Кроме того, при разрыве адгезионных связей, возникающих между выступами соприкасающихся поверхностей, в металлических образцах образуются пары электрон-дырка, на возникновение которых также затрачивается энергия (этот эффект значительно слабее, чем фононное рассеяние). В случае мягких образцов возможно и разрушение микронеровностей, так называемое «пропахивание», в этом случае механическая энергия расходуется на разрушение атомарных связей.

Жидкое трение существенно зависит от толщины слоя жидкости. При пленке в один мономолекулярный слой трение мало отличается от сухого. Если монослоев два-три , то рассеяние энергии в фононном канале уже блокировано, и основную роль играет вязкость жидкого слоя. Для более толстых пленок начинают преобладать капиллярные эффекты, в результате которых неровности соприкасающихся поверхностей притягиваются друг к другу, если их попытаться сдвинуть.

Какова зависимость силы трения от нормальной приложенной нагрузки в микротрибологии? Аналогом закона Амонтона-Кулона здесь является формула (модель) Баудена-Табора, которая записывается так:

(2)

где – касательное напряжение, – реальная площадь элементарного контакта (в отличие от геометрического контакта в макротрибологии). Эта площадь зависит от степени взаимного проминания контактирующих выступов обеих поверхностей. Как известно, площадь такого контакта дает решение задачи Герца. В результате:

(3)

где R – радиус закругления зонда, N – нормальная сила, K – эффективный модуль Юнга.

(4)

здесь E, E’ – модули Юнга, а m, m’ – коэффициенты Пуассона зонда и образца соответственно. Для кремниевых зонда и образца , , .

Видно, что зависимость силы трения от нормальной нагрузки N носит нелинейный характер. В случае наличия жидкой пленки к N необходимо прибавить адгезионный член, связанный с наличием капиллярной силы. Воcпользуемся моделью DMT:

(5)

где – коэффициент поверхностного натяжения. Эта сила дополнительно прижимает друг к другу соприкасающиеся поверхности.

Модель Баудена-Табора хорошо подтверждается на опыте. На рисунке 3 приведены экспериментальные данные [1] в вакууме (жидкая пленка и капиллярный эффект отсутствуют), на воздухе и изображена для сравнения теоретическая кривая (3).

Рис. 3.  Зависимость силы трения от нормальной силы на воздухе и в вакууме. Жирной линией изображена теоретическая зависимость по Баудену-Табору [1].

В микротрибологии часто встречается так называемый эффект прилипания-скольжения. Сила трения при движении поверхности относительно другой силы трения имеет пилообразный профиль (рис. 4), она неравномерна. Прилипнув к одной «точке» на соседней поверхности, выступу в результате адгезии, капиллярных сил и т.п. сложно оторваться от нее, для это требуется преобладающая сила. Оторвавшись, выступ перескакивает к другой такой точке, возле которой снова прилипает на некоторое время и т.д.

Эффект прилипания-скольжения существенно зависит от скорости сканирования (рис. 5). Для исследования зависимости силы трения от скорости скольжения был проведен эксперимент [1], в котором измерялась сила трения между кремниевым шариком радиусом 0.5 мм и плоской кремниевой поверхностью с шероховатостями 0.2 нм для шарика и 0.17 нм для пластины. При этом оба твердых тела были гидрофильны. При низкой скорости эффект прилипания-скольжения выражен более ярко, частота скачков меньше, а их амплитуда больше. С ростом скорости частота повышается, а амплитуда, наоборот, понижается. Существует некоторая максимальная критическая скорость скольжения, после которой эффект пропадает и сила трения становится регулярной. В эксперименте критическая скорость 0.4 мкм/с достигалась при нормальной силе придавливания, равной 70 мкН.

Рис. 4.  Зависимость силы трения от скорости скольжения [1]. В квадратиках изображено поведение силы трения при скоростях скольжения, больших и меньших критической.

Рис. 5.  Зависимость амплитуды и частоты силы трения в эффекте прилипания-скольжения от скорости сканирования [1].

На тех же образцах была изучена зависимость силы трения от температуры и влажности [1]. Сначала оба твердых тела были гидрофильны. Затем, чтобы убрать оксидную пленку и сделать их гидрофобными, в течении двух минут их травили в плавиковой кислоте HF.

Таким образом, сила трения измерялась как функция относительной влажности при различных температурах для гидрофильных и гидрофобных образцов. Температура была изменяемым параметром. Измерительную систему помещали в камеру с регулируемой влажностью и температурой. Влажность изменяли от 85% до 20%. Нормальная сила поддерживалась постоянной и была равна N = 2000 мкН. На рисунке 6 приведены экспериментальные результаты для высоких и низких температур [1].

Рис. 6.   Зависимость силы трения от влажности при разных температурах для гидрофильных и гидрофобных систем [1].

На поверхности гидрофильного образца может адсорбироваться большое количество воды. Таким образом, чем больше влажность окружающей среды, тем больше жидкости может адсорбироваться и тем больше сила трения. При росте температуры десорбция начинает превышать адсорбцию, и трение уменьшается. Чем выше температура, тем более энергетичны молекулы воды и тем легче они покидают поверхность и возвращаются к ней. Поэтому зависимость трения от влажности слабая.

Гидрофобный кремний, в отличии от гидрофильного, показывает слабую зависимость трения от влажности при любых температурах. При росте температуры трение слабо возрастает. Это означает, что в результате десорбции твердые поверхности приходят в более тесный контакт, и между ними начинают действовать силы Ван-дер-Ваальса и возникают химические связи.

Нанотрибология имеет дело со взаимодействием отдельных атомов. Представим, что поверхностный атом одной поверхности движется при скольжении в периодическом потенциале поверхностных атомов другой (рис. 7), отсутствует механизм диссипации энергии.

Рис. 7.  Слева: Потенциальная энергия и траектория зонда;
справа: Мгновенная и средняя сила трения [3].

Неконсервативность вводится следующим образом. Достигнув верхней точки потенциала, атом, который можно смоделировать подвешенным на пружинке, отрывается от контактируемой поверхности и «падает» точку минимума потенциала (или ее окрестность). Атом переходит в точку с другой энергией, то есть потенциал становится «непотенциальным». Мгновенная сила трения при этом:

(6)

Можно считать, что энергия, благодаря упругому подвесу атома, передается вглубь тела, то есть, с наноскопической точки зрения, диссипируется. Такая модель приводит к неконсервативной (в среднем) силе, показанной на рисунке 7, которая и является силой трения. Эта средняя неконсервативная сила является силой трения в микротрибологии. В качестве примера приведем результаты эксперимента [2], [4] (рис. 8) на высокоориентированном пиролитическом графите (HOPG).

а)

б)

Рис. 8.  (a) Распределение латеральных сил на высокоориентированном пиролитическом графите (ВОПГ). Эти МЛС изображения получены с помощью прибора SOLVER P47 (сканер 14 мкм x 14 мкм) на воздухе, размеры сканируемых участков составляли: (а) 7 мкм x 7 мкм; (б) 9 Å x 9 Å.

Обратим внимание, что поверхность HOPG должна быть сухой. Адсорбция воды играет значительно большую роль, чем на микромасштабе. Из-за капиллярных сил прилипание-скольжение демпфируется, что приводит к получению нерезкого изображения.

---

Выводы.

• Наука о силе трения — трибология — подразделяется на макротрибологию, микротрибологию, нанотрибологию. На разных масштабах используют различные модели для описания трения.
• Трение существенно зависит от влажности, температуры, адсорбции, других факторов и подразделяется на сухое и жидкое.
• Основное уравнение макротрибологии — закон Амонтона-Кулона. Считается, макроскопическая площадь соприкосновения тел состоит из элементарных контактов, имеющих гораздо меньшую суммарную площадь.
• Сухое трение в элементарном контакте описывается моделью Баудена-Табора. Она использует герцевское представление об упругой деформации в месте контакта, а в качестве параметра трения служит напряжение сдвига.
• В жидком трении основную роль играют капиллярные силы.
• В микротрибологии часто встречается эффект прилипания-скольжения, в результате которого сила трения непостоянна и имеет пилообразный профиль.
• Нанотрибология описывает трение как взаимодействие атомов. Рассматривая движение атомов одного тела в потенциале атомов другого, можно ввести неконсервативную силу, описывающую трение.

Литература.

1. Scherge Matthias, Biological micro- and nanotribology: Nature’s solutions. Springer, 2001
2. N.P. D’Costa, J.H. Hoh, Rev. Sci.Instrum. 66 (1995) 5096-5097
3. Wiesendanger R., Guentherodt H.-J. (eds.), Scanning tunneling microscopy. — 2d ed. 3 : Theory of STM and related scanning probe methods. 1996
4. Bhushan B., Wear 225-229 (1999) 465-492.

Основные положения теории трения и изнашивания. Виды трения.

Стр 1 из 15Следующая ⇒

ЧЕРЕПОВЕЦКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

Инженерно-технический институт

 

Кафедра: Транспортных средств и техносферной безопасности

 

 

Разработал: П. М. Быков – к.т.н., доцент

(На правах рукописи)

 

Конспект лекций

По предмету

ТРЕНИЕ И ИЗНОС

 

 

Череповец

2016 г.

Виды трения

•В зависимости от наличия или отсутствия относительного движения различают трение покоя и трение движения.

Трение покоя — это трение двух тел при микросмещениях до перехода к относительному движению.

Трение движения -трение двух тел, находящихся в относительном движении.

•По характеру относительного движения различают трение скольжения и трение качения.

Трение скольжения — это трение движения, при котором скорости тел в точке касания различны по величине и направлению или по величине или по направлению.

Трение качения — это трение движения двух тел, при котором их скорости в точках касания одинаковы по величине и направлению.

•Виды трения по наличию смазочного материала — трение со смазочным мате­риалом и трение без смазочного материала.

Трение со смазочным материалом — это трение двух тел при наличии на поверхности трения введенного смазочного мате­риала любого вида.

Трение без смазочного материала — трение двух тел при отсутствии на поверхности трения введенного смазочного материала любого вида.

Трение без смазки сопровождается высокой температурой, возникающей на микроскопических контактах участков трущихся поверхностей. Нагрев приводит к химическим и структурным изменениям поверхностных слоев деталей.

При различном физическом состоянии смазочного материала различают — газовую смазку, жидкостную смазку, твердую смазку.

•Виды смазки по типу разделения поверхностей трения смазочным слоем: гидродинамическая смазка, гидростатическая смазка, газодинамическая смазка, граничная смазка, полужидкостная смазка и др.

Гидродинамическая смазка — жидкостная (газовая) смазка, при которой полное разделение поверхностей трения осуществляется в результате давления, самовозникающего в слое жидкости (газа) при относительном движении поверхностей.

Полужидкостная смазка — это смазка, при которой частично осуществляется жидкостная смазка.

Граничная смазка — смазка, при которой трение и износ между поверхностями, находящимися в относительном движении, определяется свойствами поверхностей и свойствами смазочного материала, отличными от объемных. Толщина слоя смазки при этом составляет примерно 0,1 мкм.

•Основными характеристиками процесса трения являются: сила трения, коэффициент трения, поверхность трения, скорость скольжения, коэффициент сцепления.

Сила трения — сила сопротивления при относительном перемещении одного тела по поверхности другого под действием внешней силы, тангенциально на­правленная к общей границе между этими телами.

Коэффициент трения — отношение силы трения двух тел к нормальной силе, прижимающей эти тела друг к другу.

Поверхность трения — поверхность тела, участвующая в трении.

Скорость скольжения — разность скоростей тел в точках касания при скольжении.

Коэффициент сцепления — отношение наибольшей силы трения покоя двух тел к нормальной относительно поверхностей трения силе, прижимающей тела друг к другу.

•Основными явлениями и процессами при трении являются: схватывание, перенос металла, заедание, задир, царапанье, выкрашивание, отслаивание, приработка.

Схватывание при трении — явление местного соединения двух твердых тел, происходящего вследствие действия молекулярных сил при трении.

Перенос металла — явление при трении твердых тел, состоящее в том, что материал одного тела соединяется с другим, и, отрываясь от первого, остается на поверхности второго.

Заедание — процесс возникновения и развития повреждений поверхностей трения вследствие схватывания и переноса материала.

Задир — повреждение поверхности трения в виде широких и глубоких бо­розд в направлении скольжения.

Царапание — образование углублений на поверхности трения в направлении скольжения при воздействии выступов твердого тела или твердых частиц.

Отслаивание — отделение с поверхности трения материала в форме чешуек при усталостном изнашивании.

Выкрашивание — отделение частиц материала при усталостном изнашивании, приводящее к образованию ямок на поверхности трения.

Приработка — изменение геометрии поверхности трения и физико-химических свойств поверхностных слоев материала в начальный период трения, обычно проявляющееся при постоянных внешних условиях в уменьшении силы трения, температуры и интенсивности изнашивания.

•Триботехническими характеристиками материалов являются: совмести­мость при трении, прилегаемость при трении, способность к поглощению твердых частиц, прирабатываемость.

Совместимость при трении — свойство материалов сопряженных поверхно­стей предотвращать схватывание при трении.

Прилегаемость при трении — свойство материала при трении увеличивать поверхность трения упругим и пластическим деформированием поверхностного слоя.

Способность к поглощению твердых частиц, — свойство материала способствовать поглощению твердых частиц, чтобы уменьшить их царапающее или режущее действие.

Прирабатываемость — свойство подшипникового материала уменьшать силу трения, температуру и интенсивность изнашивания в процессе приработки.

 

Виды изнашивания

Детали автомобилей подвержены практически всем видам изнашивания, которые делят на три основные группы:

•механическое,

•молекулярно-механическое

•коррозионно-механическое (рисунок 2.1).

Механическое изнашивание

Механическое изнашивание является результатом механических действий и включает резание, царапание, деформирование, отслаивание и выкрашивание микрообъемов материала.

Основными видами механического изнашивания деталей автомобилей являются:

•абразивное,

•гидро — и газоабразивное,

•гидро-, газо- и электроэрозионное,

•кавитационное,

•усталостное,

•изнашивание при заедании.

Абразивное изнашивание состоит в основном в режущем и царапающем действии на деталь твердых частиц, находящихся в свободном или закрепленном состоянии.

Абразивному изнашиванию в сочетании с другими видами подвержены практически все трущиеся детали автомобиля.

Гидроабразивное изнашивание происходит под действием твердых частиц, взвешенных в жидкости и перемещающихся относительно изнашивающейся детали.

Подвержены водяные, топливные и масляные каналы, а также детали, смазываемые под давлением. При этом абразивными частицами являются не только частицы кварца (песка) и других соединений, попадающие на трущиеся поверхности снаружи, но и частицы нагара и продукты износа, образующиеся внутри агрегатов автомобиля.

Газоабразивное изнашивание возникает под воздействием частиц, взвешенных в газе.

Этому виду изнашивания подвержены впускные и выпускные системы автомобильных двигателей, а также наружные лакокрасочные покрытия кузовов автомобилей особенно при работе в запыленных условиях.

Наибольший износ трущихся поверхностей деталей автомобиля вызывают частицы кварца, поэтому обеспечение чистоты воздуха и эксплуатационных жидкостей, поступающих во внутренние полости агрегатов автомобиля, является важнейшим методом уменьшения интенсивности различных видов абразивного изнашивания.

Кавитация представляет собой образование, а затем поглощение парогазовых пузырьков в движущейся по поверхности детали жидкости при определенных соотношениях давлений и температур в переменных сечениях потока. Разрушение кавитационных пузырьков сопровождается гидравлическими ударами по поверхности детали и образованием каверн (ямок), полостей. Примером кавитационного изнашивания являются каверны, наблюдаемые на наружных поверхностях гильз цилиндров двигателя, на полостях водяных насосов.

Изнашивание при фреттинге возникает при трении скольжения соприкасающихся деталей при возвратно-поступательных перемещениях в условиях динамической нагрузки с малыми амплитудами. Такое изнашивание проявляется в заклепочных, болтовых, шлицевых и шпоночных соединениях, рессорах.

Усталостное изнашивание является механическим изнашиванием в результате усталостного разрушения при повторном деформировании микрообъемов материала поверхностного слоя детали.

Усталостное разрушение проявляется в виде выкрашивания – отделения частиц материала, приводящего к образованию ямок (питтинга) на поверхности трения. Следует также отметить, что на развитие питтинга большое влияние оказывает расклинивающее действие масла (эффект акад. П. А. Ребиндера), заключающееся в разрушении поверхностных слоев высоким давлением масла при затекании его в микротрещины.

Усталостное разрушение имеет место на поверхностях кулачков и зубьев шестерен, в подшипниках качения трансмиссии, в антифрикционном слое вкладышей подшипников коленчатого вала двигателя.

Эрозионное и кавитационное изнашивание – Трение потоков жидкостей и газов о поверхности деталей.

Эрозионное изнашивание является механическим видом изнашивания в результате воздействия на поверхность детали потока жидкости – гидроэрозионное изнашивание – или газа – газоэрозионное изнашивание.

Гидро- и газоэрозионное изнашивания представляют собой процесс вымывания и вырыва отдельных микрообъемов материала. Топливная аппаратура дизелей, жиклеры карбюратора, клапаны газораспределения двигателей подвержены эрозионному изнашиванию.

Электроэрозионное изнашивание является видом эрозионного изнашивания поверхности в результате воздействия разрядов при прохождении электрического тока.

Этому виду изнашивания подвержены контакты прерывателя и свечей системы зажигания автомобильного карбюраторного двигателя.

Схватывание рабочих поверхностей – явление местного соединения в местах контакта, происходящее вследствие действия молекулярных сил – молекулярно-механическое изнашивание.

Изнашивание сопровождается глубинным вырыванием материала, переносом его с одной поверхности трения на другую и воздействием возникших неровностей на сопряженную поверхность и зависит от скорости скольжения поверхностей, а также от температуры.

Схватывание рабочих поверхностей может завершаться прекращением относительного движения деталей и вызывать их задир.

Такое явление может произойти при отказах систем охлаждения и смазки автомобильных двигателей заедание и, как следствие, наблюдаться задиры поршневых колец, поршней, гильз цилиндров, коренных и шатунных подшипников.

Коррозионно-механическое изнашивание является результатом механического воздействия, сопровождаемого химическим или электрическим взаимодействием материала со средой.

Для деталей автомобиля коррозия при трении в основном связана с окислением материала поверхностей деталей, т. е. ведущее значение имеет окислительное изнашивание, при котором основное влияние на изнашивание имеет химическая реакция материала с кислородом или окисляющей окружающей средой.

Долговечность, например, основных деталей цилиндропоршневой группы двигателя ограничивается коррозионно-механическим износом, возникающим вследствие выделения в цилиндрах из продуктов сгорания сернистой, серной, угольной, азотной и других кислот.

Пластические деформации и разрушения. Такие повреждения связаны с достижением или превышением пределов текучести или прочности соответственно у вязких (сталь) или хрупких (чугун) материалов.

Обычно этот вид разрушений является следствием либо ошибок при расчетах, либо нарушений правил эксплуатации (перегрузки, неправильное управление автомобилем, дорожно-транспортные происшествия и т.п.).

Иногда пластическим деформациям или разрушениям предшествует механическое изнашивание, приводящее к изменению геометрических размеров и сокращению запасов прочности детали.

Усталостные разрушения. Этот вид разрушений возникает при циклическом приложении нагрузок, превышающих предел выносливости металла детали. При этом происходят постепенное накопление и рост усталостных трещин, приводящие при определенном числе циклов нагружения к усталостному разрушению деталей. Как правило, оно наблюдается в экстремальных условиях эксплуатации (длительные перегрузки, низкие или высокие температуры) в рессорах, полуосях, рамах.

Старение. Техническое состояние деталей и эксплуатационных материалов изменяется под действием внешней среды.

Так, резинотехнические изделия теряют прочность и эластичность в результате окисления, термического воздействия (разогрев или охлаждение), химического воздействия масла, топлива и жидкостей, а также солнечной радиации и влажности.

В процессе эксплуатации свойства смазочных материалов и эксплуатационных жидкостей ухудшаются в результате накопления в них продуктов износа, изменения вязкости и потери свойств присадок.

Детали и материалы изменяются не только при их использовании, но и при хранении: снижаются прочность и эластичность, например, резинотехнических изделий; у топлива, смазочных материалов и жидкостей наблюдаются процессы, сопровождаемые выпадением осадков.

Знание основных причин изменения работоспособности и технического состояния важно как для совершенствования конструкции автомобилей, так и для выбора наиболее эффективных мероприятий по предупреждению отказов и неисправностей в эксплуатации.

Механические свойства

Кинетика изнашивания

Жизненный цикл трибосопряжения состоит из определенных периодов, различающихся стационарностью. В общем случае их три:

•приработка;

•установившийся износ;

•катастрофический износ;

Приработка (I рис.2) является нестационарным режимом изнашивания с убывающей скоростью или отрицательным ускорением изнашивания

В течение приработки происходит формирование поверхности взаимодействия элементов трибосопряжения.

Установившийся износ (II рис.2) – стационарный период работы трибосопряжения, во время которого скорость изнашивания постоянна.

Во время установившегося износа нагрузочные параметры трибосопряжения поддерживаются на рабочем режиме.

Катастрофический износ (III) – заключительный период жизненного цикла трибосопряжения, характеризующийся нарастанием скорости изнашивания

Рис. 2. Кинетические кривые износа трибосопряжений

а — классическая форма кривой износа; б. Нет периода установившегося

износа; в. Нет периодов I и III. Весь цикл трибосопряжение работает при I_h =Sonst;

г. Нет периода приработки и установившегося износа

 

В процессе работы машины показатели изнашивания деталей и сопряжений не сохраняют постоянных значений. Изменения износа деталей во времени в общем случае можно представить в виде модели, предложенной В.Ф. Лоренцом (рис. 5.1).

В начальный период работы, называемый периодом приработки, наблюдается довольно быстрый износ деталей (участок I). Продолжительность этого периода обусловливается качеством поверхностей и режимом работы механизма и составляет обычно 1,5—2 % ресурса узла трения.

 

Рис. 5.1. Изменения параметров сопряжения в процессе работы:

1 — износа, ∆h; 2 —скорости изнашивания, vи; 3 — частоты m отказов; 4 — интенсивности Ihотказов; 5 — затрат С на поддержание работоспособности

 

Назначение и виды присадок.

Присадки не применяют в чистом виде, но их добавление (иногда в малых количествах) существенно улучшает те или иные эксплуатационные свойства жидких масел и пластичных смазочных материалов.

Содержание присадки в смазочном материале колеблется в зависимости от типа масла или пластичного смазочного материала от 0,01 до 20 % и выше.

Присадки классифицируют по назначению и составу. По назначению различают следующие присадки:

• адгезионные,

• деэмульгаторы,

•моющие (ПМС, СК-3, MACK),

•противопенные (ПМС-200А),

•вязкостные (ПИБ, КП-10),

•противокоррозионные (АКОР-1, МНИ-7),

•депрессорные (ВНИИНП-157, ПМАД),

•антиокислительные (ЛАНИ-317, ДФ-11),

•приработочные (АЛП-2), фрикционные (АЛП-2),

•противозадирные (ОТП, ЛЗ-28, АБЭС),

•противоизносные (ДФ-11, ЭФО, Хлорэф-40),

•многокомпонентные (ВНИИНП-360 + ПМС + ВНИИНП-354; ДФ-11 + ПМС-200А).

Адгезионные присадки предназначены для повышения липкости и нерастекаемости масел. В эту группу присадок входят полярно-активные вещества, повышающие адгезионные силы притяжения пленки масла к твердой поверхности детали.

Моющие присадки служат для предотвращения отложений и нага- гообразования на поверхностях деталей, работающих при повышенной температуре.

Деэмульгаторы — присадки, разрушающие водо-масляные эмульсии и, таким образом, способствующие снижению содержания воды в смазочном материале.

Антиокислительные присадки используют для замедления процессов старения и окисления масел.

Депрессорные присадки предназначены для снижения температуры застывания и, как правило, входят в состав масел, рекомендуемых для применения в зимнее время и условиях холодного климата.

Назначение присадок остальных типов очевидно из их наименования.

Для улучшения эксплуатационных свойств масел в их состав вводят композицию нескольких присадок — так называемые многокомпонентные присадки, обеспечивающие противоизносные, антиокислительные, противокоррозионные и моющие свойства.

Состав композиции зависит от назначения присадок и совместимости ком-понентов.

Действие противоизносных, противозадирных и противофрикционных присадок основано на их химическом взаимодействии с трущимися поверхностями металла и образовании соединений в виде пленок со свойствами, обеспечивающими снижение износа, устранение заедания и уменьшение коэффициента трения (химическое полирование поверхности; разрушение мест схватывания благодаря пониженной прочности, образующихся пленок по сравнению с исходным металлом; расклинивающий эффект в результате ориентирования молекул смазки).

В качестве таких присадок используют органические соединения металлов в сочетании с соединениями серы, хлора, фосфора (например, свинцовое мыло и осерненные жиры).

ЧЕРЕПОВЕЦКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

Инженерно-технический институт

 

Кафедра: Транспортных средств и техносферной безопасности

 

 

Разработал: П. М. Быков – к.т.н., доцент

(На правах рукописи)

 

Конспект лекций

По предмету

ТРЕНИЕ И ИЗНОС

 

 

Череповец

2016 г.

Основные положения теории трения и изнашивания. Виды трения.

 

Повышение надежности и долговечности машин является одной из главных проблем современного машиностроения. Эко­номическое значение этой проблемы очевидно.

Как показал статистический анализ, главной причиной вы­хода из строя машин является не их поломка, а износ подвижных сопряжений и рабочих органов под влиянием сил трения. Проек­тируя новую машину, инженер обязательно рассчитывает на прочность наиболее ответственные детали, тогда как практически ни одно подвижное сопряжение не проверяют на износостойкость.

При проектировании и эксплуатации машин не всегда исполь­зуются наиболее эффективные средства снижения износа, учи­тывающие конкретные условия работы. По этой причине Россия и другие технически развитые страны несут огромные материальные затраты, связанные с ремонтом машин

Важной частью в машиноведении являются теория трения, исследование износа и износостойкости деталей машин. В рамках этих разделов машиноведения должны решать вопросы повышения качества сопряженных деталей, их смазывания, увеличения коэффициента полезного действия и ресурса работы машины.

Важное место и значение среди разрушительных процессов занимает процесс трения. Работа многих сопряжений узлов, агрегатов связана с относительным перемещением сопряженных поверхностей деталей, вызывающих трение.

Трение влечет за собой бесполезную затрату энергии и изнашивание деталей. Установлено, что трение зависит от большого числа сложных процессов, протекающих на сопряженных поверхностях.

Для выявления природы трения существует несколько различных гипотез и теоретических обоснований.

Долгие годы шел спор между сторонниками механического и молекулярного направлений.

Конец спору был положен в 1939 г., когда Российский учёный И.В. Крагельский объединив эти две точки зрения, предложил теорию, согласно которой внешнее трение имеет двойственную природу и обусловлено как преодолением сил молекулярного взаимодей­ствия между поверхностями, так и преодолением механического сопротивления, связанного с формоизменением поверхностного слоя.

В связи с этим принято различать :

–механическое трение контактирующих поверхностей;

–трение контактирующих поверхностей на атомно-молекулярном уровне

В основе молекулярно-механической теории сухого и гранич­ного трения и износа лежит учет дискретности контакта двух твердых тел, обусловленный шероховатостью и волнистостью поверхностей контакта, которая имеет место на любых твердых

 

При многократном воздействии в материале упругого полупро­странства будут периодически возникать сжимающие и растя­гивающие напряжения.

Высокая температура в сочетании с высокими давлениями, возникающими в зонах касания, приводят к значительным изме­нениям свойств поверхностных слоев, вызывают значительные температурные напряжения, в микрообъемах протекают процессы «термической обработки». Интенсивно протекают процессы окис­ления, образование различных химических соединений, взаимной диффузии.

Взаимодействие газов и жидкостей с поверхностями твердых тел в процессе трения формирует «третье тело», что существенно изменяет молекулярную составляющую трения. Это взаимодей­ствие может носить характер либо физической адсорбции, либо хемосорбции.

Измененный поверхностный слой испытывает значительные деформации при трении, его свойства в сочетании со свойствами подложки, состоящей из исходного материала, определяют изно­состойкость и сдвиговые сопротивления.

Разрушение при износе имеет кумулятивный характер и является результатом последовательного многократного накоп­ления повреждений. Поэтому износостойкость весьма чувстви­тельна к незначительному изменению свойств мате­риалов, изменению природы защитных пленок на поверхности, например, за счет присадок к маслам.

Сложность этих явлений иллюстрирует схема основных фак­торов, которые необходимо учитывать при анализе фрикционного взаимодействия твердых тел (рис. 6).

Рис. 6. Схема факторов, влияющих на фрикционное взаимодействие твердых тел

 

Вопросы и проблемы трения и износа рассматривает «трибология». При этом проблема трения существует столько же, сколько существует техника. Не менее трети энергии в любой современной машине тратится на преодоление бесполезного трения между ее частями, несмотря на подшипники и системы смазки

Трибология – наука о трении и процессах, сопровождающих трение. Трибология, как раздел машиноведения, охватывает экспериментально-теоретические исследования физических (механических, электрических, магнитных, тепловых, химических) идругих явлений сопутствующих трению.

 

 

.

 

Механическая теория трения. В основу ее положено чередование упругих и неупругих механических взаимодействий элементарных неровностей, происходящих при перемещении контактирующих поверхностей.

Она объясняет причины возникновения трения зацеплением шероховатостей трущихся поверхностей, но она не может объяснить причину возрастания трения для очень гладких поверхностей.

Молекулярная теория трения появилась в XVIII веке и была разработана английским физиком Томпсоном (1929 г.). Эта теория объясняет явление трения, исходя из сил молекулярного взаимодействия поверхностей.

Дальнейшее развитие эта теория получила в трудах русского физика Б. В. Дерягина (1935-1941 гг.). Который показал, что под действием внешней нагрузки электронные оболочки атомов настолько сближаются, что возникает отталкивающая сила. Сила, которая преодолевает возникающие отталкивающие атомные силы , и является силой трения.

Молекулярно-механическая теория трения была разработана советским фи­зиком И. В. Крагельским (1946 г.) Эта теория основана на предположении, что трение имеет двойственную природу и обусловлено как взаимным внедрением отдельных выступов поверхности, так и силами молекулярного притяжения. Сущность теории состоит в следующем. Если к гладкой поверхности приложить нагрузку, то она вследствие анизотропности ее элементов по механическим свойствам станет шероховатой.

 

Виды трения

•В зависимости от наличия или отсутствия относительного движения различают трение покоя и трение движения.

Трение покоя — это трение двух тел при микросмещениях до перехода к относительному движению.

Трение движения -трение двух тел, находящихся в относительном движении.

•По характеру относительного движения различают трение скольжения и трение качения.

Трение скольжения — это трение движения, при котором скорости тел в точке касания различны по величине и направлению или по величине или по направлению.

Трение качения — это трение движения двух тел, при котором их скорости в точках касания одинаковы по величине и направлению.

•Виды трения по наличию смазочного материала — трение со смазочным мате­риалом и трение без смазочного материала.

Трение со смазочным материалом — это трение двух тел при наличии на поверхности трения введенного смазочного мате­риала любого вида.

Трение без смазочного материала — трение двух тел при отсутствии на поверхности трения введенного смазочного материала любого вида.

Трение без смазки сопровождается высокой температурой, возникающей на микроскопических контактах участков трущихся поверхностей. Нагрев приводит к химическим и структурным изменениям поверхностных слоев деталей.

При различном физическом состоянии смазочного материала различают — газовую смазку, жидкостную смазку, твердую смазку.

•Виды смазки по типу разделения поверхностей трения смазочным слоем: гидродинамическая смазка, гидростатическая смазка, газодинамическая смазка, граничная смазка, полужидкостная смазка и др.

Гидродинамическая смазка — жидкостная (газовая) смазка, при которой полное разделение поверхностей трения осуществляется в результате давления, самовозникающего в слое жидкости (газа) при относительном движении поверхностей.

Полужидкостная смазка — это смазка, при которой частично осуществляется жидкостная смазка.

Граничная смазка — смазка, при которой трение и износ между поверхностями, находящимися в относительном движении, определяется свойствами поверхностей и свойствами смазочного материала, отличными от объемных. Толщина слоя смазки при этом составляет примерно 0,1 мкм.

•Основными характеристиками процесса трения являются: сила трения, коэффициент трения, поверхность трения, скорость скольжения, коэффициент сцепления.

Сила трения — сила сопротивления при относительном перемещении одного тела по поверхности другого под действием внешней силы, тангенциально на­правленная к общей границе между этими телами.

Коэффициент трения — отношение силы трения двух тел к нормальной силе, прижимающей эти тела друг к другу.

Поверхность трения — поверхность тела, участвующая в трении.

Скорость скольжения — разность скоростей тел в точках касания при скольжении.

Коэффициент сцепления — отношение наибольшей силы трения покоя двух тел к нормальной относительно поверхностей трения силе, прижимающей тела друг к другу.

•Основными явлениями и процессами при трении являются: схватывание, перенос металла, заедание, задир, царапанье, выкрашивание, отслаивание, приработка.

Схватывание при трении — явление местного соединения двух твердых тел, происходящего вследствие действия молекулярных сил при трении.

Перенос металла — явление при трении твердых тел, состоящее в том, что материал одного тела соединяется с другим, и, отрываясь от первого, остается на поверхности второго.

Заедание — процесс возникновения и развития повреждений поверхностей трения вследствие схватывания и переноса материала.

Задир — повреждение поверхности трения в виде широких и глубоких бо­розд в направлении скольжения.

Царапание — образование углублений на поверхности трения в направлении скольжения при воздействии выступов твердого тела или твердых частиц.

Отслаивание — отделение с поверхности трения материала в форме чешуек при усталостном изнашивании.

Выкрашивание — отделение частиц материала при усталостном изнашивании, приводящее к образованию ямок на поверхности трения.

Приработка — изменение геометрии поверхности трения и физико-химических свойств поверхностных слоев материала в начальный период трения, обычно проявляющееся при постоянных внешних условиях в уменьшении силы трения, температуры и интенсивности изнашивания.

•Триботехническими характеристиками материалов являются: совмести­мость при трении, прилегаемость при трении, способность к поглощению твердых частиц, прирабатываемость.

Совместимость при трении — свойство материалов сопряженных поверхно­стей предотвращать схватывание при трении.

Прилегаемость при трении — свойство материала при трении увеличивать поверхность трения упругим и пластическим деформированием поверхностного слоя.

Способность к поглощению твердых частиц, — свойство материала способствовать поглощению твердых частиц, чтобы уменьшить их царапающее или режущее действие.

Прирабатываемость — свойство подшипникового материала уменьшать силу трения, температуру и интенсивность изнашивания в процессе приработки.

 

Рекомендуемые страницы:

Проект «Практическое применение сил трения»

Муниципальное общеобразовательное автономное учреждение средняя

общеобразовательная школа №1 села Возжаевки филиал №1

Тип проекта: Информационно – исследовательский

Проект

«Практическое применение сил трения»

Автор работы: Бубнов Илья ученик 9 «а» класса

Руководитель: Опаленко Тамара Владимировна

с. Возжаевка

2019

Содержание:

Введение………………………………………………………………..4

Глава 1:…………………………………………………………………5

1.1.Понятие о силе трения………………………………………………5

1.2.Применение силы трения в древности……………………………5

1.3.История открытия силы трения…………………………………..6

1.4.Сила трения в природе и технике…………………………………7

Глава 2:…………………………………………………………………8

2.1.Классификация сил трения………………………………………..8

2.2.Анкетирование учащихся…………………………………………8

2.3.Способы увеличения и уменьшения силы трения………………9

2.4.Создание свода правил по пользованию силами трения……….9

Заключение……………………………………………………………10

Литература…………………………………………………………….11

Актуальность проекта:

Роль силы трения велика, она не ограничивается торможением тел. Во многих случаях движение невозможно без трения. Изучая силу трения можно узнать: причины возникновения сил трения, виды трения. На основании этого я решил разобраться, как на практике используют силы трения.

Цель проекта – узнать, как на практике используют силы трения.

Задачи проекта:

1. изучить теорию силы трения

2. рассмотреть виды трения, узнать практическое применение

3. проанализировать полученные факты и сделать вывод

Планируемый результат:

1. Создание презентации к проекту;

2. Изготовление буклета о трении и о его практическом применении.

Введение

Сила трения – это сила, возникающая при соприкосновении двух тел и препятствующая их относительному движению. Причиной возникновения трения является шероховатость трущихся поверхностей и взаимодействие молекул этих поверхностей.

Проблема заключается в том, что мы не знаем, как на практике применять силы трения.

Мне захотелось узнать: как же использовать силу трения, как увеличить или уменьшить силу трения, как ее применяют на практике. Поэтому свой проект я посвятил изучению силы трения.

Цель моей работы – создание свода правил по пользованию силой трения.

Для реализации цели я поставил следующие задачи:

1. изучить теорию силы трения

2. рассмотреть виды трения, узнать практическое применение

3. проанализировать полученные факты и сделать вывод

С трением мы сталкиваемся на каждом шагу. Вернее сказать, что без трения мы и шагу ступить не можем. Трением сопровождается каждое механическое движение, и это обстоятельство имеет существенное следствие в современном техническом прогрессе. Еще в глубокой древности люди нашли применение силе трения.

Глава 1

1. 1. Понятие о силе трения

Силой трения называют силу, которая возникает при движении одного тела по поверхности другого. Она всегда направлена противоположно направлению движения. Различают 3 вида трения: трение покоя, трение скольжения, трение качения.

Трение покоя – это сила, возникающая между двумя неподвижными контактирующими телами и препятствующая возникновению относительного движения.

Трение скольжения – сила, возникающая между соприкасающимися телами при их относительном движении. Опытным путём установлено, что сила трения зависит от силы давления тел друг на друга (силы реакции опоры).

Трение качения – сопротивление движению, возникающее при перекатывании тел друг по другу, т.е. сопротивление качению одного тела (катка) по поверхности другого.

Роль силы трения в быту сводится к тому, что мы можем ходить и ездить, что предметы не выскальзывают у нас из рук, что полки и картины висят на стенах, а не падают, даже одежду мы носим благодаря трению, которое удерживает волокна в составе нитей, а нити в структуре тканей.

Но трение может играть и отрицательную роль. Именно из-за него нагреваются и изнашиваются движущиеся части различных механизмов. В таких случаях его стараются уменьшить. Существует несколько способов уменьшения трения.

Один из них – это введение смазки между трущимися поверхностями. Смазка уменьшает соприкосновение тел, и трутся не тела, а слои жидкости. А трение в жидкости намного меньше, чем сухое трение.

Вывод: что же такое трение? Физическая величина, без которой сложно представить нашу жизнь. Функциональность силы трения не ставится под сомнение, ровно, как и ее необходимость в жизни людей.

1. 2. Применение силы трения в древности

Вспомним, что многие современные и дошедшие до наших времен способы добычи огня связаны с применением трения. Когда-то чтобы добыть огонь, люди брали острую деревянную палочку, упирали её в деревянный брусок и быстро вращали. При достаточном упорстве через некоторое время в месте трения появлялся дым, начиналось тление и возгорание образовавшихся опилок и подложенного, например, сухого мха.

Известно несколько достаточно трудоемких способов добывания огня трением дерева о дерево, применявшихся у разных народов мира.

Индейцы Северной Америки, чтобы получить огонь, обычно трут две палочки вместе.

На Огненной Земле и у эскимосов в традициях высекание огня. Эскимосы ударяют обычным куском кварца о кусок пирита (железного колчедана), который очень распространен в местах, где они живут.

В Китае и в Индии куском разбитой глиняной посуды ударяют о бамбуковую палочку. Внешняя оболочка бамбука очень твердая и имеет все свойства фитиля.

На Аляске индейцы некоторых племен натирают серой два камня и ударяют один о другой. Когда сера загорается, они бросают горящий камень в сухую траву или другой сухой материал.

Другой способ добывание огня – это высекание искр, и тоже сопровождается трением! Можно получать огонь, нанося по твердому камню удары каким-нибудь металлическим предметом, например, ножом. Такое устройство по извлечению огня существовало с древних времен и позднее стало называться «огниво». Огниво — это приспособление для получения огня, широко применявшееся до появления спичек.

Таким образом, еще в древности люди на практике познакомились с проявлением силы трения.

1.3. История открытия силы трения

Первые работы по открытию силы трения проводил Леонардо да Винчи. Леонардо (1519) утверждал, что сила трения, возникающая при контакте тела с поверхностью другого тела, пропорциональна нагрузке (силе прижатия), направлена против направления движения и не зависит от площади контакта. Модель Леонардо была переоткрыта через 180 лет Гийомом Амонтоном и получила окончательную формулировку в работах Шарля Огюстена де 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 – вес тела, а Fтр — сила трения, является единственной формулой, фигурирующей в учебниках по физике, а значения коэффициента трения fтр для различных материалов которые 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.

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).

1.4. Сила трения в природе и технике

В природе и технике трение имеет большое значение. Трение может быть полезным и вредным. Когда оно полезно, его стараются увеличить, когда вредно уменьшить. Рассмотрим некоторые примеры.

Без трения покоя ни люди, ни животные не могли бы ходить по земле. Действительно, при ходьбе мы отталкиваемся ногами от земли. Когда же трение между подошвой обуви и землей (или льдом) мало, например, в гололедицу, то отталкиваться от земли очень трудно. В таких случаях силу трения увеличивают, посыпая тротуары песком.

Сила трения останавливает автомобиль при торможении. Чтобы увеличить силу трения, поверхность шин у автомобилей делают с ребристыми выступами. Зимой, это особенно важно.

У многих растений и животных имеются различные органы, служащие для хватания (усики растений, хобот слона, цепкие хвосты лазающих животных). Все они имеют форму, удобную для навивания, и шероховатую поверхность для увеличения трения.

Но мы уже говорили, что во многих случаях трение вредно и с ним приходится бороться. Например, во всех машинах из-за трения нагреваются и изнашиваются движущиеся части. Для уменьшения трения соприкасающиеся поверхности делают гладкими, между ними вводят смазку. Чтобы уменьшить трение вращающихся валов машин и станков, их опирают на подшипники.

Глава 2

2.1. Классификация сил трения

Трение покоя – это сила, возникающая между двумя неподвижными контактирующими телами и препятствующая возникновению относительного движения.

Трение скольжения – сила, возникающая между соприкасающимися телами при их относительном движении. Опытным путём установлено, что сила трения зависит от силы давления тел друг на друга (силы реакции опоры).

Трение качения – сопротивление движению, возникающее при перекатывании тел друг по другу, т.е. сопротивление качению одного тела (катка) по поверхности другого.

2.2. Анкетирование учащихся

Мной было проведено анкетирование среди учащихся 9 х классов по теме «Трение»

Учащимся были заданы следующие вопросы:

1.Что такое трение?

2.Отчего оно возникает?

3.О каком трении, вы знаете?

4.Как вы думаете, важно ли трение в жизни человека?

5.Что нужно делать, чтобы уменьшать или увеличивать трение?

6. О пользе и вреде трения?

2.3. Способы увеличения и уменьшения силы трения

От силы трения есть и польза и вред. Когда сила трения полезна, её увеличивают, а когда вредна уменьшают. Рассмотрим несколько способов увеличения и уменьшения силы трения.

Способы увеличения:

— Увеличение нагрузки

— Увеличить шероховатость поверхности

— Использование специальных материалов

Способы уменьшения:

— Шлифование

— Смазка

— Уменьшение нагрузки

— Заменить трение скольжения, на трение качения

Сила трения безусловно полезна т.к. с её помощью мы спокойно ходим по земле, наша одежда мгновенно не приходит в негодность, потому что нити ткани удерживаются при помощи трения. Но есть и отрицательные стороны трения проблема перемещения тяжелых грузов, износ всех вещей, невозможность создания вечного двигателя, поскольку любое движение рано или поздно прекращается, требуя стороннего вмешательства.

2. 4. . Создание буклета о трении и о его практическом применении.

Создание буклета проходило в несколько этапов:

1. Определение темы

2. Подборка материала (картинки)

3. Оформление букета

4. Создание электронного варианта

5. Распечатка полученного буклета

Заключение

Работая над проектом, я изучил теорию силы трения, узнал историю открытия, рассмотрел, как применяют её на практике и как применяли в древности, определил способы увеличения и уменьшения трения, рассмотрел полезные и вредные свойства трения.

В результате я создал собственный буклет о трении и о его практическом применении.

Проанализировав материал проекта, я могу смело утверждать, что:

1. Трение является важным открытием человечества;

2. От силы трения есть и польза и вред;

3. Трение необходимо в жизни каждого человека.

Литература:

1. Л.П. Лисовский. «Трение в природе и технике», журн. «Квант»

2. Мощанский В.Н, Савелов Е.В. «История физики в средней школе». Просвещение 1981.

3. Дерягин Б.В. «Что такое трение» М. Просвещение 1986.

4. Дерягин Б. В. Что такое трение? М.: Изд. АН СССР, 1963.

5. ru.wikipedia.org

6. class-fizika.ru