Краткие сведения по теории трения

Важное место и значение среди разрушительных процессов занимает про­цесс трения. Перемещение сопряженных поверхностей деталей, вызывает 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. Наиболее ранней является 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, не объясняет при-

чины непрерывного возрастания трения и т. д. Впервые закон трения был сфор­мулирован французским физиком Амонтоном в 1699 г. Он установил, что сила трения пропорциональна массе груза и не зависит от размера площади соприкос­новения тел.

где f - коэффициент трения. В 1785 г. французский физик Ш, О. Кулон ввел в это равенство постоянное слагаемое, учитывающее адгезионное (прилипание) схватывание поверхностей.

Позднее английский физик Ф. Р. Боуден предложил для определения силы трения выражение

где Fc - сопротивление срезу металлических поверхностей, Н; Fn - сопро­тивление пластическому вытеснению более твердым металлом менее твердого, Н; Θ - касательное напряжение среза, Па; Sф - площадь фактического контакта, м2; S - поперечное сечение трения, м2.

Площадь фактического контакта может быть определена следующим образом

где Gτ - предел текучести неровностей, Н/м2.

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, возникающих между поверхностями.

Дальнейшее развитие эта теория получила в трудах русского физика Б. В. Дерягина (1935-1941 гг.). Он показал, что причина трения заключается в атомар­ном (молекулярном) взаимодействии поверхностей, образующих сопряжение. Под действием внешней нагрузки электронные оболочки атомов настолько сбли­жаются, что возникает отталкивающая сила. Сила, которая преодолевает возни­кающие отталкивающие атомные силы , и является силой трения. Закон трения предложен им в таком виде:

где Рo - удельная сила трения молекулярного взаимодействия, Н/м² ; P=N/S_ф - удельное давление, Н/м . Первая составляющая от молекулярного взаимодейст­вия, а вторая от давления. Однако эта теория не объясняет некоторые эксперимен­тальные данные, например, механические повреждения поверхностей трения, вза­имного внедрения и зацепления поверхностей и др.

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. Это приводит при трении даже гладких поверхностей к механическому взаимодействию. Тесное сближение поверхностей вызывает их

молекулярное взаимодействие. В результате этих взаимодействий происходит из­нашивание поверхностей, интенсивность которого зависит от свойств трущихся поверхностей, характера движения, нагрузки, скорости относительного переме­щения, температуры окружающей среды и т. д.

Для определения силы трения им было предложено выражение

где Fмех -составляющая силы трения механического происхождения; Fмол - составляющая силы трения молекулярного происхождения; α и β - коэффициен­ты, определенные опытным путем.

а) механическое взаимодействие; б) молекулярное взаимодействие

Рис. 8 - Схема взаимодействия трущихся поверхностей:

Энергетическая теория трения предложена советским ученым А. Д. Дуби­ниным (1952 г.). Он исходил из предположения, что трение не сила, а процесс. Поэтому природу трения необходимо раскрывать не на основании законов дейст­вия сил, а на основании действующих при этом законов энергий и их превраще­ния. Энергетическая теория базируется на химических явлениях, из которых сле­дует, что в процессе трения возникают различные эффекты, зависящие от многих условий. При движении одного тела относительно другого происходит превраще­ние энергии поступательного движения тела в энергию волновых и колебатель­ных движений частиц материальной системы, в результате чего возникают термо­электронные, термические, акустические и другие явления.

Качественно процесс трения характеризуется физико-химическими явле­ниями, а количественно - механическим эффектом (коэффициент и сила трения,

износ поверхности).

В настоящее время состояние теории трения таково, что позволяет решать ряд вопросов, выдвигаемых практикой. Имеются методики и рекомендации для выполнения инженерных расчетов на изнашивание различных видов сопряжений.

Гидродинамическая теория трения (смазки) разработана русскими учеными Н. П. Петровым (1883 г.), Н. Е. Жуковским (1886-1889 гг.), С. А. Чаплыгиным

(1884-1896 гг.) и другими.

Для определения силы трения Н. П. Петровым предложена формула

где η| - абсолютная вязкость металла, Пас; v - относительная скорость перемещения трущихся поверхностей, м/с; s - площадь поверхностей, скользящих одна относительно другой, м2; h - толщина масляного слоя, м.

Исходя из гидродинамической теории, В. Ч. Казарцев предложил формулу для определения наивыгоднейшего зазора в сопряжении (1940 г.).

Согласно гидродинамической теории трения (смазки) минимальные значе­ния зазора в сопряжении вал-подшипник, обеспечивающего жидкостную смазку,

будут

где d - диаметр вала, м; η - абсолютная вязкость масла, Н·с/м2; р - удельная нагрузка на вал, Н/м2 ; s - зазор, м; n - частота вращения вала, об/с.

где l - длина подшипника, м; С другой стороны

где е - абсолютный эксцентриситет.

Силы трения, действующие в слое смазки, зависят от смещения осей вала и подшипника, характеризуемого относительным эксцентриситетом:

тогда после замены получим

Опытным путем установлено, что наименьшие затраты энергии на трение получаются при λ,=0,5. Исходя из этого,

Приравняем выражения (41,46)

Решая это уравнение относительно s , получим

Увеличение зазора в сопряжении до значения hmin, равного сумме значений неровностей вала и подшипника, т. е. когда hmin=δп+δв=δ, нарушает условия жидко­стного трения. Зазор, соответствующий началу возникновения контактов в сколь­зящих поверхностях считается максимальным. Для случая, когда hmin=8 , т. е. когда в сопряжении будет максимальный зазор можно записать такое выражение

Разделив одно уравнение на другое, получим

Анализ работы действующих технических условий показывает, что для подвижных посадок можно принять

Snp - предельный зазор по техническим условиям.

В ряде случаев минимальная толщина слоя смазки определяется не величи­ной шероховатостей поверхностей, а чистотой смазки.

В кривошипно-шатунных подшипниках величина максимального зазора может быть определена по величине работы удара по зависимости

где а - постоянная величина, зависящая от массы, скорости вращения и ра­диуса кривошипа.

Для определения максимального зазора предложена формула

где l - длина опорной части, м; t - время действия нагрузки, с.