Тепловые процессы, сопровождающие трение

Взаимодействие рабочих поверхностей деталей при трении сопровождается интенсивным тепловыделением. Пластическая де­формация и срез микронеровностей вызывают искажения кристаллической решетки материала детали, проявляющиеся в виде местного повышения температуры. На микроплощадках фактического контакта в процессе трения возникают температурные вспышки, достигающие 1000 "С.

Вследствие теплопроводности материалов трущихся деталей теп­ло, выделившееся при трении, распределяется на несколько тепловых потоков, направляемых внутрь каждой из взаимодействующих деталей и в окружающую среду. Таким образом, трение рабочих поверхностей деталей сопряжения сопровождается процессами распространения тепла в материалах деталей и в окружающей среде (воздухе, смазочном материале, рабочей жидкости).

Условия теплообмена деталей трения с окружающей средой, теплофизические свойства материалов, параметры профилей рабочих поверхностей деталей и режим работы сопряжения в совокупности определяют среднюю температуру трущихся поверхностей, которая в значительной степени влияет на коэффициент трения, характер изнашивания деталей и долговечность сопряжения.

В результате анализа процессов теплообразования и теплообмена при трении определены количественные показатели для оценки режима работы сопряжения. Это особенно важно при планировании стендовых и лабораторных испытаний, при проведении ускоренных испытаний машин на долговечность, а также при обосновании областей и режимов рационального использования машин в эксплуатации.

Закономерность изменения средней температуры трущихся поверхностей деталей в процессе работы можно получить на основе за­кона сохранения энергии. Выделяющееся в результате взаимодействия поверхностей в единицу времени dτ количество теплоты равно Ф_тdτ. Эта теплота расходуется на нагрев детали и окружающей среды. В этом случае уравнение теплового баланса имеет вид

(4.1)

где Ф_т— тепловой поток, Вт; Ф_т = Q/τ (Q — количество теплоты, Дж; τ — время нагрева детали, с); С — общая теплоемкость детали, Дж/К; А — тепловой поток со всей поверхности охлаждения детали при изменении температуры на 1⁰, Вт/К, A = aS (а — коэффициент теплоотдачи, Вт/(м²К); S — площадь поверхности теплоотдачи, м²).

Из выражения (4.1) путем интегрирования можно получить продолжительность нагрева рабочей поверхности

где t₀ — начальная температура рабочей поверхности детали.

Введем обозначение С/А = Т. Постоянная времени Т нагрева имеет размерность времени и определяет продолжительность до­стижения установившегося максимального значения температуры на поверхности детали при полном отсутствии теплоотдачи, т. е. при А = 0. Для механизма, состоящего из различных по своим теплофизическим свойствам элементов, постоянная времени нагрева может быть только некоторой условной приведенной величиной, значение которой определяют экспериментально с учетом конкретных условий работы машины.

После подстановки и несложных преобразований из выражения (4.2) можно получить закономерность изменения средней температуры трущихся поверхностей деталей

(4.2)

При τ →∞ средняя температура поверхностей деталей ста­билизируется, принимая некоторое установившееся максимальное значение t_max = Ф_т/А. Установившаяся максимальная температура t_max рабочей поверхности не зависит ни от массы детали, ни от на­чальной температуры, а определяется только количеством теплоты, выделяющейся в единицу времени (тепловой поток), конструктив­ными факторами (форма детали, микрогеометрия рабочей поверх­ности) и условиями теплоотдачи. С учетом последнего равенства

(4.3)

т. е. закономерность увеличения температуры рабочих поверхностей де­талей при трении описывается экспоненциальной зависимостью (рис. 4.3, кривая 1).

Если в основном уравнении (4.1) теплового баланса принять Ф_т = 0, что соответствует отсутствию теплообразования при остановке механизма, то получим уравнение охлаждения

(4.4)

Кривая снижения температуры рабочей поверхности детали при остановке механизма, построенная по уравнению (4.4) (рис. 4.3, кривая 2), является зеркальным отображением кривой 1 нагрева.

Рис. 4.3. Изменение температуры трущихся поверхностей деталей в течение единичного рабочего цикла τ_ц — продолжительность работы сопряжения; τ₂— продолжительность паузы

Для условий отсутствия теплоотдачи уравнение теплового балан­са (4.1) записывается следующим образом:

После интегрирования получаем решение этого уравнения

(4.5)

Из выражения (4.5) видно, что температура рабочей поверхности детали при трении и отсутствии теплоотдачи возрастает по линейному закону (рис. 4.4). Это означает, что для узлов трения, работающих в условиях плохого теплоотвода, происходит интенсивное изменение темпера­туры рабочей поверхности детали.

При описании процессов изменения температуры рабочих поверхностей деталей узлов трения сделаны следующие допущения: теплоемкость окружающей среды настолько велика, что температура ее при теплообмене не изменяется; условия охлаждения по всей поверхности тела одинаковы; теплоемкость и теплоотдача тела не зависят от температуры; во всех точках на поверхности тела температура одинакова. Однако, как показали многочисленные экспериментальные исследования, зависимости (4.3) и (4.4) описывают характер изменения средней температуры рабочих поверхностей деталей сопряжений с достаточной для инженерных задач точностью. При строго циклической работе механизма огибающая элементарных кривых нагрева и охлаждения деталей сопряжения, соответствующих процессам единичного цикла, является экспонентой (рис. 4.5).

Рис. 4.4. Изменение температуры трущихся поверхностей деталей при отсутствии теплоотдачи: τ₁ - продолжительность работы сопряжения; τ₂- продолжительность паузы

Рис. 4.5. График изменения средней температуры трущейся поверхности фрикционной накладки муфты сцепления бульдозерной лебедки Д-499Б при большом числе рабочих циклов: 1 — частота включения механизма m = 10; 2-m = 20; 3-m = 30; 4-m = 40; 5-m = 50 1/мин

Увеличение температуры рабочих поверхностей вызывает изменение механической и молекулярной составляющих силы трения.

Механическая составляющая силы трения металлических поверхностей при повышении температуры изменяется в основном вследствие уменьшения твердости материала. Твердость металлических материалов при повышении температуры описывается экспоненциальной зависимостью:

где Н₀ - твердость материала при исходной температуре; β — температурный коэффициент; Δt - приращение температуры при нагревании поверхности вследствие трения.

Таким образом, при повышении температуры происходит снижение твердости трущихся поверхностей, причем у менее твердых матери­алов этот процесс будет интенсивнее. В связи с этим увеличение температуры поверхностей будет сопровождаться более сильным внедрением неровностей, что приведет к повышению деформационной составляю­щей силы трения.

Молекулярная составляющая силы трения при изменении темпера­туры рабочих поверхностей может уменьшаться, увеличиваться или оставаться неизменной в зависимости от конструкции сопряжения, материалов деталей и характера окружающей среды. Для деталей из металлических материалов нормальные условия внешнего трения обеспечиваются при температурах t ≤ (0,2 — 0,3) t_пл (здесь t_пл — температура плавления). Причем повышение температуры в интервале от 0 до 0,2t_пл ведет, как правило, к снижению молекулярной составляющей силы трения вследствие быстро­го восстановления пленок окислов. Дальнейшее увеличение температуры вызывает интенсивное схватывание поверхностей в точках фактического контакта вследствие адгезионного взаимодействия и, следовательно, ведет к увеличению молекулярной составляющей силы трения.

Кривая зависимости силы трения от температуры рабочих повер-­
хностей деталей в процессе внешнего трения, как правило, проходит через минимум, соответствующий наиболее благоприятному темпера­турному режиму работы сопряжения. Определение показателей температурного режима работы механизма (температуры на поверхности трения, средней температуры трущихся деталей и пр.) и закономерностей их изменения позволяет оценить условия работы сопряжений и обосновать управляющие воздействия по обеспечению надежности основных элементов на стадиях конструирования, изготовления и эксплуатации машины.