Физико-механические основы процесса трения

Инженерно-конструкторская практика постоянно изыскивает возможности уменьшения количества трущихся деталей и элементов машин.

В настоящее время уже созданы агрегаты, в которых полностью отсутствуют трущиеся элементы (за исключением разве специфических элементов трения — неподвижных соединений, выполненных с натягом).

Однако нужно с сожалением констатировать, что в подавляющем большинстве машин еще очень много узлов трения и с ними еще очень длительное время инженерная практика будет сталкиваться.

Трущиеся элементы машин являются одними из тех слабых звеньев, которые лимитируют срок службы изделия. По ним зачастую производится оценка надежности изделия в целом.

Изучение физических закономерностей трения и изнашивания очень важно, т.к. только их знание позволит уменьшать их вредное действие.

Очевидно, что повышение надежности и долговечности элементов машин станет возможным, если будет познана сущность происходящих явлений при трении и износе.

Трение твердых тел изучается в ряде курсов: физике, теории механизмов и машин и др. В данном курсе физическая сторона процесса трения будет рассмотрена кратко и основное внимание будет посвящено износу — явлению, которое приводит к отказам устройств.

Различают две основные разновидности трения: трение скольжения и трение качения.

По условиям смазки трение можно подразделить на сухое, жидкостное и полусухое (полужидкостное). Сухое трение осуществляется между несмазанными поверхностями деталей. При жидкостном трении трущиеся поверхности разделены между собой слоем смазочной жидкости, называемым масляным клином.

При этом контакт твердых движущихся поверхностей практически отсутствует. Полусухое или его еще называют полужидкостное трение является промежуточным случаем между сухим и жидкостным трением. При перемещении трущихся поверхностей сквозь масляный клин некоторая часть микровыступов касается контрповерхности. Во многих работах этот вид трения называется граничным трением.

Физическая сущность процессов, протекающих при трении, очень сложна и несмотря на большое количество исследований, посвященных трению, и проводившихся в течение последних трех столетий, еще недостаточно изучена.

Представление о природе трения изменялись по мере изменения наших представлений о физике твердого тела. В настоящее время все теории, объясняющие физическую сущность процесса трения, можно разделить на четыре группы.

Первая группа теорий, имеет чисто геометрическое толкование: эффект трения объясняется за счет подъема касающихся микровыступов скользящих поверхностей относительно друг друга. Эта теория зародилась в момент развития механики абсолютно твердых тел (конец XVII, начало XVIII века). В то время тела предполагались абсолютно жесткими и других предположений о природе трения сделать было невозможно.

Вторая группа теорий трения объясняет взаимодействие скользящих поверхностей как результат взаимодействия молекулярных сил. Впервые эта теория была высказана в 1704 году английским физиком И. Дезагюлье. Но настоящее развитие эта теория получила в последние 50 лет.

Третья группа теорий объясняет процесс трения как деформационный процесс, протекающий в поверхностных слоях. Микровыступы одной поверхности внедряются в соприкасающуюся поверхность и при скольжении упруго-пластически деформируются сами, либо деформируют контрповерхность. Первая теория трения этой группы предложена в 1801 году английским физиком Лесли.

Четвертая группа теорий трения объединяет комбинированные теории трения, эти теории рассматривают процесс трения как молекулярно-механическое взаимодействие скользящих поверхностей. Первые из этих теорий появились весьма давно. Так французский ученый Ш. Кулон в 1799 году предложил теорию, рассматривающую трение, как результат преодоления подъема по высоте микронеровностей и сил сцепления между поверхностями в точках касания.

По мере изменения взгляда на механизм процесса трения, изменялись взгляды на величину коэффициента трения. На пороге зарождения науки о трении Леонардо да Винчи, Амонтон сформулировали положение о неизменности коэффициента трения для всех тел и любых состояний поверхностей.

Позднее рядом исследователей было установлено, что коэффициент трения зависит от скорости скольжения, физических свойств материалов пар, температуры на поверхности скольжения, нормального давления, наличия смазки и т. д.

В настоящее время общепризнаным является следующий факт: для целей инженерных расчетов необходимо учитывать, что трение почти в равной мере зависит от следующих трех главных условий: сочетания материалов, конструкции фрикционной пары и режимов работы.

Поэтому выбор пар трения без знания их условий работы невозможен.

В данном курсе не представляется возможным рассмотреть все вопросы, связанные с различными видами трения. Рассматриваются некоторые вопросы старения элементов машин, работающих в условиях трения.

Речь пойдет об износе элементов и узлов машин. Уже упоминалось, что трущиеся элементы машин являются наиболее ответственными с точки зрения ее функционирования и наиболее слабыми с точки зрения надежной и долговечной работы. Обеспечение надежной и долговечной работы элементов трения возможно только- при знании физико-химчиеской механики износа и умении управлять этими процессами.