Лекция №11
1. РАСЧЕТ РЕЛАКСАЦИОННЫХ КОЛЕБАНИИ
Как указывалось выше, в процессе колебания имеет место как состояние
Рис 16 Эквивалентная схема упругой системы трения |
относительного покоя, так и состояние относительного движения трущихся поверхностей, поэтому процессколебания будет происходить следующим образом. Пусть мы имеем схему, эквивалентную какой-либо системе трения, в виде груза 2, связанного с пружиной 3 и положенного на движущуюся со скоростью v ленту 1 жесткость которой много больше жесткости пружины (рис.16) Следовательно, в колебательном движении будет находиться только система, связанная с грузом, так как система ленты вследствие много большей жесткости будет иметь столь ничтожное относительное перемещение, что им можно пренебречь и считать эту систему абсолютно жесткой. Пусть фрикционные характеристики трущихся элементов, т. е. груза и ленты, имеют характер, показанный на рис. 17 и 18. Пока груз и лента находятся в состоянии относительного покоя, сила упругости пружины постоянно уравновешивается силой трения покоя, возрастающей с продолжительностью неподвижного контакта. Рост силы
трения с продолжительностью неподвижного контакта в общем •случае описывается уравнением
(4. 1)
где а и b— константы, связанные со свойствами соприкасающихся поверхностей и нормальным давлением (в развернутом виде они даны выше);
b — коэффициент, характеризующий скорость упрочнения связи;
t — время неподвижного контакта.
Как показывают опыты , сила трения покоя с
продолжительностью неподвижного контакта интенсивно
возрастает лишь в первое время соприкосновения поверхностей,
затем рост силы трения покоя резко замедляется. Поэтому для
иллюстрации по-
Рнс.17.Зависимость силы
трения покоя
от продолжительности неподвижного контакта
Рис. 18. Зависимость силы трения от скорости |
рядка расчета, допуская, конечно, известную ошибку, заменим кривую зависимости роста силы трения покоя от продолжительности неподвижного контакта прямой, проведенной из точки касательно к кривой реальной зависимости. Такой заменой мы допускаем, что рост силы трения прекратится, а сила трения покоя достигнет своего максимального значения, равного Т,^, по истечении времени неподвижного контакта, равного tо (рис. 17). Таким образом, если упругость пружины равна k, то продолжительность этапа равномерного движения груза и ленты при относительном покое будет
(4. 2)
где — перемещение груза от состояния равновесия до срыва.
Движение груза относительно ленты начнется, когда сила упругости пружины станет равной силе трения покоя, соответствующейданной продолжительности неподвижного контакта, т. е. будет, когда справедливо равенство
(4. 3)
Сила трения покоя равна сумме силы трения покоя при нулевом времени контакта То и приращения L, полученного ею за промежуточное время t1:
(4. 4)
Согласно принятому нами допущению,
где x - коэффициент пропорциональности.
Величину x можно найти через величины Tо и T¥. Действительно,
но
следовательно,
откуда
(4.5)
Таким образом, сила трения покоя для данных трущихся тел
(4.6)
Величина t1 зависит от условий работы пары трения и, по всей вероятности, связана с физико-механическими свойствами взаимодействующих тел и прочностью образующихся между ними фрикционных связей. Очевидно также, что величина t1 уменьшается с возрастанием скорости движения ползуна. При принятых нами допущениях t1, оказывает влияние на величину силы трения, изменяясь в пределах от 0 до t0. При достижении tt значения tQ сила трения покоя не изменяется, оставаясь постоянной н равной силе трения покоя при бесконечно большом времени контакта. Непосредственная аналитическая связь величины t1 со скоростью приложения нагрузки, т. е. величиной ku,чрезвычайно сложна и обусловлена процессами, происходящими в зонах контактирования поверхностей.
В задачу настоящей работы не входит установление указанной зависимости, поэтому мы ограничимся лишь констатацией отдельных положений, связанных с влиянием скорости приложения нагрузки на величину силы трения покоя.
Из рассмотрения формулы (4.6) можно сделать заключение, что при постоянном значении t1 величина силы трения покоя является функцией жесткости пружины k и скорости движения ленты v, поэтому для возможности сравнения результатов, полученных на различных приборах, необходимо соблюдать постоянным фактор ku, т. е. скорость приложения тангенциальной нагрузки. Очевидно также, что при сравнении экспериментальных результатов, полученных для различных пар трения, необходимо учесть значения t1. При расчете первого колебания необходимо учитывать время предварительного контакта, предшествующее началу движения ленты. Очевидно, что при t1=t0 исделанных нами допущениях учет предварительного контакта не дает поправки к величине силы трения покоя.
Однако следует иметь в виду, что до начала движения контакт поверхностей осуществляется лишь под действием одного нормального движения, в связи с чем имеет место только формирование фрикционных связей в местах контакта, в то время как приложение тангенциальной нагруаки ведет к одновременному процессу формирования и разрушения отдельных связей.
Следовательно, непосредственное использование эксприментальных данных, полученных в условиях изменения лишь времени предварительного контакта, может привести к неточностям аналитического расчета. Помимо этого, при экспериментальном изучении статистических фрикционных характеристик, особенно в зонах малых скоростей, следует уделять большое внимание стабильности геометрических характеристик соприкасающихся поверхностей, так как известно, что фактическая площадь контакта определяется не только величиной сближения, но и законом распределения выступов по высоте и конфигурацией отдельных выступов.
Продолжительность движения системы при относительном покое соприкасающихся элементов зависит как от условий работы системы (величина и) и Механических параметров системы (величина k), так и от статических характеристик трения (величин Го, £, Гоо). При увеличении v и k продолжительность этого этапа и величина отклонения груза из положения равновесия уменьшаются. Продолжительность этапа движения при относительном покое трущихся элементов и величина отклонения также уменьшаются при уменьшении скорости роста силы трения покоя с продолжительностью неподвижного контакта (величина I). Как уже указывалось, этап равномерного движения при относительном покое соприкасающихся элементов в точке срыва сменяется неравномерным относительным движением этих элементов, обусловленным силами упругости пружины и силой трения скольжения, которая изменяется с увеличением скорости относительного движения. Движение груза на втором этапе может быть (если не учитывать затухания) описано уравнением
(4. 7)
где m —- масса;
— сила трения скольжения в зависимости от скорости.
В связи с тем, что в общем случае зависимость силы трения от скорости выражается уравнением
(4. 8)
аналитическое решение уравнения (4. 6) чрезвычайно сложно.
Константы а, b, с и d, входящие в уравнение, зависят от «свойств трущихся поверхностей и условий их работы. Экспериментальное определение этих констант связано с большими трудностями. Поэтому определение продолжительности и характера движения груза на этапе относительного движения может быть проведено графически путем использования построения Льенара и последующего графоаналитического интегрирования фазовой траектории (рис19). Для правильного конструирования узла трения, обеспечивающего отсутствие релаксационных колебаний в процессе работы этого узла, необходим предварительный расчет данной системы на возможность и величину возникающих в ней колебаний с учетом ее механических параметров и
фрикционных характеристик, применяемых в узле контактирующих частей. При этом важнейшее значение имеет оценка реологических свойств материала. Расчетное определение механических релаксационных колебаний может быть проведено путем графического решения дифференциального уравнения колебаний (4.7). Для решения этого уравнения методом Льенара, путем соответствующего выбора переменных, можно уравнение (4. 7) привести к виду
(4. 9 )
Затем, построив на основе экспериментальных данных кривую и применив графическое построение Льенара, получим фазовую траекторию,проинтегрировав которую, получим график колебательного процесса.
Этот метод позволяет использовать характеристики, полученные в результате экспериментов, проведенных в рабочих условиях или в условиях, близких к реальным. Метод дает возможность выяснить влияние, как крутизны падения кинетической характеристики, так и механических параметров систем.
Рекомендуемая литература:Основная: 1 [разд.7, с.316-326 ] .
Контрольные вопросы
1.Приведите схему колебательного процесса?
2.Каким уравнением описывается движение груза?
3.Приведите уравнение зависимости силы трения от скорости в общем случае?
ЛЕКЦИЯ№12СВОЙСТВА ПЛЕНКИ СМАЗКИ
1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА
Применение смазок известно с глубокой древности. На смену кунжутному, сурепному, касторовому и другим растительным маслам в 90-х годах 19 столетия пришли минеральные (нефтяные масла). Внедрение их является заслугой Д. И. Менделеева, Н. П. Петрова и Рейнольдса. Однако все более усложняющиеся условия работы узлов трения вызвали необходимость создания смазок более стойких, чем масла, полученные перегонкой нефти. Наука о маслах пошла как по пути усовершенствования нефтяных смазок, путем введения в них различных добавок, так и по пути создания синтетических смазочных материалов. В последнее время начинают получать широкое распространение твердые смазки, самосмазывающиеся материалы.
Нефтяные масла подвергаются значительному совершенствованию путем введения в них различных присадок, изменяющих их свойства в нужном направлении. Эти присадки повышают несущую способность смазочного слоя (противозадирные присадки) или выравнивают температурную кривую вязкости, а также предохраняют от коррозии, имеют моющее действие и другие свойства. Эффективными оказались присадки из полиметакрила-тов и кремнеорганических полимеров.
Созданные за последнее время синтетические смазочные материалы — силиконовые, фосфороорганические, диэфирпые, но-лисилоксановые и др.— характеризуются ценными свойствами.
Механизм действия граничной смазки достаточно сложен. Сложность этого явления определяется рядом причин. Тонкие слои смазки (жидкой) изменяют своифизические свойства под воздействием силового поля твердого тела; с другой стороны, твердое тело изменяет свои свойства под влиянием смазки.Эти изменения носят как физический, так и химический характер. Поэтому к системе твердое тело — смазка особенно хорошо применимо представление о третьем теле, наделенном особыми свойствами, отличными от двух тел, их образующих. Этот сложный комплекс процессов с трудом поддается изучению.
Капитальные работы по изучению механизма действия смазки выполнены английским ученым Hardy , установившим зависимость коэффициента трения от молекулярного веса смазки .
Природу действия смазки исследовали Finch , Б. В. Дерягин .
Финч уподобил граничный слой смазки бархатному ворсу или щетине щетки. Он связывал смазочное действие с наличием полярных молекул. Однако эта точка зрения не является исчерпывающей, так как известны хорошие -смазки, не содержащие полярных молекул.
Глубокие исследования по структуре смазочного слоя выполнены А. С. Ахматовым . Его монография освещает состояние науки в области граничного трения.
Механизм действия присадок к маслам детально изучается К. С. Рамайя и другими советскими учеными. Подбором присадок к маслам для снижения трения и износа занимается И. Э. Виноградова .
Разделение трения на сухое и граничное в большой мере условно, так как внешнее трение возможно только при наличии положительного градиента механических свойств по глубине, поэтому поверхностный слой должен быть отличен от нижележащих. Внешнее трение всегда является граничным, так как при нем деформации сосредоточены в тонком поверхностном слое.
В противном случае, например при чистых металлических поверхностях, всегда возникает внутреннее трение (глубинное вырывание). Для предотвращения этого необходимо, чтобы поверхности были разделены пленкой (оксидной, сульфидной и др.), которая должна предохранять нижележащие слои от разрушения.
Однако силы молекулярного взаимодействия между этими пленками, тоже являющимися твердыми телами, все же достаточно велики, что приводит к высоким значениям коэффициента трения и соответственно к избыточному выделению тепла. Для понижения трения применяют жидкую смазку.
При малой толщине слоя смазка теряетсвои объемные свойства, в частности теряет подвижность под влиянием молекулярного поля твердого тела.
Жидкость, вступая в физическое и химическое взаимодействие с металлом, сильно деформированным при трении, резко изменяет его свойства.
Комплекс процессов, происходящих в тонких поверхностных слоях измененного материала и разделяющей их прослойки, обусловливает явление граничного трения.
2. СТРОЕНИЕ ПЛЕНКИ СМАЗКИ
Молекулы веществ, входящих в состав смазочных масел, можно разделить на две группы: полярные (активные) и неполярные.
Первые из них под влияпием молекулярного поля твердого тела образуют структурнограпичиую пленку. Вторые значительно слабее взаимодействуют с поверхностью твердого тела.
Смазочные (минеральные) масла состоят в основном из смеси углеводородов и полярных продуктов их окисления. Рентгеновский метод и метод электронной дифракции позволяют изучить структуру пленок, находящихся на поверхности твердого тела.
Структура граничного смазочного слоя определяется физико-механическими свойствами образующих его молекул, природой и состоянием твердой поверхности. Молекулы должны ориентироваться на поверхности так, чтобы их конфигурация соответствовала устойчивому равновесию. При этом возможна как нормальная, так и касательная ориентация. Нормальная ориентация характерна для полярных молекул, несущих на концах разные группы атомов (например, жирные кислоты). При этом ориентация первого молекулярного слоя противоположна ориентации его следующего слоя. Касательная ориентация свойственна молекулам, имеющим на концах одинаковые группы атомов (например, эфиры). Такой ориентированный кристаллолодобный слой состоит из нескольких рядов молекул. Толщина граничного слоя составляет величину порядка 200 А .
Представление о правильном слоистом пластинчатом строении граничного слоя смазки применительно к реальному металлу является лишь идеализированной схемой.
Опыты с пленками органических кислот (миристиновой и стеариновой), нанесенными на поверхность стали, показали, что при определенной температуре и давлении существует критическая толщина пленки hK, ниже которой скольжения между молекулярными рядами не будет. Это обстоятельство указывает, что поверхностные слои смазки на металле обладают особыми физическими свойствами, отличными от объемных свойств смазки. Слои с толщинами ниже критической способны выдерживать большие нормальные давления, не выходя за пределы упругости.
Такие особые свойства граничного слоя А. С. Ахматов называет свойствами квазитвердого тела.
В результате химической реакции кислоты с металлом, которая, как указывает Боуден, протекает с участием окисной пленки (для меди, кадмия, цинка), образуются металлические мыла, являющиеся эффективными смазками.
Граничные слои образуются также и из твердых смазок. Они имеют главным образом слоисто-решетчатую структуру; это — слюда, глина, графит и молибденит, чешуйки которых адсорбируются на поверхностях трения. Обычно предполагают, что слоисто-решетчатые кристаллы находятся в свободном соприкосновении. Однако эта точка зрения опровергается тем фактом, что слои слоисто-решетчатых кристаллов могут быть отделены один от другого только путем расщепления.
Поверхности, только что полученные расщеплением па воздухе, будут прочно сцепляться, если их соединить вместе, и не могут быть отделены при попытке разорвать связи одновременно. Однако они теряют это свойство при длительном воздействии воздуха или при кратковременном погружении в воду или жидкую смазку. Финч объясняет это образованием у слоисто-решетчатых расщепляющихся поверхностей адсорбционных слоев.
Под действием касательной и нормальной нагрузок граничные слои смазки должны проявлять способность к легчайшим тагенциальным скольжениям и высокому сопротивлению сжатию.
3. ИЗМЕНЕНИЕ ПОВЕРХНОСТЕЙ ТРЕНИЯ ПОД ВЗАИМОДЕЙСТВИЕМ СМАЗКИ
Условия и виды заедания при трении закаленной стали в углеводородных смазочных средах, как показали Ю. Я. Подольский, И. В. Корепова и Г. В. Виноградов, в огромной мере зависят от процессов сопряженного окисления металлов и углеводородных смазочных сред. Молекулярный кислород и продукты окисления углеводородов, взаимодействуя при трении со свежеобнаженными поверхностями металла, образуют окисные слои, создающие положительный градиент механических свойств, что резко повышает несущую способность фрикционного сопряжения.
Значительные изменения поверхностей трения достигаются введением в масла различных присадок. По классификации, предлагаемой И. Э. Виноградовой , присадки разделяются на антифрикционные, противозадирные и противоизносные.
В качестве антифрикционных присадок в настоящее время применяются: животные или растительные жиры и жирные кислоты, а также органические соединения серы, соединения, содержащие галогены (главным образом хлор); соединения фосфора, азота; различные соединения металлов (например, свинцовые мыла, окисные и сернистые соединения молибдена, сернистые соединения вольфрама, органические соединения цинка, коллоидное железо и др.).
Соединения, содержащие несколько активных элементов водной молекуле (серу, хлор и др.), являются противозадирными. Для этой цели эффективными оказываются неорганические соединения металлов: свинца, меди, кальция, натрия, алюминия, лития, цинка, сурьмы, висмута, молибдена, вольфрама, титана, кобальта и железа в коллоидном состоянии.
В качестве противоизносных присадок наиболее эффективны биметаллические соли диалкилдитиофосфорных кислот (соли бария и цинка).
4.ОМЕХАНИЗМЕ СМАЗОЧНОГО ДЕЙСТВИЯ И КРИТЕРИЯХ СМАЗОЧНОЙ СПОСОБНОСТИ
Наиболее ранние работы по механизму смазочного действия, выполненные Гарди, связывали смазочное действие с адсорбцией молекул жирных кислот на поверхность твердых тел. При этом, чем длиннее молекулярная цепь, тем эффективнее смазочное действие. На рис. 170 показаны экспериментальные данные зависимости коэффициента трения от молекулярного веса смазки. Эти представления относили к углеводородным соединениям и спиртам. Bowden и Tabor показали, что смазочное действие обусловлено не только длиной цепи молекул. Короткие молекулы, например алкиламинов, дают небольшие коэффициенты трения, тогда как соединения фтора, имеющие такую же длину молекул, дают большие значения коэффициента трения. Новую область представляют собой исследования механизма смазочного действия полимеров.
Tabor и Winer в результате изучения смазочного действия силиконовых соединений установили, что смазочная способность силиконовых соединений зависит от вязкости и не определяется физико-химическими связями между силиконом и металлами. Молекулы смазки располагаются горизонтально, не образуя ворса, нормального к поверхности, в связи с этим смазка может рассматриваться как гидродинамическая в тонком слое. В этом случае наиболее важными характеристиками являются вязкость и ее изменение от температуры и давления; а также сопротивление на срез.
Они предлагают следующий критерий характеристики смазочной способности:
( 5.1 )
где u— скорость скольжения;
m — коэффициент внутреннего трения;
R — радиус ползуна;
N — нагрузка.
В. С. Щедров аналитически описал взаимодействие твердой поверхности с граничной пленкой. В. С. Щедров сопоставляет прочность граничной пленки с силой, интенсивностью и протяженностью молекулярного поля, образованного твердым телом. Он полагает, что прочность пленки данной поверхности будет различна, когда эта поверхность изолирована или соприкасается с другой твердой поверхностью.
Г. И. Фукс , придерживаясь молекулярно-меха нической теории для случая, когда смазка не оказывает химического действия на поверхность, силу трения выражает следующим образом
(5.2)
где a,b,g — доли реальных площадей контакта, на кото рых соответственно реализуется сдвиг самих выступов поверхности;
sta , stm , atn—прочности на сдвиг соответственно материала, в мономолекулярном слое смазки, в полимолекулярном граничном слое.
Г. И. Фукс считает, что последняя составляющая имеет ничтожное значение для силы трения. Для снижения трения он предлагает снижать staпутем нанесения на поверхность трения тонких слоев мягких металлов, т.е., согласно нашим представлениям, путем увеличения положительного градиента механических свойств.
Эффективность такого приема иллюстрируется табл. 1.
Зависимость коэффициента трения от толщины мягкого металлического покрытия изображена на рис.20. Она находится
Таблица 1 Влияние поверхностно активных веществ на коэффициент трения
Жидкость | Кадмированная сталь | ||||
Контртело | Смазочная жидкость | без | Жидкость | Жидкость | |
ПАВ | с ПАВ | без ПАВ | с ПАВ | ||
Сталь У10А | НПФ | 0,15 | 0,10 | 0,29 | 0,04 |
То же | Фторуглеродная | 0,18 | 0,09 | 0,22 | 0,03 |
Сплав ВК-6 | НПФ | 0,13 | 0,11 | 0,25 | 0,05 |
Лейкосапфир | » | 0,11 | 0,10 | 0,30 | 0,04 |
» | Полисилоксановая | 0,32 | 0,18 | 0,35 | 0,01 |
ПМС-30 |
в соответствии с данными, полученными ранее Боуденом и Тейбором. Как видим, твердые смазки подчиняются той же закономерности, что и жидкие.
16 18 мк |
Рис 20 Зависимостьустановившегося коэффициента трения стали (скорость сдвига 0,54 cmjcek) при двухслойной смазке от толщины мягкого металла. Жидкая смазка— раствор ПАВ в полиэтилсилоксаповой жидкости:
/ — покрытие кадмием. qa - 213кГ/см2; 2 — то же, q a— = 103 кГ/мм1;
3 — покрытие индием, ци = 89 кГ!мм2
Исследования Г. И. Фукса по проверке влияния молекулярного веса смазки па коэффициент трения показали, что основной характеристикой, определяющей механические свойства граничных слоев смазки, является толщина слоя смазки, оставшаяся в зазоре при приложении сжимающего усилия.
Boyd иRobertson , исследуя зависимость напряжения на сдвиг от толщины смазки, получили, что при толщине смазки менее 40 мк сопротивление на сдвиг резко возрастает с уменьшением толщины слоясмазки .
По нашим представлениям эффективность смазочного действия вследствие двойственной молекулярно-механической или, как мы теперь говорим, адгезионно-деформационной природы трения обусловлена, с одной стороны, понижением сил адгезионного взаимодействия соответственно прочности мостиков связи, что уменьшает тангенциальные напряжения, развивающиеся в деформируемом объеме, а также величину самого деформируемого объема. С другой стороны, она связана с понижением сопротивления упругому или пластическому оттеснению или, наконец, разрушению тонкого поверхностного слоя (это зависит от вида нарушения фрикционной связи) и предельной его локализации, т. е. увеличения градиента механических свойств.
Эффективность смазочного действия следует оценивать по величине коэффициента трения. Коэффициент трения определяется следующим выражением:
(5.3 )
для пластического контакта
(5.4 )
Соответственно при пластическом контакте
(5.5 )
При упругом контакте для материалов с высоким модулем упругости деформационная составляющая невелика, ею можно пренебречь, однако приходится учитывать изменение контурного давления на контакте.
Коэффициент трения при упругом контакте можно представить следующей формулой для адгезионной составляющей, полагая u=3, b = 5:
(5.6 )
Как видим, адгезионная составляющая в условиях упругого контакта определяется отношением тангенциальной прочности адгезионной связи к модулю упругости и гладкостью поверхности в условиях пластического контакта — отношением тангенциальной прочности к твердости. Деформационная составляющая зависит от
шероховатости и отношения контурного давления к твердости.
Роль смазочной пленки выражается в основном во влиянии ее на t0 и b, а соответственно на изменение hmax и R, тогда как НВ и E от свойств пленки зависят мало. Особенностью предлагаемой нами оценки является включение в нее свойств самих поверхностей. Так как по величине b имеется малое число экспериментальных данных, то приведем для иллюстрации их значения для; некоторых случаев:
Значение b для различных пар трения
(по Ю. П. Топорову)
Фторопласт — сталь ШХ-15 ........ ----------------0,02
Резина — сталь ШХ-15 ................. ----------------0,15
Полиэтилен— сталь UIX-J5 --------------------------0,04
Полиэтилен — стальные опилки по стали----------0,08
Стекло по стали, при монослое олеиновой ки--0.08.
Смазочное действие обусловлено не только свойствами внесенной извне смазки, но и взаимодействием ее с поверхностью твердого тела и твердых поверхностей между собой.
Трудность создания эффективной смазки связана с тем, что понижение прочности приповерхностного слоя не должно приводить к повышению износа и увеличению работы деформации поверхностного слоя, иначе возрастает деформационная составляющая трения.
Для повышения износостойкости необходима максимальная стойкость поверхностного слоя, т. е. способность выдерживать многократные деформации без разрушения.
Выполнение этих двух требований — основная трудность, стоящая перед специалистами в области создания смазок. Применение принципа максимальной податливости к топкому поверхностному слою, оказывающемуся эффективным для повышения износостойкости, приведет к повышению деформации составляющей трения..
Рекомендуемая литература:Основная: 1 [разд.8, с.328-345 ] .
Контрольные вопросы
1.Для чего применяется смазка ?
2.Чем определяется структура граничного смазочного слоя ?
3.Что такое свойства квазитвердого тела по А.С. Ахматову ?