Лекция № 8

1.ТЕОРИЯ ЭРНСТА И МЕРЧЕНТА

Эрнст и Мерчент также рассматривают трение как двойствен­ный процесс. Они считают, что трение обусловлено как адгезией, так и шероховатостью поверхностей. Поэтому коэффициент тре­ния выражается формулой

( 3. 10 )

где S - среднее сопротивление срезу для всей фактической пло­щади контакта;

q - средний угол, составляемый фактической площадью

контакта с направлением силы трения.

Пренебрегая tg q как величиной, меньшей чем , Эрнст и Мерчент предлагают для вычисления коэффициента трения пользоваться отношением сопротивления на срез к твердости.

( 3.11 )

2. АНАЛИЗ ИССЛЕДОВАНИЙ ПО ТРЕНИЮ СКОЛЬЖЕНИЯ

Впервые вопрос о влиянии скорости на величину коэффициен­та трения был освещен в работе Кулона. Во второй главе своего классического исследования по теории машин, посвященной тре­нию движения, он формулирует независимость силы трения дви­жения от скорости при скольжении дуба по дубу и в то же время делает оговорку, что фактически при больших размерах поверх­ностей и малых удельных давлениях сила трения возрастает вме­сте со скоростью; при малых же размерах поверхностей и боль­ших' удельных давлениях сила трения падает вместе со скоро­стью. Это изменение Кулон относит за счет присутствия на поверхности ворса (duvet), который надо согнуть (plicr) при скольжении поверхностей. Ученый констатировал, что при трении металла по дубу имеет место возрастание силы трения при увели­чении скорости. В третьей главе своей работы Кулон отмечает, что у дерева, скользящего без смазки по дереву, и у металлов, скользящих по металлам, скорость почти не влияет па силу тре­ния, тогда как при трении разнородных поверхностей она возра­стает по мере увеличения скорости. Кулон дал количественное выражение этому возрастанию, указывая, что возрастанию ско­рости в геометрической прогрессии соответствует возрастание си­лы трения в арифметической прогрессии.

Несколько позже Vince Samuel констатировал для тек­стильных материалов значительное увеличение коэффициента трения при возрастании скорости.

Him в своих исследованиях также указывал на возраста­ние коэффициента трения при увеличении скорости.

Опыты Rennie , исследовавшим металлы, дерево, камень, лед, кожу и волокнистые вещества (текстильные ткани), пока­зали, что для всех материалов, за исключением волокнистых ве­ществ, коэффициент трения не зависит от скорости; для волокни­стых же веществ коэффициент трения падает с увеличением ско­рости. Автор оговаривается, что мягкие сорта дерева, камня, металлов, ведут себя, как волокнистые вещества.

Morin экспериментально проверил большинство положе­ний, установленных Кулоном, и пришел к выводу о независимости коэффициента трения от скорости. Следует учесть, что все эти исследования проводились при сравнительно малых скоростях скольжения (в опытах Кулона скорость не превышала 2,5 м/сек, Ренни — 2,56 м/сек, Морена — 4 м/сек).

В связи с развитием железнодорожного транспорта с середи­ны 19-го столетия начинает проявляться значительный инте­рес к трению скольжения. В 1851 г. Poiree производит опыты на Лионской железной дороге по торможению вагонов, заставляя колеса скользить по рельсам. Между паровозом и вагоном был включен динамометр Морена. Скорость при исследованиях до­стигала 22 м/сек. Несколько лет спустя, Bochet предложил следующую эмпирическую формулу:

(3.12 )

Обработав по этой формуле экспериментальные данные Пуаре, Боше, установил следующие числовые значения коэффициен­тов: g = 0; а = 0,03, т. е.

(3. 13)

где k для очень сухих рельсов равно 0,31, для сухих — 0,22, для мокрых — 0,14.

Опыты, организованные Боше в 1856 и 1861 гг. вместе с Гарелла, были поставлены в более широком масштабе. Боше тормозил вагоны не только металлическими колодками, но и сухим свежим деревом, кожей, гуттаперчей.

Для вычисления коэффициента трения Боше пользовался сво­ей ранее предложенной формулой, однако установил, что для его опытов величина gотлична от нуля.

В некоторых работах формулу Боше приводят в виде

( 3.14 )

Очевидно, что формула ( 3.13) получается путем алгебраиче­ского преобразования выражения ( 3.12).

Константы для этой формулы определил Gallon при испы­тании тормозов Вестингауза, проведенном в 1878—1879 гг. на железной дороге Лондон — Брайтон, а также Л. Вихерт. По Вихер-ту, при трении чугунных тормозных колодок по стальным банда­жам колес для сухих поверхностей f₀ = 0,45, для влажных /о = 0,25; а == 0,018; b = 0,097.

Согласно приведенным формулам, коэффициент трения падает при увеличении скорости. Эти результаты получены при натурных испытаниях, когда разогнанный до некоторой скорости состав, будучи заторможен, скользил по рельсам. Усилие определялось при помощи пружинного динамометра Морена.

Jenkin и Ewing изучали трение покоя и трение движения в цапфах при скоростях до 0,3 см/сек (3—8 об/мин). Регистрацию они вели посредством короткопериодного маятника, периодиче­ски замыкающего цепь, посылающую электрические импульсы. При таких малых скоростях не была обнаружена зависимость ко­эффициента трения от скорости.

До сих пор представляют интерес исследования Conti и Campball . Они констатировали, что величина коэффициента трения по мере увеличения скорости переходит через максимум. Кемпбелл исследовал трение дерева по дереву, кожи по дереву, чугуна по ковкому железу со смазкой. Скорость и давление изме­нялись в широких пределах. Конти изучил большое количество пар материалов на весьма совершенной лабораторной установке, представляющей собой гигантскую наклонную плоскость, на ко­торой были расположены па определенном расстоянии электриче­ские контакты. При скольжении по ней образец замыкал эти кон­такты.

Немецкий ученый Franke обработал данные, полученные Пуаре, Боше, Гальтоном, и предложил следующую эмпирическую формулу:

f = t_Qe-^c\ ( 3. 15 )

где /о — коэффициент трения покоя; v — скорость; с — константа.

3. ПЛЕНКИ НА ПОВЕРХНОСТЯХ И ИХ ВЛИЯНИЕ НА ТРЕНИЕ

Как мы указывали выше, присутствие менее прочной пленки, чем основной материал, является обязательным условием внеш­него трепия, т. е. обязательным является выполнение правила положительного градиента. В точном соответствии с ним почти всегда на более твердой поверхности трения обнаруживается тонкая пленка наиболее мягкой составляющей материала, участ­вующего в трении. Поэтому во фрикционном контакте должна присутствовать или пленка смазки, или пленка окисла, или плен­ка мягкой составляющей.

О возникновении на поверхностях трения различных пленок нами указывалось выше Эти пленки оказывают решающее влияние на трение, точнее, без пленок трение невозможно, так как происходит прочное сваривание двух соприкасающихся поверхно­стей. Большое количество исследований, выполненных по трению в вакууме, подтверждает сказанное.

На чистой обнаженной поверхности тела атомы кристалличе­ской решетки легко вступают в соединение с окружающими эле­ментами. Это приводит к образованию на поверхности металла чрезвычайно тонких, невидимых простым глазом пленок окис­лов и различных веществ, содержащихся в окружающей среде. Наличие их резко изменяет величину коэффициента трения.

Эти пленки очень прочно связаны с металлом и могут быть удалены лишь при специальной тщательной очистке, нагреванием в вакууме до высоких температур, воздействием сильно адсорби­рующих веществ и другими путями. Наличие пленок не позволяет судить об истинной величине коэффициента трения для данной трущейся пары металлов,, что приводит к неудачным результатам по установлению зависимости коэффициента трения от природы трущихся тел и является причиной плохой воспроизводимости коэффициентов трения, получаемых различными исследовате­лями.

В 1919 г. Гарди провел опыт с трением тщательно очищенных стекол в контролируемой атмосфере и получил коэффициенты трения около единицы и выше.

Б. В. Дерягин и В. П. Лазарев исследовали трение свеже-сколотых пластин слюды. Коэффициент трения таких пластин оказался близким к единице.

В последнее время к вопросу о влиянии на величину силы тре­ния образующихся на поверхности металла пленок проявляется значительный интерес.

Работа А. С. Ахматова посвящена влиянию степени очистки поверхностей на коэффициент трения. В ней предлагается инте­ресный метод очистки поверхностей посредством активированной угольной пыли.

Для оценки влияния пленок па коэффициент трения Bowdcn и Hughes , а также Campbell провели опыты в вакууме и контролируемой газовой атмосфере.

Рекомендуемая литература:Основная: 1 [разд.6, с.246-266 ] .

Контрольные вопросы

1.Напишите формулу коэффициента трения из теорий Эрнста и Марчента?

2. Напишите эмпирическую формулу коэффициента трения Bochetа?

3. Напишите эмпирическую формулу коэффициента трения Пауера-Боша?